楊新元

(山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 經(jīng)濟(jì)作物研究所，山西 汾陽 032200)

在各種非生物逆境脅迫中，干旱脅迫是對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育影響最大的自然災(zāi)害，對(duì)作物產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響[1-2]。有研究表明，植物在遭遇干旱脅迫時(shí)，體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的活性氧，造成活性氧代謝失衡，給植物造成氧化損傷，光合機(jī)構(gòu)遭到破壞，光合效率顯著降低，植物生長(zhǎng)發(fā)育受到嚴(yán)重影響[3-4]。油用向日葵(HelianthusannuusL.)屬菊科(Composite)向日葵屬(Helianthus)，是世界重要的油料作物之一，也是我國(guó)的五大油料作物之一，在我國(guó)的東北、西北及華北地區(qū)的干旱和半干旱地區(qū)廣泛種植。油用向日葵雖然具有較強(qiáng)的耐旱性和耐鹽性，但其苗期春旱現(xiàn)象仍時(shí)常發(fā)生，不僅影響幼苗的生長(zhǎng)發(fā)育，而且會(huì)對(duì)后期的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)帶來嚴(yán)重影響，導(dǎo)致產(chǎn)量和含油量顯著降低，給生產(chǎn)帶來巨大損失。如何進(jìn)一步提高油用向日葵的耐旱性，已成為油用向日葵產(chǎn)業(yè)發(fā)展中亟待解決的關(guān)鍵問題之一[5]。

褪黑素(Melatonine，MT)又稱N-乙酰-5-甲氧基色胺，在動(dòng)物、植物和微生物體內(nèi)廣泛存在，是一種潛在的生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑。大量研究表明，植物體內(nèi)褪黑素含量雖然較低，但是其在提高植物對(duì)冷害[6]、干旱[7]、鹽脅迫[8]及重金屬脅迫[9]等逆境的抗性方面發(fā)揮著重要的作用，其作用機(jī)制主要包括兩方面：一方面褪黑素本身就是一種抗氧化劑，可直接中和OH·、H2O2等活性氧自由基[10]；另一方面褪黑素作為一種信號(hào)分子，不僅可以誘導(dǎo)抗氧化酶活性(如SOD、POD、CAT、APX及GR等)和抗氧物質(zhì)含量(AsA及GsH等)提高，而且可以誘導(dǎo)抗性基因的表達(dá)(如WRKY、bHLH及TFs等)，從而提高植物抗逆性[3,6,11]。目前，關(guān)于褪黑素提高植物抗旱性的研究已有相關(guān)報(bào)道，但是尚存在一定的局限性。首先，研究對(duì)象大多集中于園藝作物(如黃瓜[12]、蘋果[13]、雛菊[7]等)，鮮有油料作物方面的研究報(bào)道；其次，褪黑素是否可以提高油用向日葵的耐旱性及作用機(jī)制如何尚未見相關(guān)研究報(bào)道；再次，關(guān)于褪黑素濃度效應(yīng)方面的研究尚不多見，篩選褪黑素最佳施用濃度，對(duì)其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的推廣應(yīng)用具有重要意義。

本研究以油用向日葵品種晉葵5號(hào)為試驗(yàn)材料，研究了干旱脅迫條件下不同濃度外源褪黑素對(duì)其生長(zhǎng)、光合和抗氧化特性的影響，以探討外源褪黑素對(duì)干旱脅迫下向日葵幼苗生長(zhǎng)的緩解機(jī)制，篩選最佳的施用濃度，旨在為油用向日葵的抗旱栽培提供一定的理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)在山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所試驗(yàn)基地塑料防雨棚內(nèi)進(jìn)行。供試向日葵品種為晉葵5號(hào)，由油用向日葵課題組自主選育；試驗(yàn)用褪黑素為分析純，購(gòu)自上海生工生物工程有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用盆栽方式進(jìn)行，花盆規(guī)格為45 cm×50 cm，以試驗(yàn)田土壤為栽培土壤，每盆裝土3 kg，定植1株向日葵幼苗。共設(shè)置6個(gè)處理，即CK1(正常供水)、CK2(干旱脅迫)、S50(干旱脅迫+50 μmol/L MT)、S100(干旱脅迫+100 μmol/L MT)、S150(干旱脅迫+150 μmol/L MT)和S200(干旱脅迫+200 μmol/L MT)，每個(gè)處理20盆，重復(fù)3次，共計(jì)360 盆，隨機(jī)區(qū)組排列。干旱脅迫前，連續(xù)2 d傍晚在向日葵幼苗葉片噴施相應(yīng)濃度的褪黑素，噴施量以水珠懸掛不滴為標(biāo)準(zhǔn)，CK1和CK2分別噴施等量清水。分別于處理后第0，5，10 天進(jìn)行取樣，用于測(cè)定各處理生長(zhǎng)、光合及生理指標(biāo)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及作圖；采用SPSS 18.0軟件進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源褪黑素對(duì)干旱脅迫下向日葵幼苗生長(zhǎng)的影響

從表1可以看出，與CK1(正常供水)相比，干旱脅迫會(huì)顯著抑制向日葵幼苗生長(zhǎng)。干旱處理達(dá)到10 d時(shí)，株高、莖粗、葉面積及干質(zhì)量分別較CK1降低9.42%，7.39%，10.15%，13.18%；外源施用褪黑素可明顯促進(jìn)干旱脅迫下向日葵幼苗的生長(zhǎng)，并且生長(zhǎng)積累量隨外源褪黑素濃度的升高而呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì)。其中，以100 μmol/L褪黑素處理效果最佳，與CK2(干旱脅迫)相比，在干旱處理達(dá)到10 d時(shí)，株高、莖粗、葉面積及干質(zhì)量分別提升7.13%，7.48%，8.13%和12.48%，較CK2、S50及S200均達(dá)到顯著差異水平(P<0.05)。結(jié)果表明，干旱脅迫會(huì)顯著抑制向日葵幼苗生長(zhǎng)，而外源施用褪黑素可明顯緩解干旱脅迫對(duì)向日葵幼苗生長(zhǎng)的抑制作用，并且具有一定的劑量-效應(yīng)關(guān)系，以100 μmol/L褪黑素處理效果最佳。

表1 褪黑素對(duì)干旱脅迫下向日葵幼苗生長(zhǎng)的影響Tab.1 Effects of melatonin on growth of sunflower seedlings under drought stress

注：CK1表示正常水分處理+0 μmol/L MT；CK2表示單獨(dú)干旱處理；S50、S100、S150和S200分別表示干旱脅迫下，葉面噴施50，100，150，200 μmol/L MT；同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示差異達(dá)到顯著差異水平(P<0.05)。圖1-4、表2同。

Note：CK1 is the normal water and without MT treatment；CK2 represent drought stress and without MT treatment；S50，S100，S150 and S200 are represent drought stress with 50，100，150 and 200 μmol/L MT treatment respectively；Different letters in the same column indicated significant difference among treatments at 0.05 level．The same as Fig.1-4,Tab.2．

2.2 外源褪黑素對(duì)干旱脅迫下向日葵幼苗葉片葉綠素含量的影響

如圖1所示，干旱脅迫會(huì)顯著降低向日葵幼苗葉片的葉綠素含量，且干旱脅迫越重降低幅度越大。與CK1(正常供水)相比，干旱脅迫時(shí)間達(dá)到5，10 d時(shí)，向日葵幼苗葉片的葉綠素含量分別降低18.4%和47.51%。外源施用褪黑素可明顯提升干旱脅迫下向日葵幼苗葉片的葉綠素含量，且提升幅度隨外源褪黑素濃度的升高而呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì)，其中，以100 μmol/L褪黑素處理效果最佳。在干旱處理達(dá)到10 d時(shí)，外源施用濃度為50，100，150，200 μmol/L褪黑素處理?xiàng)l件下，向日葵幼苗葉片的葉綠素含量分別較CK2(干旱脅迫)提升25.32%，61.43%，43.61%和18.52%，較CK2、S50、S150及S200均達(dá)到顯著差異水平(P<0.05)。結(jié)果表明，干旱脅迫會(huì)顯著降低向日葵幼苗葉片葉綠素含量，而外源施用褪黑素可明顯提升干旱脅迫下向日葵幼苗的葉綠素含量，增強(qiáng)其對(duì)干旱脅迫的抗性，以100 μmol/L褪黑素處理效果最佳。

圖1 褪黑素對(duì)干旱脅迫下向日葵幼苗葉片葉綠素含量的影響Fig.1 Effects of MT on chlorophyll content of leaves in sunflower seedlings under drought stress

2.3 外源褪黑素對(duì)干旱脅迫下向日葵幼苗葉片光合作用的影響

如圖2所示，與CK1(正常供水)相比，干旱脅迫會(huì)顯著抑制向日葵幼苗葉片的光合作用，其中， Pn、Gs和Tr隨干旱脅迫程度加重而逐漸降低，而Ci則先下降后上升。干旱處理10 d時(shí)，Pn、Gs及Tr分別較CK1降低54.11%，60.53%和47.59%，而Ci較CK1則略有提升。外源施用褪黑素可明顯促進(jìn)干旱脅迫下向日葵幼苗的光合作用，且提升幅度隨施用濃度增加而表現(xiàn)為先升高后降低；其中，以100 μmol/L褪黑素處理效果最佳，與CK2(干旱脅迫)相比，在干旱處理達(dá)到10 d時(shí)，其Pn、Gs及Tr分別提升52.71%，60.00%和39.29%，而Ci則降低12.66%，較CK2、S50及S200均達(dá)到顯著差異水平(P<0.05)。結(jié)果表明，干旱脅迫會(huì)顯著降低向日葵幼苗的光合效率，而外源施用褪黑素可明顯緩解干旱脅迫對(duì)向日葵幼苗的傷害，提升光合效率，并且具有一定的劑量-效應(yīng)關(guān)系，以100 μmol/L褪黑素處理效果最佳。

圖2 褪黑素對(duì)干旱脅迫下向日葵幼苗光合作用的影響Fig.2 Effects of MT on photosynthesis of leaves in sunflower seedlings under drought stress

2.4 外源褪黑素對(duì)干旱脅迫下向日葵幼苗葉片相對(duì)電導(dǎo)率、MDA含量、H2O2含量及產(chǎn)生速率的影響

圖3 褪黑素對(duì)干旱脅迫下向日葵幼苗相對(duì)電導(dǎo)率、MDA含量、H2O2含量及產(chǎn)生速率的影響Fig.3 Effects of MT on the relative conductivity，MDA content，H2O2 content and producing rate of leaves in sunflower seedlings under drought stress

2.5 外源褪黑素對(duì)干旱脅迫下向日葵幼苗葉片抗氧化酶活性的影響

從表2可以看出，與CK1(正常供水)相比，隨著干旱脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，向日葵幼苗葉片的SOD、POD、CAT、APX及GR活性均表現(xiàn)為先升高后降低的變化趨勢(shì)。在干旱脅迫達(dá)到10 d時(shí)，SOD、POD、CAT、APX及GR活性分別較CK1(正常供水)降低21.94%，34.13%，22.44%，35.36%和56.25%。外源施用褪黑素可明顯提升干旱脅迫下向日葵幼苗葉片的SOD、POD、CAT、APX及GR活性，并且5種保護(hù)酶活性提升幅度均隨外源褪黑素濃度的升高而表現(xiàn)為先升高后降低；其中，以100 μmol/L褪黑素處理效果最佳，與CK2(干旱脅迫)相比，在干旱處理達(dá)到10 d時(shí)，其SOD、POD、CAT、APX及GR活性分別提升43.03%，70.16%，57.00%，85.22%和148.09%，較CK2、S50及S200均達(dá)到顯著差異水平(P<0.05)。結(jié)果表明，向日葵幼苗通過提升自身的抗氧化酶活性來清除活性氧，從而減輕干旱脅迫對(duì)其造成的傷害；而外源施用褪黑素可明顯促進(jìn)干旱脅迫下向日葵幼苗的抗氧化酶活性提升，并且具有一定的劑量-效應(yīng)關(guān)系，以100 μmol/L褪黑素處理效果最佳。

2.6 外源褪黑素對(duì)干旱脅迫下向日葵幼苗葉片AsA和GSH含量的影響

AsA和GSH是植物細(xì)胞內(nèi)重要的抗氧化物質(zhì)。由圖4可知，與CK1(正常供水)相比，向日葵幼苗葉片的AsA和GSH含量隨著干旱脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)而表現(xiàn)為先升高后降低的變化趨勢(shì)；在干旱脅迫達(dá)到10 d時(shí)，向日葵幼苗葉片的AsA和GSH含量分別較CK1提升7.84%和35.56%。在干旱脅迫條件下，外源施用褪黑素可明顯提升向日葵幼苗葉片的AsA和GSH含量，且提升幅度隨施用濃度增加而表現(xiàn)為先升高后降低；其中，以100 μmol/L褪黑素處理效果最佳，與CK2(干旱脅迫)相比，在干旱處理達(dá)到10 d時(shí)，其AsA和GSH含量分別提升20.00%和40.98%，較CK2、S50及S200均達(dá)到顯著差異水平(P<0.05)。結(jié)果表明，干旱脅迫會(huì)顯著提升向日葵幼苗的AsA和GSH含量，而外源施用褪黑素則可進(jìn)一步促進(jìn)向日葵幼苗的AsA和GSH含量提升，并且具有一定的劑量-效應(yīng)關(guān)系，以100 μmol/L褪黑素處理效果最佳。

表2 褪黑素對(duì)干旱脅迫下向日葵幼苗葉片抗氧化酶活性的影響Tab.2 Effects of melatonin on antioxidant enzyme activity of leaves in sunflower seedlings under drought stress

圖4 褪黑素對(duì)干旱脅迫下向日葵幼苗葉片AsA和GsH含量的影響Fig.4 Effects of MT on the AsA content and GsH content of leaves in sunflower seedlings under drought stress

3 結(jié)論與討論

干旱脅迫條件下，植物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能常遭到破壞，導(dǎo)致植物生長(zhǎng)發(fā)育受到顯著抑制，生物量積累明顯下降[12]。本試驗(yàn)中，干旱脅迫顯著降低了向日葵幼苗的株高、莖粗、葉面積和干質(zhì)量，向日葵幼苗生長(zhǎng)受到明顯抑制，并且干旱脅迫時(shí)間越長(zhǎng)抑制幅度越大；外源施用褪黑素可明顯緩解干旱脅迫對(duì)向日葵幼苗生長(zhǎng)的抑制作用，并可促進(jìn)其生長(zhǎng)，其中以100 μmol/L褪黑素處理效果最佳。這與吳燕等[7]在雛菊及鄒京南等[17]在大豆方面的研究結(jié)果較為一致。其原因可能是由于一方面外源施用褪黑素可以提升干旱脅迫下植物葉片的葉綠素含量；另一方面外源施用褪黑素可以提升干旱脅迫下植物葉片的光合作用效率。

光合作用是植物進(jìn)行生長(zhǎng)發(fā)育不可或缺的生理功能之一，其主要色素便是葉綠素。前人研究表明，植物在遭遇干旱脅迫時(shí)，葉片葉綠素較易降解、光合效率和功能明顯降低[18]。本試驗(yàn)中，干旱脅迫顯著降低了向日葵幼苗葉片的葉綠素含量，并且隨著干旱脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)降低幅度增大，而外源施用褪黑素可明顯提升干旱脅迫下向日葵幼苗葉片的葉綠素含量，以100 μmol/L褪黑素處理效果最佳。這與吳燕等[7]在雛菊及葉君等[3]在小麥方面的研究結(jié)果較為一致，但是其作用機(jī)制尚不清楚，是褪黑素直接影響了葉綠素合成與降解的關(guān)鍵酶活性，還是通過其他間接方式影響了葉綠素的合成與降解，尚待進(jìn)一步研究。同時(shí)，本研究發(fā)現(xiàn)，隨著干旱脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，向日葵幼苗葉片Pn、Gs和Tr逐漸降低，Ci則先下降后上升，這與姚春娟等[4]在決明屬植物方面的研究報(bào)道基本一致，說明氣孔因素是干旱脅迫下向日葵幼苗光合效率降低的主要因素[19]。與CK2(干旱脅迫)相比，外源施用褪黑素可明顯提升干旱脅迫下向日葵幼苗葉片的Pn、Gs和Tr，且提升幅度隨著褪黑素濃度的升高表現(xiàn)為先升高后降低，Ci則相反，以100 μmol/L褪黑素處理效果最佳。這與鄒京南等[17]在大豆方面、楊小龍等[20]在番茄方面的研究報(bào)道較為一致，其原因可能是由于適宜濃度的褪黑素可以提高干旱脅迫下植物葉片的光合酶活性，提高CO2轉(zhuǎn)化效率，從而降低Ci；而高濃度的褪黑素則會(huì)對(duì)光合機(jī)構(gòu)產(chǎn)生一定的抑制作用，導(dǎo)致CO2轉(zhuǎn)化效率降低，Ci提升。

綜上所述，外源褪黑素可顯著提升干旱脅迫下向日葵幼苗的抗氧化能力，活性氧自由基得到有效清除，降低了膜質(zhì)過氧化，減輕了對(duì)光合系統(tǒng)的氧化損傷，促進(jìn)了干旱脅迫下向日葵幼苗的生長(zhǎng)發(fā)育，耐旱性得到顯著提升。此外，外源褪黑素提高向日葵耐旱性具有一定的劑量-效應(yīng)關(guān)系，以100 μmol/L處理效果最佳。褪黑素作為一種潛在的植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑，在提高植物抗旱性方面具有廣闊的應(yīng)用前景，本研究結(jié)果可以為褪黑素在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的開發(fā)和利用提供一定的參考依據(jù)。