李 愛， 孫汪亮， 李 林， 孫 鋒

(天津農學院園藝園林學院，天津 300384)

紫蘇(PerillafrutescensL.Britt)為唇形科紫蘇屬一年生草本植物，是我國衛(wèi)生部門最早批準的藥食同源植物之一。紫蘇的經濟價值非常高，發(fā)展前景也十分廣闊[1-2]。目前對紫蘇的研究大多集中在營養(yǎng)成分提取、藥理作用評定等方面，而對紫蘇的生產和逆境生理方面的研究相對較少[3-5]。水分是植物生長乃至一切生命活動所必需具備的重要環(huán)境因子之一。在自然環(huán)境下，植物生長發(fā)育的過程經常會遭受干旱或澇害的脅迫[6]。特別是在苗期，干旱脅迫往往會給植物中后期的生長帶來較大的負面影響[7]。干旱使細胞失水萎蔫，細胞膜受損、透性加大，植物生理代謝紊亂，呼吸作用異常，光合功能下降，干物質的積累和分配受到影響，最終導致植株產量和品質下降[8-13]。

植物生長調節(jié)劑普遍被用來調節(jié)植物生長和提高植物的抗逆能力，因此探究潛在的植物生長調節(jié)劑及其作用機制對增強作物抵抗干旱的能力具有重要意義[14]。1995年，在高等植物中首次發(fā)現褪黑素[15]，作為一種抗氧化劑和植物保護劑，褪黑素在抵御氧化脅迫和環(huán)境傷害方面發(fā)揮著較大的作用[16]。在逆境條件下，植物體內的褪黑素積累量會出現增多的現象。其次，外源褪黑素也具有廣譜的清除自由基作用，能減輕逆境脅迫下植物受到的過氧化損傷[17]。葉君等對小麥的研究發(fā)現，在干旱脅迫下，褪黑素能夠改善小麥的光合特性，使小麥幼苗抵抗干旱和恢復的能力得到了提高[14]。鹽脅迫顯著抑制了海棠幼苗的正常生長，而外施褪黑素緩解了鹽脅迫的抑制作用[18]。在高溫脅迫下，外施褪黑素后，黃瓜的超氧自由基產生速率和H2O2含量顯著降低，并且褪黑素能夠有效清除黃瓜體內過多的活性氧，抑制細胞膜透性和丙二醛含量的增大，提高黃瓜植株葉片的抗氧化系統(tǒng)酶活性和可溶性蛋白質的含量，對黃瓜抵抗高溫的能力有顯著增強作用[19-21]。對野生葉用芥菜施加低濃度的外源褪黑素(0.1 mmol/L)后，促進了芥菜的根長生長，然而在施加高濃度的褪黑素(100 mmol/L)后，幼苗生長受到了抑制[22]。

本試驗以紫蘇為材料，利用聚乙二醇-6000(polyethylene glycol，簡稱PEG-6000)模擬干旱環(huán)境，探究不同濃度的外源褪黑素對干旱脅迫下紫蘇幼苗生長和生理指標的影響，從而加強人們對褪黑素提高紫蘇抗旱性作用機制的認識，為更好地利用外源褪黑素指導生產實踐提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

紫蘇種子由河北省安國中藥材推廣站提供，播種后選取長勢一致的幼苗用于試驗。

1.2 試驗方法

1.2.1 幼苗培養(yǎng)及處理 選取大小均勻、籽粒飽滿的紫蘇種子，溫水浸種10 min，蒸餾水浸種24 h，然后將種子放在鋪有濾紙的培養(yǎng)皿中，于28 ℃恒溫培養(yǎng)箱內催芽3 d，最后播種于混有草炭、蛭石、珍珠巖的基質中(V草炭∶V蛭石∶V珍珠巖=1 ∶1 ∶1)，3 d 后胚芽破土，10 d后選取長勢一致的幼苗移栽到育苗穴盤中。移栽后的紫蘇幼苗分為6個處理組：CK1、CK2、M50、M100、M300、M500。每個處理24株幼苗，重復3次。待幼苗長至4葉1心時，每隔1 d給幼苗澆1次1/2 Hogland’s營養(yǎng)液。開始處理時，連續(xù)3 d根外施加外源褪黑素后，再用10% PEG-6000溶液連續(xù)脅迫處理3 d，各處理施加的試劑及濃度如表1所示，處理結束2 d后同時間取樣，測定相關指標。部分樣品保存于-80 ℃冰箱中備用。

表1 紫蘇幼苗的不同處理

1.2.2 幼苗葉長、葉寬及長寬比的測定 每個處理取12株幼苗，選取第1對真葉測量葉片的長度(L)和寬度(W)，重復3次。長寬比=L/W。

1.2.3 幼苗干鮮質量的測定及相對含水量 采取稱質量法測定紫蘇幼苗的相對含水量。將育苗穴盤中正常生長的幼苗表面的水分擦干，并將根部殘留的基質土去掉，稱質量，記錄幼苗鮮質量(fresh weight，簡稱FW)。將樣品放置在105 ℃條件下殺青15 min，再于80 ℃恒溫條件下烘干至恒質量，稱其質量，記錄幼苗干質量(dry weight，簡稱DW)，重復3次。根據公式計算相對含水量：相對含水量=(FW-DW)/FW×100%。

1.2.4 相關生理指標的測定 丙二醛(malonic dialdehyde，簡稱MDA)含量的測定采用硫代巴比妥酸法(thiobarbituric acid，簡稱TBA)；超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，簡稱SOD)活性采用SOD抑制氮藍四唑(nitro-blue tetrazolium，簡稱NBT)光化還原法測定；過氧化物酶(peroxidase，簡稱POD)活性的測定采用愈創(chuàng)木酚顯色法；可溶性蛋白含量的測定采用考馬斯亮藍G-250法。

1.3 數據處理與統(tǒng)計方法

采用SPSS 20.0軟件在0.05水平上對所測數據作單因素方差分析，以Duncan’s新復極差法比較不同處理間的差異顯著性，并采用Excel繪圖。

2 結果與分析

2.1 褪黑素處理對干旱脅迫下紫蘇幼苗葉片的影響

由圖1-a可知，與對照組1(CK1)相比，不管是否外施褪黑素，干旱脅迫均使幼苗的葉長顯著下降，其中CK2比CK1的葉長顯著下降15.50%。在干旱脅迫下，外施褪黑素的濃度為100 μmol/L時，幼苗葉長達到最大值，為2.33 cm，與CK1相比，幼苗葉長顯著下降9.69%，與CK2相比，葉長增長 6.88%，但差異不顯著。由圖1-b可知，與CK1相比，CK2葉寬下降4.97%。在干旱脅迫下當褪黑素的濃度為 100 μmol/L 時，幼苗葉寬達到最大值，為1.55 cm；與CK1相比，M100處理的幼苗葉寬下降3.73%，與CK2相比，M100處理的幼苗葉寬增長1.31%，但差異不顯著。

由圖1-c可知，對照組1(CK1)葉片長寬比為1.60，而CK2的長寬比為1.42，顯著下降11.25%，說明干旱脅迫能使紫蘇幼苗葉片長寬比顯著下降。與CK2相比，通過外施褪黑素能增加幼苗葉片長寬比，且隨著褪黑素濃度的增加，葉片長寬比呈現出先增加后下降的趨勢，但均低于CK1。當褪黑素濃度達到300 μmol/L時，長寬比達到最大值，為1.55，與CK2相比，長寬比提高9.15%。結果表明，在用10% PEG-6 000溶液脅迫處理紫蘇幼苗時，外施褪黑素能提高葉片的長寬比，起到緩解干旱脅迫的作用。

2.2 褪黑素處理對干旱脅迫下紫蘇幼苗相對含水量的影響

由圖2可知，對照組1(CK1)紫蘇幼苗的相對含水量為89.01%，干旱脅迫處理后，CK2的相對含水量為85.35%，比CK1顯著下降4.11%。干旱脅迫下外施不同濃度的褪黑素處理紫蘇幼苗，隨著褪黑素濃度的增加，紫蘇幼苗相對含水量呈現出先增加后下降的趨勢，當褪黑素濃度為100 μmol/L時，相對含水量達到最大值，為89.25%，與CK1的相對含水量相當。當褪黑素的濃度為500 μmol/L時，紫蘇幼苗相對含水量為83.75%，與CK1相比，相對含水量顯著下降5.91%，與CK2相比，紫蘇幼苗相對含水量下降1.87%，但差異不顯著。結果表明，干旱脅迫處理紫蘇幼苗時，低濃度的褪黑素能夠提高幼苗的抗旱能力，增加幼苗相對含水量。而當褪黑素的濃度超過一定范圍時，其作用效果逐漸降低，甚至不能起到增加幼苗相對含水量的作用。

2.3 褪黑素處理對干旱脅迫下紫蘇幼苗膜脂過氧化程度的影響

干旱脅迫處理可以導致植物體內的活性氧大量積聚，這樣就給植物體造成了膜脂過氧化傷害，而MDA就是膜脂過氧化的產物，MDA的積累可作為膜脂過氧化程度的指標之一。由圖3可知，CK2處理下MDA含量較CK1有大幅度提升，比CK1顯著提高67.19%。而經過褪黑素處理后，MDA含量隨著褪黑素濃度的增加而呈現下降的趨勢，當褪黑素濃度為500 μmol/L時，MDA含量達到最低值，與CK1相比，MDA含量下降6.25%，與CK2相比，MDA含量顯著下降 43.93%。這表明在干旱脅迫下外施褪黑素，能減輕紫蘇幼苗膜脂過氧化作用，在一定程度上很好地緩解干旱脅迫下幼苗所受到的氧化損傷。

2.4 褪黑素處理對干旱脅迫下紫蘇幼苗SOD、POD活性的影響

由圖4-a可知，紫蘇幼苗的POD活性在干旱脅迫處理下(CK2)比對照組(CK1)顯著下降18.84%。在干旱脅迫下外施褪黑素，POD活性隨著褪黑素濃度的增加呈現逐漸增加的趨勢，且當外施褪黑素濃度為500 μmol/L時，達到最佳的處理效果，與CK2相比，POD活性顯著提高26.79%。由圖 4-b可知，SOD活性在干旱脅迫處理下(CK2)比CK1下降 8.74%。干旱脅迫下使用不同濃度的褪黑素處理紫蘇幼苗，其SOD活性未呈現明顯的變化趨勢，當外施褪黑素濃度為100 μmol/L時，SOD活性達到最高值，與CK2相比提高 8.51%，但差異不顯著。結果表明，外施一定濃度的褪黑素可以提高干旱脅迫下紫蘇幼苗的抗氧化酶活性，緩解干旱脅迫造成的傷害。

2.5 褪黑素處理對干旱脅迫下紫蘇幼苗可溶性蛋白含量的影響

植物體內的可溶性蛋白參與植物細胞的滲透調節(jié)，維持細胞滲透勢以及水分平衡。由圖5可知，干旱脅迫時，CK2的可溶性蛋白含量比CK1顯著提高15.24%。而在干旱脅迫下使用褪黑素處理紫蘇幼苗，其可溶性蛋白含量與CK2相比均表現出下降，但使用不同濃度的褪黑素處理時，各處理間差異不顯著。當外施褪黑素的濃度為500 μmol/L時，可溶性蛋白含量達到最低值，比CK2顯著下降8.51%，比CK1增加 5.43%。這說明在干旱脅迫下用褪黑素處理紫蘇幼苗，在一定程度上可以有效降低幼苗所遭受干旱脅迫的程度。

3 結論與討論

干旱環(huán)境對植物體生長以及生物量的形成具有較大影響，在自然條件下，植物生長發(fā)育的過程中經常會遭遇水分不足等情況。大量研究表明，植物在苗期，易遭遇干旱脅迫而使幼苗的生長勢變弱，并對幼苗中后期的生長帶來一些不可逆轉的不利影響，最終導致作物產量下降。本試驗利用10% PEG-6000溶液模擬干旱環(huán)境，栽培紫蘇幼苗。與正常條件下生長的紫蘇幼苗相比，干旱脅迫使幼苗葉片的長寬比、相對含水量以及過氧化酶活性顯著下降，同時顯著提高MDA和可溶性蛋白的含量。這充分說明10% PEG-6000溶液模擬干旱環(huán)境對紫蘇幼苗的生長和生理造成了嚴重的抑制作用。

含水量是植物體內水分狀況的一個重要度量指標，植物組織含水量可直接影響植物的生長、氣孔狀況、光合功能甚至植物產量。結果表明，在干旱脅迫下，外施適宜濃度褪黑素能夠提高紫蘇幼苗的相對含水量，說明褪黑素處理能有效改善紫蘇幼苗的水分狀況，減弱干旱脅迫所造成的傷害。

干旱脅迫時，植物體光合作用會受到一定程度的抑制，光合速率下降，出現光能過?，F象，從而造成植物體內活性氧的積累?；钚匝醯倪^量累積會導致膜脂過氧化傷害，而MDA就是膜脂過氧化傷害的最終產物，MDA含量的高低反映細胞膜遭受破壞的程度[23]。本試驗中，紫蘇幼苗在干旱脅迫下MDA含量比對照組1(CK1)顯著提高67.19%，而使用褪黑素處理后紫蘇幼苗體內MDA含量較CK2顯著下降，且隨著外施褪黑素濃度的增加，MDA含量呈現逐漸下降的趨勢，使MDA含量維持在較低水平。當褪黑素濃度為500 μmol/L時，MDA含量達到最低值，比CK2顯著下降43.93%。同時，使用褪黑素處理后的紫蘇幼苗SOD和POD的活性也有所提高，有效地分解過量的活性氧。這與Tan等報道的在植物體內，褪黑素具有抗氧化的作用，可提高過抗氧化酶的活性這一研究結果[24]一致。結果表明，在干旱脅迫下使用褪黑素處理紫蘇幼苗，提高了紫蘇幼苗的抗氧化能力，在一定程度上有效緩解干旱脅迫所造成的氧化損傷，維持光合系統(tǒng)的穩(wěn)定，進而大大改善葉片的光合性能。

植物細胞的滲透調節(jié)有利于增強植物的抗逆性，增強植物對不良環(huán)境的適應能力[25]。大多數植物遭受環(huán)境脅迫時，會在體內積累大量可溶性物質，例如可溶性蛋白?？扇苄缘鞍鬃鳛橹参锏臐B透調節(jié)劑，能夠調節(jié)植物細胞的滲透勢，這種作用主要體現在保護植物細胞的滲透平衡[26]。本試驗中，在干旱脅迫下紫蘇幼苗可溶性蛋白質含量急劇上升，外施褪黑素后，可溶性蛋白質含量有所下降，這說明褪黑素處理后的紫蘇幼苗具備一定的抵抗干旱脅迫的能力。

[1]周曉晶，李 可，范 航，等. 不同變種及種源紫蘇種子油脂肪酸組成及含量比較[J]. 北京林業(yè)大學學報，2015，37(1)：98-106.

[2]譚美蓮，嚴明芳，汪 磊，等. 國內外紫蘇研究進展概述[J]. 中國油料作物學報，2012，34(2)：225-231.

[3]薛 山. 紫蘇葉精油化學成分及生理活性研究進展[J]. 食品研究與開發(fā)，2012，33(3)：235-238.

[4]李會珍，孫子文，李曉君，等. 紫蘇種子性狀與主要營養(yǎng)成分相關性分析[J]. 中國糧油學報，2013，28(10)：55-59.

[5]張 鑫. 紫蘇有效成分提取及資源分類[D]. 太原：中北大學，2010：2-9.

[6]蔡慶生. 植物生理學[M]. 北京：中國農業(yè)大學出版社，2014：299-312.

[7]吳 敏，張文輝，周建云，等. 干旱脅迫對栓皮棟幼苗細根的生長與生理生化指標的影響[J]. 生態(tài)學報，2014，34(15)：4223-4233.

[8]Frazeli F，Ghorbanli M，Niknam V. Effect of drought on biomass，protein content，lipid zeroxidation and antioxidant enzymes in two sesame cultivars[J]. Biologic Plantarum，2007，51(1)：98-103.

[9]王 瑾，劉桂茹，楊學舉. PEG脅迫下不同抗旱小麥品種幼苗形態(tài)及主要理化特性的比較[J]. 河北農業(yè)大學學報，2005，28(5)：6-10.

[10]劉 艷，蔡貴芳，陳貴林. 干旱脅迫對甘草幼苗活性氧代謝的影響[J]. 中國草地學報，2012，34(5)：93-98.

[11]朱 慧，馬瑞君，吳雙桃，等. 干旱脅迫對五爪金龍種子萌發(fā)與幼苗生長的影響[J]. 西北植物學報，2009，29(2)：344-349.

[12]章堯想，徐 軍，任文佼，等. 干旱脅迫對半日花種子萌發(fā)及幼苗生理特性的影響[J]. 東北林業(yè)大學學報，2014，24(7)：87-90.

[13]郭鵬輝，高丹丹，田曉靜，等. 干旱脅迫對紫蘇種子及幼苗生理特性的影響[J]. 中國油料作物學報，2015，37(5)：683-687.

[14]葉 君，鄧西平，王仕穩(wěn)，等. 干旱脅迫下褪黑素對小麥幼苗生長、光合和抗氧化特性的影響[J]. 麥類作物學報，2015，35(9)：1275-1283.

[15]Hattori A，Migitaka H，Iigo M，et al. Identification of melatonin in plants and its effects on plasma melatonin levels and binding to melatonin receptors in vertebrates[J]. Biochemistry and Molecular Biology International，1995，35(3)：627-634.

[16]Manchester L C，Tan D X，Reiter R J，et al. High levels of melatonin in the seeds of edible plants：possible function in germ tissue protection[J]. Life Sciences，2000，67(25)：3023-3029.

[17]張 娜. 褪黑素處理對滲透脅迫下黃瓜種子萌發(fā)及幼苗生長的影響及其分子機制[D]. 北京：中國農業(yè)大學，2014：3-8.

[18]Li C，Wang P，Wei Z，et al. The mitigation effects of exogenous melatonin on salinity-induced stress inMalushupehensis[J]. Journal of Pineal Research，2012，53(3)：298-306.

[19]徐向東，孫 艷，孫 波，等. 高溫脅迫下外源褪黑素對黃瓜幼苗活性氧代謝的影響[J]. 應用生態(tài)學報，2010，21(5)：1295-1300.

[20]徐向東，孫 艷，郭曉芹，等. 高溫脅迫下外源褪黑素對黃瓜幼苗光合作用及葉綠素熒光的影響[J]. 核農學報，2011，25(1)：179-184.

[21]趙 娜. 外源褪黑素對高溫脅迫條件下黃瓜幼苗碳氮代謝的影響[D]. 楊凌：西北農林科技大學，2012：12-31.

[22]Chen Q，Qi W B，Reiter R J，et al. Exogenously applied melatonin stimulates root growth and raises endogenous indoleacetic acid in roots of etiolated seedlings ofBrassicajuncea[J]. Journal of Plant Physiology，2009，166(3)：324-328.

[23]M?ller I M，Jensen P E，Hansson A. Oxidative modifications to cellular components in plants[J]. Annual Review of Plant Biology，2007，58(1)：459-481.

[24]Tan D X，Hardeland R，Manchester L C，et al. Functional roles of melatonin in plants，and perspectives in nutritional and agricultural science[J]. Journal of Experimental Botany，2012，63(2)：577-597.

[25]張海燕，趙可夫. 鹽分和水分脅迫對鹽地堿蓬幼苗滲透調節(jié)效應的研究[J]. 植物學報，1998，40(1)：56-61.

[26]李德全，鄒 琦，程炳嵩. 植物滲透調節(jié)研究進展[J]. 山東農業(yè)大學學報(自然科學版)，1991，22(1)：86-90.