低温胁迫下烤烟幼苗对喷施外源褪黑素的生理响应

蒋朝维　吴俊杰　姜浩　陶轩　杨雷　张一扬

摘要：为探讨不同低温胁迫条件下喷施外源褪黑素对烟苗生长的冷适应机制，以烟草品种云烟87为试验材料，探究苗期4片叶时喷施0.4 mmol/L 褪黑素烟苗对 2 种低温胁迫条件下生长指标及生理指标的响应情况。结果表明：（1） 2种低温胁迫条件下烟苗生长量减少，根系活力下降，光合色素及生物量减小，以重度低温抑制效果最为明显。（2）喷施褪黑素可显著提高轻度低温胁迫下烟苗的生物量和光合色素含量，根系活力明显增强，渗透调节物质含量增加（P<0.05），并显著降低丙二醛含量及相对电导率（P<0.05）。（3）喷施外源褪黑素对提高重度低温胁迫下烟苗生长量及光合性能无显著作用，相对电导率和MDA 含量变化不显著（P>0.05），仅有部分渗透调节物质含量和保护酶活性增加，且增幅低于轻度低温胁迫下喷施褪黑素。综上，叶面喷施 0.40 mmol/L 褪黑素能够有效保护低温胁迫下烟草幼苗的生长，尤其对轻度低温胁迫下的烟草幼苗作用最为显著。

关键词：低温胁迫；褪黑素；烟苗；生理生长特性；光合特性

中图分类号：S572.01文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2023）21-0062-05

近年来，低温、冷害等极端天气频发，严重威胁烟区烟叶生产［1-2］。烟草喜热，对温度要求高，其最适生长温度为25～28 ℃，但缺乏冷驯化机制，低温胁迫耐受力较差，若温度低于10 ℃则生长迟滞［3-4］。在烟草实际播种、栽培过程中，尤其是在南方烟区，特别容易受到早春低温的影响。低温不仅会降低种子活力，抑制幼苗生长，造成僵化苗、叶片畸形等问题，严重时还会导致幼苗死亡，严重降低烟叶产量和品质，致使烟农经济效益受损［5］。因此，提高低温胁迫下烟草幼苗的耐寒性及叶片光合能力是其产质量稳定的重要保证。研究表明，褪黑素浸种可有效促进低温胁迫下大豆种子的发芽情况，提高大豆种子抗寒指数［6］。有人报道，褪黑素预处理后促进了番茄的ROS清除速率，对低温胁迫下番茄维持叶绿体结构与功能的完整性发挥了重要的作用［7］。近年来，有关外源褪黑素缓解温度逆境下对植物造成伤害的研究越来越多［8-12］，但针对通过叶面喷施褪黑素缓解不同低温条件下对烤烟的影响的研究报道较少，尤其是褪黑素对改善不同程度低温胁迫的效果尚未细化。鉴于此，本研究在人工低温环境下，以云烟87为试验材料，通过叶面喷施的方式，探讨施用外源褪黑素后烤烟幼苗应对不同低温胁迫的生理指标变化，以期明确褪黑素在不同冷害程度下提高烤烟幼苗耐寒性的潜在效果。

1 材料与方法

1.1 试验材料

参试烟草品种为云烟87包衣种，由云南省玉溪中烟公司提供。外源褪黑素购于上海北诺生物科技有限公司。

1.2 试验方法

试验于2022年6—11月于湖南农业大学生命科学楼烟草科学与健康重点实验室完成。将供试烤烟种子点播于填充好育苗基质的育苗盒中，每穴2粒，待基质完全浸湿种子包衣充分裂解后，置于 28 ℃人工温室中催芽，取露白的烤烟种子播于 24 穴育苗盘后，将温室气候设为光—暗周期 14 h—10 h、温度28 ℃/20 ℃、相对湿度 75% 和光照度8 000 lx。待烟苗长至4 片叶时，接受处理。

试验处理如下：常温（25 ℃）+叶面喷施蒸馏水作对照组（CK）；常温（25 ℃）+叶面喷施 0.4 mmol/L 褪黑素 （T1）；轻度低温胁迫（8 ℃）+叶面喷施蒸馏水 （T2）；轻度低温胁迫（8 ℃）+叶面喷施0.4 mmol/L 褪黑素（T3）；重度低温胁迫（4 ℃）+叶面喷施蒸馏水（T4）；重度低温胁迫（4 ℃）+叶面喷施0.4 mmol/L褪黑素（T5）。每处理24株烟苗，3次重复，每隔2 d换1次霍格兰营养液。各处理于每日19：00均匀喷施烟苗叶片正反面，连续喷施3 d，在胁迫4 d后，取样检测各项指标。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 农艺性状及生物量 每重复随机取 6 株烟苗，计算最大叶面积及根冠比。

1.3.2 生理指标 MDA 含量测定参照张志良等的方法［13］；根系活力测定参照刘领等的方法［14］；保护酶（SOD、POD和CAT）活性、可溶性蛋白及游离脯氨酸含量测定参照高俊凤的方法［15］；可溶性糖含量测定参照Sabitri等的方法［16］；叶绿素含量测定参照胡秉芬等的方法［17］；相对电导率测定参照王召元等的方法［18］。

1.4 数据分析

数据整理采用Microsoft Excel 2019软件，显著性分析采用SPSS 26.0软件（α=0.05），作图采用GraphPad Prism 8.0。

2 结果与分析

2.1 外源褪黑素对烤烟幼苗生物量的影响

由表 1可知，低温胁迫处理组（T2、T3、T4和T5）的生物量均显著低于常温组（CK和T1）。与 CK 相比，常温下直接喷施褪黑素 （T1）对改善烤烟幼苗农艺性状的总体效果不显著，但对提高根干质量和根冠比有显著作用，分别较CK高27.27%和16.67%。轻度低温胁迫下，喷施褪黑素 （T3）的烟苗比T2根冠比显著高10%，最大叶面积高2.68%，根干质量高25%，茎干质量高40%，叶干质量高7.69%。然而，在严重低温胁迫下，T5的最大叶面积和叶干质量比T4分别显著增加了4.19%和3.03%，但T5 和 T4的根、茎干质量和根冠比差异不显著。表明叶面喷施褪黑素对缓解轻度低温胁迫效果显著。

2.2 外源褪黑素对烤烟幼苗光合色素含量的影响

表 2显示，T1 的叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量与CK无显著差异，表明室温下喷施褪黑素 （T1）对改善烤烟幼苗的光合特性没有显著影响。T3比 T2的叶绿素a含量显著高了3.52%，叶绿素b增加了5.06%，总叶绿素含量增加了7.44%。与T2处理相比，T4光合色素含量均显著降低，表明随着胁迫温度下降，烤烟幼苗光合色素合成显著下降，光合作用受到明显抑制。重度低温胁迫下，T5与T4的叶绿素a和总叶绿素含量之间存在显著差异，分别提高了8.78%和11.21%，而2個处理在叶绿素b含量上没有显著差异。说明叶面喷施褪黑素可有效提高轻度低温胁迫下烤烟幼苗的光合色素含量，从而改善光合特性。在严重低温胁迫下，T5叶绿素a和总叶绿素含量与T4差异显著，分别增加了8.78%和11.21%，而叶绿素b含量2个处理间差异不显著。说明叶面喷施褪黑素能有效提高轻度低温胁迫下烤烟幼苗的光合色素含量，从而改善光合特性。

2.3 外源褪黑素对烤烟幼苗根系活力的影响

图 1表明，T1 与CK的根系活力无显著差异。低温胁迫下根系活力表现为T3>T2>T5>T4，T3根系活力较T2处理显著提高了8.12%，而T5处理与T4处理经历重度低温后根系活力不存在显著差异。说明，外源褪黑素能有效增强低温胁迫下烤烟幼苗的地下部新陈代谢活力，但对于重度低温胁迫作用不显著。

2.4 外源褪黑素对烤烟幼苗可溶性蛋白、脯氨酸及可溶性糖含量的影响

由图 2可知，T1与 CK可溶性蛋白含量存在顯著差异，T1比CK显著高了 15.28%，但两者的脯氨酸及可溶性糖含量无显著差异。喷施褪黑素（T3和T5）后，胁迫下烟苗内脯氨酸含量显著升高，分别比 T2 提高了43.06%、21.39%，可溶性糖含量提高了28.24%、9.20%。其中，T3比T2的可溶性蛋白含量显著提高了11.49%，T5 和T4 的脯氨酸和可溶性糖含量虽存在显著差异，但其增幅低于 T2 和 T3。T5和T4的可溶性蛋白含量差异不显著。

2.5 外源褪黑素对烤烟幼苗丙二醛含量及相对电导率的影响

低温胁迫可加重膜脂过氧化，严重破坏生物膜结构，引起电解质外渗。由图3可见，丙二醛含量表现为T4>T5>T2>T3>CK和T1，相对电导率结果相同，表明低温胁迫可导致植物积累有毒物质，不同程度地破坏幼苗质膜结构，导致细胞内物质外渗，相对电导率升高。与未喷施褪黑素 （T2和T4）处理相比，喷施褪黑素 （T3和T5）的丙二醛含量显著降低，T3比T2降低了48.37%。T3比T2的相对电导率显著降低了6.25%，降幅显著大于T4和T5。可见，喷施褪黑素能显著缓解轻度低温胁迫下膜伤害程度。

2.6 外源褪黑素对烤烟幼苗保护酶活性的影响

图 4显示，各胁迫处理保护酶（POD、CAT和SOD）活性均显著高于室温CK，表明低温逆境不同程度激活了烤烟幼苗的抗氧化酶系统。T3的POD、CAT及SOD活性分别比 T2 显著提高了39.36%、30.12%、13.78%。重度低温胁迫下保护酶（POD和SOD）活性表现为T5>T4，分别提高了25.71%和6.25%，但CAT活性在2个处理间差异不显著。且总体增幅低于T2和T3，说明喷施褪黑素可提高烟苗保护酶活性，增强其适冷性，而在轻度低温下改善作用更为显著。

3 讨论

低温胁迫下，烤烟幼苗的生长和生理指标发生了显著变化，其最大叶面积、根茎叶干质量、根冠比等生物量指标随着低温胁迫加剧而逐渐降低，与刘旭等研究发现低温胁迫下茄子幼苗的干质量均显著低于常温［19］及沈子奇等研究发现低温下 K326 和湘烟 7 号幼苗均出现叶片萎缩和鲜干质量减少［20］的研究结果一致。生长势削弱是植物受到低温胁迫最直观的表现。植物干物质积累随低温胁迫的加剧而减少，表明低温导致烤烟幼苗的生理代谢紊乱，致使其结构形态发生变化。本研究发现喷施褪黑素能显著改善轻度低温胁迫下烟苗叶片结构，促进根部吸收能力，提高干物质积累。说明外源褪黑素作为生长调节剂能较大程度解除轻度低温胁迫对幼苗生长的抑制作用。

光合色素参与光能的吸收、传递和转换等重要生理生化过程，故其含量与植物光合速率成正相关，但其合成酶对温度要求苛刻［21］。本研究中，各处理3类色素含量均随着低温加剧而逐渐降低，以重度低温胁迫降幅最为剧烈。其原因一方面是，叶绿素合成酶活性受低温影响下降，致使叶绿素合成效率受抑，进而造成光合性能减弱。另一方面是重度低温对叶绿体超微结构造成不可逆伤害，PSⅡ的电子传递受阻，CO2的同化能力下降，致使光能过剩，引起光抑制［22-23］。本研究中，叶面喷施褪黑素后，不同低温条件下（T3和T5）的叶绿素a和总叶绿素含量均高于负向对照，尤以轻度低温胁迫改善效果最为显著。表明叶面喷施褪黑素可有效提高轻度低温胁迫下烤烟幼苗的光合色素含量，从而改善光合特性。

可溶性糖能保护细胞内超微结构免受过氧化损伤，提高胞液浓度以减轻渗透胁迫给生理代谢功能造成的二次伤害，可溶性蛋白可替代膜上蛋白参与膜脂过氧化反应，从而保证质膜结构和功能的完整和正常，脯氨酸可还原过氧化产物以消除活性氧等累积的毒害作用［9］。由于这些大分子物质能直接参与细胞渗透调节过程［24］，故与植物的耐冷性密切相关。本研究中，轻度低温胁迫下各渗透物质含量显著提高，但重度低温严重破坏烤烟幼苗细胞，故外源褪黑素对其抗低温效果提高不显著。

低温胁迫引起细胞膜脂过氧化、质膜透性改变或丧失、丙二醛大量积累、胞内物质泄露，从而导致电解质升高，因此丙二醛含量和相对电导率常被用来表征膜质过氧化程度及电解质外渗程度［25-27］。研究发现，不同品种烤烟叶片随着低温胁迫的加剧出现叶片细胞膜结构破裂，胞内物质外泄，相对电导率上升［28］。本研究中，2 种低温胁迫处理下烟苗内丙二醛含量及相对电导率发生显著变化，并随胁迫程度加重呈现出逐渐升高的趋势。与阴性对照相比，喷施褪黑素处理的烤烟幼苗丙二醛含量及相对电导率显著降低，但对提高重度低温胁迫下烤烟幼苗的冷适性作用有限。这可能是由于外源褪黑素能够刺激低温胁迫下植物内POD、CAT、SOD等保护酶活性，大大增加了植物清除活性氧自由基的效率，从而缓解膜脂过氧化损伤，保持细胞内活性氧代谢平衡，进而保证质膜结构和生物大分子的稳定，改善烟草幼苗的抗寒能力；而重度低温导致烟苗细胞受损严重，喷施褪黑素改善作用有限［29-30］。本研究还发现，低温逆境促使烤烟幼苗 SOD、POD、CAT 活性增强，而喷施外源褪黑素在此基础上进一步提高了抗氧化酶活性，同时显著降低了幼苗叶片的丙二醛含量及相对电导率。

4 结论

综上，低温逆境下叶面喷施外源褪黑素能有效增加烟草幼苗渗透调节物质含量，使渗透调节恢复平衡，抗氧化酶活性和根系活力增强，减少丙二醛积累，有效缓解光合结构的伤害，提高了烟草幼苗的耐寒性，尤以对缓解轻度低温胁迫最为显著。

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收稿日期：2023-01-15

基金项目：湖南省烟草公司重点资助项目（编号：HN2022KJ06）。

作者简介：蒋朝维（1997—），女，湖南邵阳人，硕士研究生，研究方向为烤烟栽培生理研究。E-mail：920871836@qq.com。

通信作者：张一扬，硕士，副教授，主要从事烟叶生产技术研究与教学工作。E-mail：cnhncs@163.com。