盐碱胁迫下棉花幼苗对外源褪黑素的生理响应*

何皇成，陈明媛，王腾飞，刘建国*

（石河子大学新疆兵团绿洲生态农业重点实验室，新疆 石河子 832003）

土壤盐渍化是新疆棉花生产中面临的最重要的非生物胁迫因素，新疆现有耕地中31.1%的面积受到盐碱危害，盐害导致的棉花出苗障碍以及苗期僵苗是棉花丰产高效的重要限制因子[1]，因此研究盐碱胁迫下棉花种子萌发及幼苗生长的抗逆调控技术具有重要意义。褪黑素是一种植物生长调节剂，在植物体内易于吸收，作用在植物上也不会经过食物链富集而对人体产生不良影响，是一种提高植物抗逆性的绿色途径[2]。

褪黑素在植物体中体现出多重生理功能，主要通过调节细胞内的渗透势，维持水分平衡[3]、诱导抗氧化酶的活性[4]、降低活性氧和过氧化物含量[5]、消除体内大量的活性氧自由基[6]、抵御外界胁迫造成的氧化损伤，以此来提高植物的抗逆性。褪黑素越来越广泛地应用于缓解植物逆境胁迫研究中。

有关外源褪黑素对棉花种子萌发幼苗生长性状的调控效应已有相关报道[7]，但相关研究都是以氯化钠单盐胁迫处理，而盐碱农田中均是以混合盐碱的形式对作物产生危害。因此，研究外源褪黑素对混合盐碱胁迫下棉花种子幼苗生长、抗氧化酶活性和MDA含量的影响，可为在盐碱地栽培中使用化学抗逆调控技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以惠远77号品种为供试材料，选取籽粒饱满、大小一致的种子为试验材料。用5%次氯酸钠溶液消毒10 min，无菌水清洗3次，晾干后备用。

1.2 试验方法

依据新疆地区盐碱地盐分组成，选取2种中性盐（Na2SO4，NaCl）及2种碱性盐（Na2CO3，NaHCO3）按1∶9∶9∶1的比例配成混合盐碱胁迫处理，混合盐碱质量分数设置为8 g/kg，褪黑素处理浓度为150 μmol/L。试验采用盆栽法（直径35 cm、高40 cm），每盆装土28 kg，共计27盆，每盆留苗3株。在棉花出苗后35 d，选择18盆浇灌质量分数为8 g/kg混合盐碱进行胁迫处理，隔天浇灌1次，剩余9盆浇灌等量清水做对照处理。经盐碱胁迫处理6 d后，选择9盆喷施浓度为150 μmol/L褪黑素，隔天喷1次，其余处理喷施等量清水，即形成对照（CK）、盐碱胁迫（S）和盐碱胁迫后喷施褪黑素（SM）3种处理。在喷施褪黑素处理6 d后取样，分别测定植株生物量及生理代谢指标。

1.3 测定指标和方法

1.3.1 生长指标测定

棉花植株鲜样分地上部分和地下部分在75 ℃烘箱中杀青30 min，后在105 ℃烘干至衡重，测其重量。

1.3.2 生理指标的测定

棉花幼苗叶片超氧化物歧化酶（SOD）活性采用四唑盐法测定，过氧化氢酶（CAT）活性采用高锰酸钾滴定法，过氧化物酶（POD）活性采用愈创木酚法测定，过氧化氢（H2O2）含量采用钼酸显色法测定，丙二醛（MDA）含量的测定采用硫代巴比妥酸比色法测定，有机酸采用离子色谱法测定[8]。

2 结果与分析

2.1 外源褪黑素对复合盐碱胁迫下棉花生物量的影响

盐碱胁迫下植物外部形态表现敏感，可直接作为判断植物受盐害程度的指标。如表1所示，盐碱胁迫处理下棉花生长受到抑制，其地上部和根部干重及整株生物量均低于正常条件下的数值，棉花幼苗的总生物量、地上部干重、地下部干重和植株含水量与CK差异显著（P＜0.05），与CK相比分别降低22.37%、12.26%、25.19%和0.51%，根冠比增加24%。在盐碱胁迫下施加褪黑素后，棉花幼苗的总生物量、地上部干重和地下部干重显著增加，与盐碱胁迫处理相比分别增加12.11%、12.42%和12.33%，均达到显著水平（P＜0.05）。棉花幼苗经过盐碱胁迫喷施褪黑素后其总生物量、地上部干重和地下部干重分别恢复到对照的87.03%、98.64%和84.03%。

表1 盐碱胁迫下外源褪黑素对棉花幼苗生长的影响

2.2 外源褪黑素对复合盐碱胁迫下棉花抗氧化酶活性的影响

相对于生长指标，抗氧化酶是植物抗逆防御系统对外界胁迫的表征，更迅速敏感，且在抗逆境方面起着重要的保护作用[9]。褪黑素对复合盐碱胁迫下棉花抗氧化酶活性的影响见图1，可以看出棉花幼苗经200 mmol/L混合盐碱胁迫后，SOD和CAT 活性与CK 相比均显著下降，分别降低22.6%和40.5%，POD活性显著上升39.46%。在盐碱胁迫时施用外源褪黑素处理后，SOD、CAT和POD活性与盐碱胁迫处理相比分别上升4.11%、0.47%和10.44%。

图1 盐碱胁迫下褪黑素对棉花幼苗抗氧化酶活性的影响

2.3 盐碱胁迫下外源褪黑素对棉花MDA和H2O2含量的影响

MDA作为膜脂过氧化作用的产物，能够直接或者间接反映细胞膜受损伤的程度。由图2可知，在盐碱胁迫下棉花幼苗叶片中MDA含量显著上升，与CK相比增加了20.22%；在盐碱胁迫时施用外源褪黑素处理后，MDA含量与盐碱胁迫处理相比降低了7.45%。盐胁迫可诱导H2O2产生并积累，进而调节植物的抗盐反应。盐碱胁迫处理下H2O2含量与CK相比上升9.35%，差异不显著；在盐碱胁迫时施用外源褪黑素，H2O2含量较盐碱胁迫处理差异显著，与盐碱胁迫相比下降20.51%。

图2 盐碱胁迫下褪黑素对棉花幼苗MDA含量和H2O2含量的影响

2.4 盐碱胁迫下外源褪黑素对棉花有机酸含量的影响

有机酸是带有羧基具有缓冲作用的低分子量化合物，在盐碱逆境环境中通过中和过量的Na+降低阳离子毒害作用，参与植物对逆境的生理性适应[10]。外源褪黑素对复合盐碱胁迫下棉花有机酸含量的影响见图3，可知在盐碱胁迫下，棉花幼苗叶片中苹果酸、柠檬酸、草酸和总酸含量比CK 分别增加了58.03%、57.79%、58.48%和58.19%，差异均达到显著水平；喷施外源褪黑素后，棉花幼苗苹果酸、柠檬酸、草酸和总酸含量与盐碱胁迫比较分别下降10.17%、10.39%、10.33%和10.35%。

图3 盐碱胁迫下褪黑素对棉花幼苗有机酸含量的影响

3 结论与讨论

植物生长受阻是盐碱胁迫下植株的最初效应之一，土壤水分中盐的渗透胁迫造成的植株水分匮缺效应，降低了植物吸水的能力。同时，盐分通过蒸腾流进地上部，最终伤害叶细胞，导致叶的生长下降，并且降低了根系的生长；植物所吸收的盐积累在老叶中，长时间持续输送到蒸腾的叶片中，最终导致叶片的Na+和CI-浓度过高，叶片最终死亡[11]。施加外源褪黑素可以缓解植物幼苗盐毒性症状，褪黑素对盐胁迫下棉花种子萌发具有促进作用，提高了种子耐盐性，促进了种子胚根伸长，增加了种子萌发后的生物量[7]。本试验通过外源喷施褪黑素对棉花幼苗进行培养，发现盐碱胁迫严重抑制棉花幼苗的生长，棉花地上部植株、地下部根系和植株含水量等显著降低。通过施加外源褪黑激素，盐碱胁迫的棉花幼苗生长得以改善，恢复到对照的84%～98%。

盐碱胁迫下产生过量的活性氧会破坏氧化还原稳态平衡从而阻碍植物的生长发育乃至导致作物死亡，褪黑素在调节植物生物或非生物胁迫中的作用基本都与抗氧化作用有关[12-13]。如褪黑素可有效清除盐胁迫下大豆幼苗叶片过量的H2O2，降低MDA含量，缓解盐碱胁迫对大豆幼苗造成的细胞膜伤害[14]。本试验结果与其类似，褪黑素通过减少棉花幼苗根部胁迫时期H2O2的产生来缓解盐碱诱导的氧化损伤，同时棉花幼苗根部抗氧化酶CAT和SOD活性也相应升高。

除盐碱混合胁迫Na+造成的离子毒害外，还有高pH造成的矿质元素可利用性明显降低等胁迫因素。植物体内积累酸性代谢物（如有机酸等）具有缓冲高pH的作用，是植物对环境高pH的适应方式之一。天然盐碱化土壤环境下植物通过大量积累苹果酸、柠檬酸等有机酸响应盐碱胁迫，降低Na+毒害，调节根系pH值[15]。碱胁迫可诱导小冰麦有机酸急剧增加来弥补负电荷不足，保持细胞内pH稳定。本研究与上述结果一致，棉花幼苗经盐碱胁迫后苹果酸、柠檬酸、草酸和总酸含量均显著增加，喷施褪黑素后缓解了胁迫程度，有机酸含量下降。

综上所述，外源喷施褪黑素能理缓解混合盐碱胁迫对棉花幼苗生长的不利影响，增加生物量积累，显著提高棉花幼苗抗氧化酶活性。通过激活抗氧化防御系统，清除大量活性氧，减轻盐碱胁迫对棉花的损害，提高棉花苗期对盐碱胁迫的耐受性。