褪黑素对高温胁迫下生菜抗氧化酶系统的影响

2022-04-12韩莹琰郝敬虹刘超杰范双喜

北京农学院学报 2022年2期

王译，韩莹琰，郝敬虹，刘超杰，范双喜

(北京农学院植物科学技术学院，北京102206)

生菜，又名叶用莴苣(LactucasativaL.)，喜冷凉环境，生长最适温度为15～20 ℃，超过30 ℃则会出现生长不良，且极易抽薹[1]。高温胁迫会使生菜产量下降、商品性降低，不耐热品种反应更加明显[2]。

近年来，全球气候变暖对农业生产的影响也越来越大[3]。高温会引起植物体内活性氧的产生，从而造成氧化损伤[4]，当植物体内活性氧活性氧的清除不能与产生的速率达到统一，会导致细胞受到伤害。在高温环境下，过量的活性氧使膜脂过氧化，在膜脂氧化时会产生丙二醛(MDA)，表现出明显的细胞毒性。逆境下植物细胞质膜透性以及其过氧化产物含量是评价植物抗逆性的重要指标。在受到高温胁迫时，植物会产生一系列的热激反应，激活抗氧化酶防御系统进行自我保护[5]。超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)是组成该系统的重要酶。这些酶可以清除细胞产生的自由基，将活性氧控制在稳定的范围内，维持植物的正常生理活动。

褪黑素(N-乙酰-5-甲氧基色胺，Melatonin，MT)广泛存在于植物体内，对植物生长和发育方面有重要的作用。褪黑素在植物抵御干旱胁迫、盐胁迫、温度和氧化胁迫等不良影响中体现出重要作用[6]。在植物对抗氧化胁迫时尤为突出[7]。前人的研究表明，在高温胁迫条件下，外源褪黑素能够提高抗氧化酶系统中部分酶的活性，降低植物体内由于环境胁迫产生的活性氧含量，减轻细胞膜的损伤，缓解高温对植物的不利影响[8,9]。目前，褪黑素调节玉米、大豆代谢方面的研究相对深入，但高温胁迫下外源褪黑素对生菜幼苗的作用效果尚不明确。

本试验以热敏感生菜品种‘北散生3号’为材料，采用水培方式，通过叶面喷施50 μmol/L褪黑素，探明高温环境下外源褪黑素调节生菜抗氧化酶系统的生理机制，为进一步研究外源褪黑素缓解高温胁迫对生菜造成的不利影响提供理论基础。

1 材料与方法

试验生菜为北京农学院课题组提供的热敏感品种‘北散生3号’。

1.1 基础试验

选取颗粒大小一致、无病害的生菜种子。蒸馏水浸种4 h，在培养皿中平铺用蒸馏水浸润的滤纸，把生菜种子均匀分布在滤纸上。放置于光照培养箱中进行催芽，设置昼夜温度为20 ℃/15 ℃，光照强度为200 μmol·m-2·s-1，光周期为12 h/12 h，相对湿度为70%～75%。每2 d补充去离子水，观察种子发芽情况。将发芽后的生菜种子移植到水培育苗盘中，继续在上述光培养箱中培育。生菜幼苗培育至3叶1心时，挑选长势良好、生长状况一致的植株，移栽到11孔水培箱中，置于计算机智能温室中继续培育，设置光周期为12 h/12 h，昼夜温度为20 ℃/15 ℃，光照强度控制为200 μmol·m-2·s-1，相对湿度为70%～75%。待幼苗长至5叶1心时开始处理。将其转移至昼夜温度设置为30 ℃/25 ℃的温室进行处理。

实验室前期相关试验得出高温胁迫下生菜幼苗生长最适褪黑素质量浓度为50 μmol/L 。

1.2 试验设计

设置3个处理：(1)CK，正常温度，喷施去离子水；(2)H，高温环境，喷施去离子水；(3)H+MT，高温环境，喷施50 μmol/L褪黑素。

每天8:30使用小型喷雾器喷施去离子水和50 μmol/L褪黑素溶液，在叶面和叶背均匀喷施，以喷施液体全部润湿叶面，但不下滴为基准。试验共进行8 d，第8天收获生菜并测量其形态指标和水分生理指标，并在处理的0、2、4、6和8 d傍晚18:00采集主要功能叶测定其他指标。

1.3 测定方法

选取生长一致的植株测量株高，地上部分和地下部分的鲜质量和干质量，并计算相对含水量。

叶绿素含量测定采用95%乙醇浸提法[10]，测定丙二醛(MDA)含量用硫代巴比妥酸法[11]，测定过氧化氢酶(CAT)的活性采用过氧化氢紫外分光光度法[12]；测定过氧化物酶(POD)活性用愈创木酚法[12]；测定超氧化物歧化酶(SOD)活性用 NBT(氮蓝四唑)光化学还原法[12]。

试验数据使用SPSS 24(IBM，美国)进行差异显著性分析(LSD，P<0.05)。图表均使用Excel 2019(Microsoft，美国)制作完成。

2 结果与分析

2.1 外源褪黑素对高温下生菜幼苗生长的影响

如表1所示，高温胁迫下生菜幼苗株高明显高于对照，喷施MT株高有所降低但效果不显著。高温胁迫使生菜幼苗的植株含水量显著降低， MT处理后生菜幼苗含水量均显著高于高温处理。高温胁迫下喷施褪黑素对生菜幼苗鲜质量和干质量没有显著影响。以上数据表明，喷施外源MT可以缓解高温胁迫造成的植株相对含水量降低，但对株高增长没有显著影响。

表1 外源褪黑素对高温胁迫下生菜生长的影响Tab.1 Effects of exogenous MT on growth of lettuce under high temperature stress

2.2 外源MT对高温胁迫下生菜叶绿素含量的影响

如图1所示，高温环境下生菜叶片中叶绿素含量与对照相比出现明显变化，且叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总量变化趋势一致。胁迫至4 d，叶片中的叶绿素含量开始出现变化，表现为含量上升。并随着胁迫时间的延长，生菜植株叶片中的叶绿素含量逐渐积累。胁迫至8d生菜叶片中叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量分别是对照的1.53倍、1.81倍、1.60倍。高温喷施褪黑素后叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量有所降低，但是没有改变叶绿素含量的积累趋势。结果说明，外源褪黑素对高温环境下生菜叶片中的叶绿素含量无显著影响。

图1 外源MT对高温胁迫下生菜叶绿素含量的影响Fig.1 Effects of exogenous MT in chlorophyll content of lettuce under high temperature stress

2.3 外源褪黑素对高温胁迫下生菜丙二醛含量的影响

如图2所示，高温胁迫下生菜幼苗叶片中丙二醛含量显著高于对照，并随着胁迫天数的增加逐渐积累，6 d时与对照相比最为明显，是对照的1.48倍。高温胁迫下喷施褪黑素，丙二醛含量从4 d开始与高温出现差异，4 d、6 d、8 d的丙二醛含量较高温胁迫分别下降了11.28%、6.66%、8.44%。以上结果表明，高温胁迫下喷施褪黑素能够减少生菜幼苗中丙二醛的积累。

图2 外源褪黑素对高温胁迫下生菜丙二醛含量的影响Fig.2 Effect of exogenous MT on the MDA content in lettuce under high temperature stress

2.4 外源褪黑素对高温胁迫下生菜叶片抗氧化酶活性的影响

如图3所示，在持续8 d的高温胁迫中，CAT、SOD活性呈现先升高后降低的趋势，POD活性逐渐升高。高温胁迫至8 d，CAT、POD、SOD活性都显著低于对照，且降低程度由高到低依次为CAT、SOD、POD。高温胁迫下喷施褪黑素显著提高CAT、SOD活性，6 d、8 d活性升高最为显著。8 d时喷施褪黑素的CAT、SOD活性分别是高温的2.41倍、3.60倍。外源褪黑素对POD活性的影响8 d出现变化，与高温相比POD提高了17.0%。以上结果表明，外源喷施褪黑素能够显著缓解高温胁迫对CAT、SOD活性的影响，在8 d的处理时间内对POD活性有所提升但效果不明显。

图3 外源褪黑素对高温胁迫下生菜幼苗的抗氧化酶活性的影响Fig.3 Effect of exogenous MT on antioxidant enzyme system of lettuce under high temperature stress

3 讨论

高温胁迫严重影响着植物的正常生长和发育[13]。本试验中，高温环境对生菜幼苗的生长有显著的影响，表现为叶片皱缩、徒长抽薹，相对含水量显著降低。高温喷施褪黑素减轻了抽薹现象，其鲜质量、干质量、相对含水量也有所恢复，外源喷施褪黑素能够缓解生菜幼苗不良的生长状况。

植物的光合作用对温度较为敏感，叶绿素作为光合作用中的重要色素，其含量变化能够反映出植物的抗逆能力。有研究表明高温胁迫会使叶绿素的含量显著减少，一般认为其原因是叶绿体结构被破坏，导致光合色素合成受到影响[14]。而本试验则不同，高温胁迫下生菜幼苗叶片中的叶绿素含量显著升高。有前人的研究表明，干旱胁迫使栀子花叶片的相对含水量降低，叶片生长受阻，叶面积减小，从而造成单位面积叶片的叶绿素含量升高[15]。本试验中，高温胁迫对植株的影响出现与干旱胁迫类似的状况，叶片相对含水量减少，叶片皱缩，最终表现为叶绿素含量升高。

植物细胞膜是抵抗高温胁迫的重要结构，其热稳定性与植物体的耐热性有直接联系。高温胁迫对植物细胞的影响反映在很多方面，其中细胞膜受损是主要现象之一[16]。在本试验中，高温胁迫使生菜幼苗体内丙二醛含量增加并逐渐积累。外源喷施褪黑素4 d后，丙二醛含量开始降低，说明外源褪黑素所具有的抗氧化能力，能够帮助生菜幼苗清除活性氧，保护膜脂不被氧化，从而降低丙二醛的含量，减轻对植物的毒害。