干旱胁迫下外源褪黑素对黄瓜叶片生理特性的调控效应.pdf

收稿日期:2023-01-16作者简介:张盼盼(1985),女,陕西渭南人,副教授,博士,主要从事作物逆境生理生态方面的研究。基金项目:国家自然科学基金项目(31860340);陕西省小杂粮现代农业产业技术体系项目(NYKJ-2022YL(XN)28);榆林市科技局科技计划项目(CXY-2022-69)资助干旱胁迫下外源褪黑素对黄瓜叶片生理特性的调控效应张盼盼,王小艳,陈怡佳,李 昊,魏 骞(榆林学院 生命科学学院,陕西 榆林 719000)摘 要:为探究褪黑素(MT)对干旱胁迫下黄瓜叶片生理 特性的调控机理,以“亨优小菜园”黄瓜品种为供试材料,采用土培方式,20%的 PEG-6000 连续灌根 2 d 模拟干旱胁迫,设置 4 种叶面喷施不同浓度MT 处理,分别为 50 molL-1、100 molL-1、150 molL-1、200 molL-1,以喷施等量清水作为对照,研究了干旱胁迫下褪黑素对黄瓜幼苗生理特性的影响。结果表明:(1)喷施 MT 溶液促进了干旱胁迫下黄瓜幼苗株高、单株绿叶面积、叶柄干重、叶片干重和茎干重的增加,其中 100 molL-1MT 处理促进效果最佳,其指标分别比对照提高了 55.2%、54.5%、60.3%、55.7%和 95.9%;(2)在干旱胁迫环境下,经过喷施 MT 溶液处理的黄瓜幼苗叶片过氧化物酶(POD)活性、超氧化物歧化酶(SOD)活性和可溶性蛋白含量增强,丙二醛(MDA)含量下降。150 molL-1MT 对黄瓜幼苗 POD 活性促进效果最大;100 molL-1MT 对黄瓜幼苗 SOD 活性和可溶性蛋白含量促进效果最大,并且对黄瓜幼苗 MDA 含量降低效果最为明显;(3)MT 溶液增加了干旱胁迫下黄瓜幼苗光系统的光化学淬灭系数、非光化学淬灭系数、最大光化学效率和实际光能利用率。处理后 6 d,100 molL-1MT 促进效果最佳,其指标分别比对照提高了 15.9%、65.4%、5.3%和 6.9%。由此可见,在干旱胁迫下,喷施浓度在 100 molL-1150 molL-1之间的 MT 溶液可以促进黄瓜幼苗地上部形态的发育,提高幼苗叶片的光合作用,增强叶片中抗氧化物酶的活性,减缓了干旱胁迫对黄瓜幼苗的膜脂过氧化作用,从而有效缓解了干旱胁迫对黄瓜幼苗的危害。关键词:褪黑素;黄瓜;干旱胁迫;生理特性中图分类号:S642.3 文献标志码:A 文章编号:1008-3871(2023)05-0027-06DOI:10.16752/ki.jylu.2023.05.007 黄瓜(Cucumis sativus L.)为葫芦科一年生蔓生或攀援草本植物,其肉质脆嫩,味道甘甜,鲜嫩多汁,生食解渴,具有特殊清香。黄瓜含水量为 98%,富含铁、磷、钙、蛋白质、糖类、胡萝卜素、维生素 C、维生素 E、维生素 B2 等营养成分1。黄瓜是人们餐桌上的常见蔬菜,深受大众的青睐,榆林市也有相当规模的黄瓜产业。榆林市位于陕西的最北部,为干旱半干旱地区,降水较少、蒸发较强、气候干燥且生态环境脆弱,旱灾频发2。长时间以来,干旱条件限制着黄瓜产业的发展。因此,需要迫切解决干旱条件下黄瓜的高产栽培问题。褪黑素(melatonin,MT)是生物体内常见的一种色氨酸衍生物质,又称为抑黑素、美拉酮宁、松果腺素,化学名称为 N-乙酰基-5-甲氧基色胺,最早是Lerner 等3从动物松果体中提取得到,到 1995 年有研究人员从绿植中提取出褪黑素,之后 Arnao 等4进一步开始研究植株体内褪黑素的功能。Zhang等5的研究发现,褪黑素处理能够缓解渗透胁迫下黄瓜的胚根发育和根系活力受到的影响。王伟香等6研究结果表明,在硝酸盐胁迫下,过量的 O-.2和H2O2会在黄瓜幼苗中积累,导致植物细胞膜过氧化,从而增加 O-.2和 MDA 的含量,提高黄瓜幼苗中过氧化物酶的活性。Murch 等7使用组织培养的方式进行了探索,发现改变植物组织内褪黑素浓度会影响根的发育。然而,有关干旱条件下褪黑素对黄瓜幼苗生理特性调控效应的研究报道较少,鉴于此,本试验以生产中常用的黄瓜品种为研究材料,通过测定干旱条件下不同浓度褪黑素处理下黄瓜苗期的地上部形态特征、干物质重量、抗氧化物酶活性及叶2023 年 9 月第 33 卷 第 5 期榆 林 学 院 学 报JOURNAL OF YULIN UNIVERSITYSep.2023Vol.33 No.5绿素含量等指标的变化,分析黄瓜幼苗在喷施褪黑素条件下耐干旱的生理生化特性,以期为黄瓜抗旱高产栽培提供理论依据。1 材料与方法1.1 试验材料以绿亨集团的“亨优小菜园”黄瓜品种为试验材料。1.2 试验设计试验在榆林学院生科院农业节水实验室中进行。本试验设置 5 个处理,分别为:CK,0 molL-1MT 溶液;T1,50 mol L-1MT 溶液;T2,100 molL-1MT 溶液;T3,150 molL-1MT 溶液;T4,200 molL-1MT 溶液,3 次重复。试验采取盆栽方式进行,每盆装入 1 1 的沙土与营养土 2 kg。黄瓜种子用 15%酒精溶液进行 30 s 消毒,用蒸馏水清洗4 遍,用滤纸吸干。播种深度约为 3 cm,每盆 9 粒,放置在光照培养箱中培养,播种后每 2 d 补充一定且等量水分。定苗后,每盆只保留长势均匀的 3 株。三叶一心期用20%的 PEG-6000 溶液对黄瓜植株进行灌根处理,处理 2 d 后,选用不同浓度的 MT 溶液对黄瓜幼苗进行叶面喷施,喷至叶片滴水,共喷三次,每次喷施间隔 2 d。1.3 测定项目及其方法1.3.1 地上部形态指标测定 于 MT 溶液最后一次喷施后 8 d,每个处理中选取长势一致的幼苗 3 株,采用打孔法测定绿叶面积,采用直尺测量株高,烘干法测定地上部叶柄、叶片、茎等器官的干重。1.3.2 叶片生理指标测定 于 MT 溶液最后一次喷施后 8 d,每个处理中选取长势一致的幼苗 3 株,测定最上面完全展开叶的生理指标。叶片可溶性蛋白质含量采用考马斯亮蓝G-250 染色法测定8;超氧化物歧化酶(SOD)活性采用 NBT 光化还原法测定9;过氧化物酶(POD)采用愈创木酚法测定9;丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法测定10。1.3.3 叶绿素荧光特性测定 于 MT 溶液最后一次喷施后 4 d、6 d 和 8 d,每个处理中选取长势一致的幼苗 3 株,采用便携式调制叶绿素荧光仪(PAM2500)测定最上面完全展开叶的叶绿素荧光参数,主要测定的指标为光化学淬灭系数(qP)、非光化学淬灭系数(NPQ)、最大光化学效率(Fv/Fm)和光能利用率(YII)等。1.3.4 叶绿素相对含量测定 于 MT 溶液最后一次喷施后 4 d、6 d 和 8 d,每个处理中选取长势一致的幼苗 3 株,采用 SPAD-502 叶绿素仪测定最上面完全展开叶的叶绿素相对含量。1.4 数据处理使用 Excel 2020 软件进行数据录入和整理,使用 SPSS 2021 对数据均值、标准差、差异显著性等指标进行分析,采用 Origin 2019 软件进行绘图。2 结果与分析2.1 外源褪黑素对干旱胁迫下黄瓜幼苗形态指标的影响2.1.1 外源褪黑素对干旱胁迫下黄瓜幼苗地上部形态特征影响由表 1 可知,黄瓜幼苗的株高和单株绿叶面积变化趋势大致相同,随着 MT 溶液浓度的增大,地上部形态指标呈现出先上升后下降的趋势。100 molL-1MT 溶液处理下黄瓜幼苗株高和单株绿叶面积达到最高值,其指标相比对照组分别提高了 55.2%和 54.5%,并与对照之间存在显著性差异(P 0.05)。表 1 外源褪黑素对干旱胁迫下黄瓜幼苗地上部形态特征的影响处理株高(cm)单株绿叶面积(cm2)CK8.70.2d144.710.5cT111.20.2c196.313.6bT213.50.8a223.67.7aT312.60.5b207.011.5abT412.40.3b190.621.8b注:数据为平均值标准差,同列不同字母表示差异显著(P0.05),下同。2.1.2 外源褪黑素对干旱胁迫下黄瓜幼苗干物质的影响由表 2 可知,黄瓜幼苗的叶柄干重、叶片干重和茎干重变化趋势大致相同,随着 MT 溶液浓度的增大,干物质指标呈现先上升后下降的趋势。100 molL-1MT 溶液处理下黄瓜叶柄干重和叶片干重达到最高值,其指标相比对照组分别提高了 60.3%、55.7%,与对照之间存在显著性差异(P 0.05)。表 2 外源褪黑素对干旱胁迫下黄瓜幼苗干物质的影响处理叶柄干重(g)叶片干重(g)茎干重(g)CK0.0730.008c0.4470.084c0.0740.012bT10.0950.011ab 0.5350.028bc 0.0790.012abT20.1170.013a0.7130.025a0.1450.063abT30.1110.016a0.6960.034a0.1330.025abT40.0860.008bc 0.5990.054bc0.1490.043a82榆林学院学报 2023 年第 5 期(总第 169 期)2.2 外源褪黑素对干旱胁迫下黄瓜幼苗生理指标的影响2.2.1 外源褪黑素对干旱胁迫下黄瓜幼苗抗氧化酶的影响 由图 1 可知,随着 MT 溶液浓度的增大,黄瓜幼苗的 POD 活性和 SOD 活性呈现先上升后下降的趋势。150 molL-1MT 对黄瓜幼苗 POD 活性影响最大,分别较对照、T1、T2、T4 提高了 302.1%、45.2%、3.1%、254.8%。100 molL-1MT 溶液对黄瓜幼苗 SOD 活性影响最大,其指标相比对照提高了 176.9%,相比 T1、T3、T4 提高了 94.3%、34.9%、197.8%。图 1 外源褪黑素对干旱胁迫下黄瓜幼苗抗氧化酶活性的影响2.2.2 外源褪黑素对干旱胁迫下黄瓜幼苗 MDA 含量的影响由图 2 可知,随着 MT 溶液浓度的增大,黄瓜幼苗的 MDA 含量呈先下降后上升的趋势。且 CK 与T4、T1 与 T3 差异不显著。100 molL-1MT 处理下黄瓜 MDA 含量均低于其他处理,较对照下降了69.4%,并与对照之间存在显著性差异(P 0.05),表明适当浓度的 MT 溶液可缓解黄瓜幼苗经干旱胁迫后的膜脂过氧化作用。图 2 外源褪黑素对干旱胁迫下黄瓜幼苗MDA 含量的影响2.2.3 外源褪黑素对干旱胁迫下黄瓜幼苗可溶性蛋白质含量的影响 由图 3 可知,黄瓜幼苗的可溶性蛋白质含量变化趋势大致为,随着 MT 溶液浓度的增大,其指标呈现先上升后下降的趋势。且 T2 与 T3 差异不显著,100 molL-1MT 处理下可溶性蛋白质含量效果最佳,较对照上升了 177.4%,并与对照存在显著性差异(P 0.05)。图 3 外源褪黑素对干旱胁迫下黄瓜幼苗可溶性蛋白质含量的影响2.3 外源褪黑素对干旱胁迫下黄瓜幼苗叶绿素的影响2.3.1 外源褪黑素对干旱胁迫下黄瓜幼苗叶绿素相对含量的影响由图 4 可知,相同处理下,随着处理后天数的增加,黄瓜幼苗叶绿素相对含量呈现先下降后上升的趋势;在处理后第 8 d,随着处理浓度的增加,黄瓜幼苗叶片叶绿素相对含量呈增加趋势,即在浓度为 200 molL-1时达到最大值,较对照上升了40.3%,并且与对照之间存在显著性差异(P 0.05)。图 4 外源褪黑素对干旱胁迫下黄瓜幼苗叶绿素相对含量的影响2.3.2 外源褪黑素对干旱胁迫下黄瓜幼苗叶绿素荧光的影响 由表 3 可知,处理后 48 d,MT 处理下的黄瓜叶片光化学淬灭系数、非光化学淬灭系数、最大光化学效率和实际光能利用率均高于对照。随着 MT 溶液浓度的增大,黄瓜幼苗光化学淬灭系数、非光化学92张盼盼,王小艳,陈怡佳,李 昊,魏 骞:干旱胁迫下外源褪黑素对黄瓜叶片生理特性的调控效应淬灭系数、最大光化学效率和光能利用率呈现先上升后下降的趋势。在处理 6 d 后,光化学淬灭系数、最大光化学效率和光能利用率均处于峰值,且不同浓度中以 100 molL-1时达到最高值,其指标相比对照组分别提高了 15.9%、5.3%和 6.9%,与对照存在显著性差异(P 0.05)。表 3 外源褪黑素对干旱胁迫下黄瓜幼苗叶绿素荧光的影响天数处理光化学淬灭系数(qP)非光化学淬灭系数(NPQ)最大光化学效率(Fv/Fm)实际光能利用率(YII)4dCK0.7120.028b0.1320.004d0.6620.020c0.6150.016bT10.8190.076ab0.1760.009c0.7020.006b0.6590.009aT20.8500.057a0.2250.002a0.7410.002a0.6800.014aT30.7470.055ab0.2030.010b0.6940.019b0.6240.017bT40.8480.077a0.1720.007c0.7070.012b0.6720.023a6dCK0.8000.066b0.1240.004c0.7020.006d0.6620.022bT10.9240.039a0.1430.012b0.7180.007bc0.7010.014aT20.9270.024a0.1710.006a0.7390.003a0.7080.012aT30.8670.020ab0.1690.013a0.7100.003cd0.6700.015bT40.8390.047b0.1350.011bc0.7240.006b0.7040.014a8dCK0.7470.053b0.1360.014c0.6690.016c0.6150.016cT10.7900.067ab0.1750.013b0.6980.006b0.6670.004bT20.8670.068a0.2250.013a0.7320.006a0.6930.010aT30.7950.012ab0.1820.020b0.7030.002b0.6480.016bT40.8270.052ab0.1560.007bc0.7240.002a0.6620.004b3 讨论与结论3.1 外源褪黑素对干旱胁迫下黄瓜幼苗形态指标的影响逆境胁迫下,植物往往会调整生物量的分布和形态学特性,如植物高度和叶面积的减少,保持自身的生长和发育11。Lemione 等12研究发现干旱胁迫对植物地上部分的伤害要显著高于地下部分的损害,并且施加一定浓度的 MT 可以影响植物地上部和地下部的鲜重。本试验中,干旱胁迫下,喷施外源MT 提高了黄瓜幼苗的株高、单株绿叶面积和地上部各器官干重,表明外源性 MT 对干旱胁迫下植物生长策略的变化具有一定的缓解效果。3.2 外源褪黑素对干旱胁迫下黄瓜幼苗生理指标的影响SOD、POD 是绿色植物体内重要的酶促防御机制中的保护酶,能够有效清除活性氧,从而增强幼苗的抗性13。王慧等14研究表明外施 MT 显著提高黑麦草和苜蓿的 SOD、POD、CAT 活性,减少叶片中MDA 的积累,使叶片相对电导率显著下降,抗氧化能力显著提高。高安静等15研究结果表明,外源MT 主要通过提高 POD 活性及可溶性糖等途径来减缓干旱胁迫对苦荞幼苗的伤害。本试验中,150 molL-1MT 溶液对黄瓜幼苗 POD 活性影响最大,较对照提高了 302.1%。100 molL-1MT溶液对黄瓜幼苗 SOD 活性影响最大,较对照提高了 176.9%。100 molL-1MT 溶液对 MDA 降低效果最佳,较对照下降了 69.4%,表明适当浓度的MT 溶液可缓解黄瓜幼苗经干旱胁迫后的膜脂过氧化作用,从而减轻伤害。可溶性蛋白质含量的变化反映了植株的总体代谢水平。王丽英16研究发现,在逆境胁迫环境中,植株的可溶性蛋白质含量呈先升高后下降的趋势,同时在褪黑素处理后其可溶性蛋白质的含量会显著升高。本试验中,随着 MT 溶液浓度的增大,黄瓜幼苗的可溶性蛋白质含量呈现先上升后下降的趋势,其中 100 molL-1MT 溶液效果最佳,较对照上升了 177.4%,并且与对照之间差异达显著水平(P 0.05)。3.3 外源褪黑素对干旱胁迫下黄瓜幼苗叶绿素的影响叶绿素荧光参数是反映绿色植物对光能的吸03榆林学院学报 2023 年第 5 期(总第 169 期)收、转换、传递和分布的敏感探针,可以反映胁迫对植物光合作用生理学的损伤程度17。本试验研究发现,在处理后6 d,光化学淬灭系数、最大光化学效率和实际光能利用率均处于峰值,且不同浓度处理下以 100 molL-1时达到最高值,分别较对照提高了 15.9%、5.3%和 6.9%。叶绿素是植物进行光合作用的物质基础,主要包括叶绿素 a 和叶绿素 b,有着捕获和传递光能的作用,这 2 种叶绿素含量反映了类囊体在叶绿体中的垛叠程度,表明光能向生物化学能的转化效率18-19。本试验中,黄瓜幼苗叶绿素相对含量随着处理后天数的增加呈现先下降后上升的趋势。在处理后第 8 d,200 molL-1MT 处理下叶绿素相对含量最高,较对照上升了 40.3%,说明外源褪黑素可以适当缓解叶绿素含量的降解,这与赵成凤等17研究结果一致。综合分析认为,在干旱胁迫下,喷施浓度在 100 molL-1150 molL-1之间的 MT 溶液有利于提高黄瓜幼苗抵御干旱危害的能力。参考文献:1GRCMAN H,VELIKONJA-BOLTA,VODNIK D,et al.EDTA enhanced heavy metal phytoextraction:Metal accumulation,leaching and toxicityJ.Plant and soil,2001,235(1):105-114.2覃丽华.榆林市干旱特征与旱灾风险分析D.杨凌:西北农林科技大学,2020.3LERNER A B,CASE J,TAKAHASHI Y,et al.Isolation of melatonin,the pineal gland factor that lightens mel-anocytesJ.Journal of the American Chemical Society,1958,80(10):2587.4ARNAO M B,HERNANDEZ-RUIZ J.Melatonin:plant growth regulator and/or biostimulator during stress J.Trends in Plant Science,2014,19(12):789-797.5ZHANG N,ZHAO B.Melatonin promotes water stress tolerance,lateral root formation,and seed germination in cucumber(Cucumis sativus L.)J.Journal of Pineal Research,2013,54(1):15-23.6王伟香,张锐敏,孙艳,等.外源褪黑素对硝酸盐胁迫条件下黄瓜幼苗抗氧化系统的影响J.园艺学报,2016,43(4):695-703.7MURCH S J,CAMPBELL S S B,SAXENA P K.The role of serotonin and melatonin in plant morphogenesis:regulation of auxin-in ducedoot organogenesis in in vitro-cultured explants of st.Johns Wort(Hypericum perforatum L.)J.In Vitro Cellular&Developmental Biology-Plant,2001,37(6):786-793.8高俊凤.植物生理学实验指导M.北京:高等教育出版社,2006.9王学奎,黄见良,李合生.中国植物生理学教材建设的回顾、探索与展望J.植物生理学报,2013,49(6):510-514.10张志良,瞿伟菁,李小方.植物生理学实验指导M.北京:高等教育出版社,2009.11GUO Y Y,LI H J,LIU J,et al.Melatonin alleviates drought-induced damage of photosynthetic apparatus in maize seedlingsJ.Russian Journal of Plant Physiology,2020,67(2):312-322.12LEMOINE R,CAMERA S L,ATANASSOVA R,et al.Source-to-sink transport of sugar and regulation by environmental factorsJ.Frontiers Plant Science,2013,272(4):272.13GAO W Y,ZHANG Y J,FENG Z,et al.Effects of melatonin on antioxidant capacity in naked oat seedlings under drought stressJ.Molecules,2018,23(7):1580.14王慧,王冬梅,张泽洲,等.外源褪黑素对干旱胁迫下黑麦草和苜蓿抗氧化能力及养分吸收的影响J.应用生态学报,2022,33(5):1311-1319.15高安静,刘婷婷,周美亮,等.外源褪黑素对干旱胁迫下苦荞幼苗生长及生理特性的影响J.南方农业学报,2021,52(11):3003-3012.16王丽英.褪黑素预处理对黄瓜幼苗耐盐性的影响D.杨凌:西北农林科技大学,2014.17赵成凤,王晨光,李红杰,等.干旱及复水条件下外源褪黑素对玉米叶片光合作用的影响J.生态学报,2021,41(4):1431-1439.13张盼盼,王小艳,陈怡佳,李 昊,魏 骞:干旱胁迫下外源褪黑素对黄瓜叶片生理特性的调控效应18杨小龙,须晖,李天来,等.外源褪黑素对干旱胁迫下番茄叶片光合作用的影响J.中国农业科学,2017,50(16):3186-3195.19邹京南.外源褪黑素对干旱胁迫下大豆光合及生长的影响D.大庆:黑龙江八一农垦大学,2019.(责任编辑:邵治亮)Regulation Effect of Exogenous Melatonin on Physiological Characteristics of Cucumber Leaves under Drought StressZHANG Pan-pan,WANG Xiao-yan,CHEN Yi-jia,LI Hao,WEI Qian(School of Life Sciences,Yulin University,Yulin 719000,China)Abstract:To investigate the regulation mechanism of melatonin(MT)on the physiological characteristics of cucum-ber leaves under drought stress,the physiological characteristics of cucumber seedlings under different concentra-tions of melatonin treatment(0 molL-1,50 molL-1,100 molL-1,150 molL-1 and 200 molL-1 respectively)are investigated by simulating drought stress with 20%PEG-6000 in soil culture using“Hengyou Garden”cucumber variety as the test material.The results show that(1)spraying MT solution promotes the in-crease of cucumber seedling height,single green leaf area,petiole dry weight,leaf dry weight and stem dry weight under drought stress,and the best effect is achieved when the concentration of MT solution is 100 molL-1,and its indexes increase by 55.2%,54.5%,60.3%,55.7%and 95.9%,respectively,compared with the control;(2)Under the drought stress environment,the peroxidase(POD)activity,superoxide dismutase(SOD)activity and soluble protein content of cucumber seedling leaves treated with MT solution spray are enhanced,and the ma-londialdehyde(MDA)content decrease.150 molL-1MT has the best promoting effect on POD activity of cu-cumber seedlings.The promoting effect of 100molL-1MT on SOD activity and soluble protein content of cucum-ber seedlings is the greatest,and the reducing effect on MDA content of cucumber seedlings is the greatest.(3)Spraying MT solution increase the photochemical quenching coefficient,non-photochemical quenching coefficient,maximum photochemical efficiency and light energy utilization of the photosystem of cucumber seedlings under drought stress.The best effect is achieved when the MT solution concentration is 100 molL-1,and its indexes increase by 15.9%,65.4%,5.3%and 6.9%,respectively,compared with the control.It can be seen that under drought stress,spraying MT solutions with concentrations between 100 molL-1 and 150 molL-1 can promote the development of aboveground morphology of cucumber seedlings,improve photosynthesis in seedling leaves,en-hance the activity of antioxidant enzymes in leaves,and slow down the membrane lipid peroxidation of cucumber seedlings by drought stress,thus effectively alleviating the damage of drought stress on cucumber seedlings,so as to effectively alleviated the damage of drought stress on cucumber seedlings.Key words:melatonin;cucumber;drought stress;physiological characteristics23榆林学院学报 2023 年第 5 期(总第 169 期)