汪俊峰,余敏芬,李東賓, 吳婷婷, 鄭炳松, 閆道良,*

褪黑素對模擬干旱脅迫下北美紅櫟幼樹幼樹光合性能及抗氧化酶系統(tǒng)的影響

汪俊峰1,余敏芬2,李東賓2, 吳婷婷1, 鄭炳松1, 閆道良1,*

1. 浙江農(nóng)林大學(xué)林業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院, 杭州 311300 2. 寧波市林場, 寧波 315000

為研究干旱脅迫下施加褪黑素對北美紅櫟幼樹光合性能和抗氧化酶系統(tǒng)的影響, 以當(dāng)年生北美紅櫟幼樹實生苗為試驗材料, 利用不同濃度的聚乙二醇(PEG-6000)溶液模擬干旱，研究干旱脅迫對北美紅櫟幼樹光合性能及抗氧化酶活性的影響。結(jié)果表明: 在PEG模擬的干旱脅迫下, 北美紅櫟幼樹的光合作用受到抑制并破壞了體內(nèi)的氧化還原平衡, 抗氧化物酶活性提高。在干旱脅迫開始前噴施100 μM的褪黑素能夠提高北美紅櫟幼樹清除活性氧的能力, 維持干旱脅迫條件下較高的凈光合速率并能有效地緩解由于干旱脅迫對植物造成的損傷。試驗結(jié)果為實踐中栽培管理北美紅櫟幼樹提供了參考。

褪黑素; 干旱脅迫; 北美紅櫟幼樹; 光合性能; 抗氧化酶

0 前言

我國的干旱、半干旱地區(qū)面積約占國土面積的26.73%, 干旱已經(jīng)成為限制我國林業(yè)發(fā)展的重要因素之一。干旱脅迫下植物細胞會產(chǎn)生更多的活性氧, 使細胞膜受損、蛋白質(zhì)降解和酶失活[1], 植物正常生理代謝受阻。干旱脅迫下, 一系列抗氧化酶活性的升高, 是提高植物抗旱性的有效機制之一[2], 包括超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、過氧化物酶、抗壞血酸過氧化物酶和谷胱甘肽還原酶等[3]。

褪黑素(N-乙酰-5-甲氧基色胺)是一類重要的吲哚類激素物質(zhì), 在植物體內(nèi)具有多種生理功能, 如保護葉綠素分子、調(diào)節(jié)光周期、增強體內(nèi)抗氧化物酶活性等[4]。褪黑素可以緩解植物由干旱[5]、重金屬[6]、高溫[7]、低溫[8]和UV輻射[9]等脅迫引起的損傷。褪黑素也可以提高逆境脅迫下植物的凈光合速率, 這可能與其具有保護葉綠素[10]、維持植物光系統(tǒng)II(PSII)正常功能[11]和提高植物體內(nèi)多種抗氧化物酶的活性有關(guān)[12]。

北美紅櫟(Linn.)是殼斗科的一種落葉喬木, 原產(chǎn)于美國東部及加拿大東南部。北美紅櫟具有優(yōu)良的生態(tài)價值、景觀價值和經(jīng)濟價值。其抗逆境能力強, 對土壤及其他生態(tài)環(huán)境要求不高, 可用于干旱半干旱地區(qū)的綠化種植及林地恢復(fù); 北美紅櫟為秋季彩葉樹種, 是城市美化的優(yōu)良樹種, 同時也是優(yōu)質(zhì)的材用樹種。目前, 對北美紅櫟抗逆性的研究鮮有報道, 為更好地向干旱地區(qū)引種推廣, 本研究利用褪黑素溶液對北美紅櫟葉面噴施預(yù)處理, 再對北美紅櫟進行模擬干旱脅迫, 試驗結(jié)果旨在了解褪黑素緩解北美紅櫟干旱脅迫機制, 同時也為北美紅櫟向干旱地區(qū)引種栽培提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

選取長勢一致的一年生北美紅櫟幼樹移栽至內(nèi)徑13 cm, 高為17 cm的塑料盆中, 盆內(nèi)基質(zhì)為沙土, 基質(zhì)保持田間持水量的80%—85%。7月中旬開始對北美紅櫟幼樹進行預(yù)處理: 每隔一天噴施一次100 μM褪黑素溶液, 共5次, 噴施時間為17:00—18:00, 每次以葉面和葉背均沾濕且滴水為準(zhǔn), 另一組使用蒸餾水代替褪黑素溶液執(zhí)行同樣操作。最后一次噴施褪黑素或蒸餾水的次日以不同濃度的PEG(使用1/2霍格蘭特營養(yǎng)液配置)溶液對北美紅櫟幼樹進行模擬干旱試驗, PEG濃度分別為: 5%PEG(輕度干旱P1)、15%PEG(中度干旱P2)和25%PEG(重度干旱P3)。設(shè)置8個處理組: 僅進行褪黑素噴施預(yù)處理的對照組(M)、輕度干旱組(M-P1)、中度干旱組(M-P2)、重度干旱組(M-P3)及僅進行蒸餾水噴施預(yù)處理的對照組(CK)、輕度干旱組(P1)、中度干旱組(P2)、重度干旱組(P3)。每處理3個重復(fù), 每重復(fù)5盆(每盆1株)。

1.2 生理生化指標(biāo)測定

采用葉綠素測定儀(SPAD-502, Spectrum Technologies, Plainfield, IL, USA)測定葉片葉綠素相對含量。參照朱曉霞等[14]和史海濤等[15]的方法測定SOD和POD活性。硫代巴比妥酸法測定葉片中的丙二醛(MDA)含量[16]。茚三酮法測定葉片脯氨酸(Pro)含量[17]。

1.3 光合作用指標(biāo)測定

選取葉位一致的北美紅櫟幼樹葉片, 利用Li-6400便攜式光合測定系統(tǒng)(LI-COR, Inc., Lincoln, USA)測定北美紅櫟幼樹葉片氣體交換參數(shù)。測定時間為AM 8:00—11:00, 測定時的葉室溫度設(shè)置為大棚溫度約30 ℃, 葉室CO2濃度約為400 μmol·mol-1, 葉室氣體流速為500 μmol·s-1, 光合有效輻射(PAR)為720 μmol·m-2·s-1。測定的氣體交換參數(shù)包括葉片凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Cond)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Trmmol)等。每個處理選3枚葉片, 10次重復(fù)測定, 并計算植物葉片的水分利用效率(WUE)[18]。

利用便攜式調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x(PAM-2500, Walz, Germany)測定葉綠素?zé)晒鈪?shù)。葉片暗適應(yīng)25 min后, 測得初始熒光(F0)、最大熒光(Fm)和光系統(tǒng)II的實際光合效率(Y(II))等熒光參數(shù)[19]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗中所有數(shù)據(jù)均用Microsoft Excel、SIGMAPLOT 12.5軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析及作圖。使用最小顯著差異(LSD)方法進行多重比較(< 0.05)。所有數(shù)據(jù)是3次重復(fù)數(shù)據(jù)的均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 褪黑素對不同干旱脅迫下北美紅櫟幼樹葉綠素含量的影響

由圖1可知, 30 d時, 無論是否噴施褪黑素, 葉綠素含量均隨著干旱程度的加深而不斷下降; 但M、M-P1、M-P3處理組相較于CK、P1、P3處理組的葉綠素含量分別提高了6.3%、13.1%和28.1%, 表明噴施褪黑素可以有效緩解干旱脅迫對葉綠素的破環(huán)作用。

2.2 褪黑素對不同干旱脅迫下北美紅櫟幼樹氣體交換參數(shù)的影響

2.2.1 褪黑素對干旱脅迫下北美紅櫟幼樹凈光合速率的影響

由圖2可知, 0 d時, 噴施褪黑素的處理組整體凈光合速率高于噴施蒸餾水的處理組。21 d后, 無論是否噴施褪黑素, 凈光合速率均隨著干旱程度的加深而不斷下降, 凈光合速率與干旱脅迫程度表現(xiàn)負(fù)相關(guān); 但M、M-P1、M-P2、M-P3處理組相較于CK、P1、P2、P3處理組凈光合速率分別提高了43.6%、18.0%、19.5%和27.5%。30 d后, 噴施和未噴施褪黑素處理組的變化趨勢與21 d的相似, 其中M、M-P1、M-P2、M-P3處理組相較于CK、P1、P2、P3處理組凈光合速率分別提高了31.9%、9.0%、43.2%和30.2%。這些結(jié)果說明, 噴施褪黑素可以有效緩解干旱對葉片光合作用的抑制作用。

圖1 褪黑素對干旱脅迫下北美紅櫟幼樹葉綠素含量的影響

Figure 1 Effect of melatonin on chlorophyll content ofseedlings under drought stress

圖2 褪黑素對干旱脅迫下北美紅櫟幼樹凈光合速率的影響

Figure 2 Effect of melatonin on net photosynthetic rate ofseedlings under drought stress

2.2.2 褪黑素對干旱脅迫下北美紅櫟幼樹胞間二氧化碳濃度的影響

由圖3可知, 14 d時, M、M-P1、M-P2、M-P3處理組相較于CK、P1、P2、P3處理組胞間CO2濃度分別提高了34.9%、12.9%、21.3%和8.7%。21 d和30 d時無論是否噴施褪黑素, 相同干旱脅迫條件下的胞間CO2濃度間沒有顯著性差異, 說明在短期干旱脅迫下, 噴施褪黑素有利于維持北美紅櫟幼樹葉片中較高的CO2濃度。

2.2.3 褪黑素對干旱脅迫下北美紅櫟幼樹氣孔導(dǎo)度的影響

由圖4可知, 21 d時, 無論是否噴施褪黑素, 葉片的氣孔導(dǎo)度均隨著干旱程度的加深而不斷下降。M、M-P1、M-P2、M-P3處理組相較于CK、P1、P2、P3處理組的葉片氣孔導(dǎo)度分別提高了45.8%、3.3%、7.5%和63.5%。30 d時, 噴施和未噴施褪黑素處理組的變化趨勢與21 d的相似, 其中M、M-P1、M-P3處理組相較于CK、P1、P3處理組的葉片氣孔導(dǎo)度分別提高了35.2%、8.78%和71.9%, 這些結(jié)果說明了干旱脅迫下噴施褪黑素可以提高葉片氣孔導(dǎo)度, 有利于對CO2的吸收。

圖3 褪黑素對干旱脅迫下北美紅櫟幼樹胞間二氧化碳濃度的影響

Figure 3 Effect of melatonin on intercellular carbon dioxide concentration ofseedlings under drought stress

圖4 褪黑素對干旱脅迫下北美紅櫟幼樹氣孔導(dǎo)度的影響

Figure 4 Effect of melatonin on stosmatal conductance ofseedlings under drought stress

2.2.4 褪黑素對干旱脅迫下北美紅櫟幼樹蒸騰速率的影響

由圖5可知, 21 d時, 無論是否噴施褪黑素, 葉片的蒸騰速率均隨著干旱程度的加深而不斷下降, 葉片的蒸騰速率隨著干旱脅迫程度的加深顯著降低; 但M、M-P1、M-P2、M-P3處理組相較于CK、P1、P2、P3處理組的蒸騰速率分別提高了38.4%、4.4%、7.6%和63.5%。30 d時, 噴施和未噴施褪黑素處理組的變化趨勢與21 d的相似, 其中M、M-P1、M-P3處理組相較于CK、P1、P3處理組的葉片蒸騰速率分別提高了34.4%、12.4%和85.3%。這些結(jié)果說明了干旱脅迫下噴施褪黑素可以維持植物進行正常的蒸騰作用。

2.2.5 褪黑素對干旱脅迫下北美紅櫟幼樹水分利用率的影響

由圖6可知, 21 d時, 無論是否噴施褪黑素, 葉片水分利用率均隨著干旱程度的加深而不斷下降, 但M-P1、M-P2、M-P3處理組相較于P1、P2、P3處理組的水利用效率分別提高了13.0%、11.1%和28.2%。30 d時, 噴施和未噴施褪黑素處理組的變化趨勢與21 d的相似, 其中M、M-P1、M-P2、M-P3處理組相較于CK、P1、P2、P3處理組的水分利用速率分別提高了1.8%、3.1%、6.9%和42.4%。這表明褪黑素可以提高干旱脅迫下北美紅櫟幼樹的水分利用效率, 從而提高北美紅櫟幼樹的耐旱程度。

圖5 褪黑素對干旱脅迫下北美紅櫟幼樹蒸騰速率的影響

Figure 5 Effect of melatonin on transpiration rate ofseedlings under drought stress

圖6 褪黑素對干旱脅迫下北美紅櫟幼樹水分利用率的影響

Figure 6 Effect of melatonin on efficiencyofwaterapplication ofseedlings under drought stress

2.3 褪黑素對干旱脅迫下北美紅櫟幼樹葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

由圖7可知, 21 d時, 無論是否噴施褪黑素, 光系統(tǒng)II的實際光合效率均隨著干旱程度的加深而不斷下降, 但M、M-P1、M-P2、M-P3處理組相較于CK、P1、P2、P3處理組光系統(tǒng)II的實際光合效率分別提高了13.0%、16.7%、12.3%和5.7%。30 d時, 噴施和未噴施褪黑素處理組的變化趨勢與21 d的相似, 其中M、M-P1、M-P2、M-P3處理組相較于CK、P1、P2、P3處理組的光系統(tǒng)II的實際光合效率分別提高了32.6%、16.4%、4.3%和4.3%。

圖7 褪黑素對干旱脅迫下北美紅櫟幼樹光系統(tǒng)II的實際光合效率的影響

Figure 7 Effect of melatonin on Y(II)ofseedlings under drought stress

由圖8可知, 30 d時, 輕度和中度干旱脅迫下噴施褪黑素對光系統(tǒng)II的最大光合效率沒有顯著影響, 而重度干旱脅迫下噴施褪黑素能夠顯著地提高光系統(tǒng)II的最大光合效率。這些結(jié)果說明了干旱脅迫下噴施褪黑素可以在一定程度上保護植物光系統(tǒng)II。

2.4 褪黑素對干旱脅迫下北美紅櫟幼樹葉片抗氧化酶活性的影響

由圖9可知, 14 d時, 無論是否噴施褪黑素, 隨著干旱程度的加深, 北美紅櫟幼樹葉片的SOD活力均呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢, 但是噴施褪黑素后干旱脅迫組葉片的SOD活力整體顯著高于未噴施褪黑素的干旱脅迫組, 其中M、M-P1、M-P2、M-P3處理組相較于CK、P1、P2、P3處理組SOD活力分別提高了2.3%、22.6%、9.6%和10.4%。21 d時, 無論是否噴施褪黑素, 葉片的SOD活力均隨著干旱程度的加深而不斷下降, 但M、M-P1、M-P2、M-P3處理組相較于CK、P1、P2、P3處理組SOD活力分別提高了3.9%、4.4%、8.3%和23.3%。

圖8 褪黑素對干旱脅迫下北美紅櫟幼樹光系統(tǒng)II的最大光合效率的影響

Figure 8 Effect of melatonin on Fv/Fm ofseedlings under drought stress

圖9 褪黑素對干旱脅迫下北美紅櫟幼樹超氧化物歧化酶的影響

Figure 9 Effect of melatonin on superoxidedismutaseactivity ofseedlings under drought stress

由圖10可知, 14 d時, 無論是否噴施褪黑素, 隨著干旱脅迫程度的增加, 北美紅櫟幼樹葉片的POD活力均出現(xiàn)了不同程度的升高, 但是噴施褪黑素后的干旱脅迫組葉片POD活力整體顯著高于未噴施褪黑素的干旱脅迫組, 其中M-P1、M-P2、M-P3處理組相較于P1、P2、P3處理組POD活力分別提高了3.9%、13.5%和1.6%。21 d時, 無論是否噴施褪黑素, 葉片的POD活力均隨著干旱程度的加深呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢, 但M、M-P1、M-P2、M-P3處理組相較于CK、P1、P2、P3處理組的POD活力分別提高了7.7%、10.5%、11.3%和11.1%。30 d時, POD活力在噴施和未噴施褪黑素處理組中各個干旱梯度之間差異不顯著。

2.5 褪黑素對干旱脅迫下北美紅櫟幼樹葉片丙二醛和脯氨酸含量的影響

由圖11可知, 21 d時, 無論是否噴施褪黑素, 隨著干旱脅迫程度的增加北美紅櫟幼樹葉片的MDA含量均出現(xiàn)了不同程度的升高, 但是噴施褪黑素后的干旱脅迫組葉片的MDA含量整體低于未噴施褪黑素的干旱脅迫組, M-P1、M-P2、M-P3處理組相較于P1、P2、P3處理組的MDA含量分別降低了4.6%、9.8%和11.7%。30 d時的變化趨勢與21 d的相似, 其中, M、M-P1、M-P2、M-P3處理組相較于CK、P1、P2、P3處理組的MDA含量分別降低了8.2%、5.5%、7.2%和8.5%。這表明了褪黑素可以保護細胞膜系統(tǒng), 緩解干旱致使的膜損傷。

圖10 褪黑素對干旱脅迫下北美紅櫟幼樹過氧化物酶的影響

Figure 10 Effect of melatonin on peroxidaseactivity ofseedlings under drought stress

圖11 褪黑素對干旱脅迫下北美紅櫟幼樹過丙二醛含量的影響

Figure 11 Effect of melatonin on MDA contents ofseedlings under drought stress

由圖12可知, 14 d時, 無論是否噴施褪黑素, 隨著干旱脅迫程度的增加北美紅櫟幼樹葉片的Pro含量均出現(xiàn)了不同程度的升高, 但是噴施褪黑素后的干旱脅迫組葉片Pro含量整體顯著高于未噴施褪黑素的干旱脅迫組, 其中M、M-P1、M-P3處理組相較于CK、P1、P3處理組Pro含量分別升高了7.1%、26.9%和15.4%。21 d時, 噴施和未噴施褪黑素處理組的變化趨勢與14d的相似, 其中M-P2、M-P3處理組相較于P2、P3處理組的Pro含量分別升高了6.5%和7.8%。這些結(jié)果表明了噴施褪黑素可以提高干旱脅迫下植物體內(nèi)脯氨酸含量。脯氨酸的積累, 不但提高了細胞質(zhì)內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量, 還能穩(wěn)定生物大分子結(jié)構(gòu), 防止細胞脫水。

圖12 褪黑素對干旱脅迫下北美紅櫟幼樹脯氨酸含量的影響

Figure 12 Effect of melatonin on Proline contents ofseedlings under drought stress

3 討論

3.1 褪黑素對干旱脅迫下北美紅櫟幼樹氣體交換參數(shù)的影響

干旱脅迫會抑制葉綠素合成從而降低植物的光合能力, 噴施褪黑素后可以有效地提高干旱脅迫下北美紅櫟幼樹的葉綠素含量, 與前人的研究一致[20]。植物受到干旱脅迫時, 會通過降低葉片氣孔導(dǎo)度, 從而減少水分散失, 同時CO2吸收也受到影響, 最終導(dǎo)致光合速率的降低[21-22]。本研究表明, 未噴施褪黑素處理組在短期干旱(14 d)時北美紅櫟幼樹的Pn、Cond、Ci和Trmmol均顯著下降, 但Pn的下降幅度在不同干旱脅迫程度下的差異不顯著, 同樣, WUE在CK、P1、P2、P3四個處理組中也沒有較大差異。噴施褪黑素處理組在短期干旱(14 d)時北美紅櫟幼樹的Pn、Cond、Ci和Trmmol均顯著下降, 且隨著干旱程度的不斷加深而呈現(xiàn)不斷下降的趨勢; WUE在輕度和中度干旱下則呈現(xiàn)隨著干旱程度不斷加深而不斷上升的趨勢, 雖然在重度干旱條件下M-P3處理組的WUE沒有繼續(xù)上升, 但相較于未噴施褪黑素的干旱脅迫組仍處于較高水平。噴施褪黑素后, 植物可以對PEG引起的干旱環(huán)境進行較快地響應(yīng)以減少干旱脅迫對植物光合系統(tǒng)及其功能造成的損傷[23]。當(dāng)干旱脅迫持續(xù)到21 d時, 北美紅櫟幼樹的Pn、Cond、Ci和Trmmol均顯著下降, 而WUE顯著上升; 而噴施褪黑素處理組的Pn、WUE、Cond、Ci和Trmmol整體上均高于未噴施褪黑素處理組, 其中噴施褪黑處理組Pn和WUE顯著高于未噴施褪黑素處理組。試驗結(jié)果表明, 干旱脅迫30 d時褪黑素的施加對增強北美紅櫟幼樹的WUE效果低于21 d。這可能是由于本試驗僅在干旱脅迫處理前對植物進行噴施褪黑素處理, 而在干旱脅迫開始后沒有再進行噴施褪黑素而導(dǎo)致褪黑素對提高植物抗逆性的效能降低。

3.2 褪黑素對干旱脅迫下北美紅櫟幼樹葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

水分脅迫是抑制植物光合作用最重要的環(huán)境因素之一[25]。葉綠素?zé)晒鈪?shù)能更好地反映環(huán)境對植物光合作用過程內(nèi)在影響。最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)的變化量常用于判斷植物葉片是否受到光抑制[26]。植物葉片Y(II)反映實際的光系統(tǒng)II反應(yīng)中心進行光化學(xué)反應(yīng)的效率[27]。干旱脅迫30 d時, 無論是否噴施褪黑素, 隨著干旱脅迫程度的加深Fv/Fm逐漸下降。值得注意的是, 輕度和中度干旱對植物Fv/Fm的影響不顯著, 但重度干旱對植物Fv/Fm的影響明顯高于輕度和中度干旱。干旱脅迫14 d后, 無論是否噴施褪黑素, 隨著干旱程度加深Y(II)均逐漸下降, 但噴施褪黑素后的處理組相較于沒有噴施褪黑素的處理組在相同的干旱脅迫程度下Y(II)更高。

3.3 褪黑素對干旱脅迫下北美紅櫟幼樹保護酶活性的影響

干旱脅迫下, 植物體內(nèi)會產(chǎn)生更多的活性氧, 影響正常的生長代謝。由于干旱脅迫下植物的光合作用能力降低, 導(dǎo)致植物體內(nèi)激發(fā)能過剩, 植物體內(nèi)氧化還原平衡失調(diào)[28]。SOD和POD是植物體內(nèi)最常見、最重要的抗氧化酶, 對維持植物體內(nèi)正常氧化還原環(huán)境和防止植物受到自由基毒害有極其重要的意義。在干旱脅迫的第14 d和21 d時, 植株無論是否噴施褪黑素, 其SOD的活力隨著干旱程度加深呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。在干旱脅迫的第30 d, 無論是否噴施褪黑素SOD的活力呈現(xiàn)先上升后下降再持平的趨勢。在干旱脅迫的第14 d時, 植株無論是否噴施褪黑素, 其POD的活力均隨著干旱強度的增強不斷上升。在干旱脅迫的第21 d和30 d, 植株無論是否噴施褪黑素, 其POD活力都隨著干旱脅迫的不斷增強呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。當(dāng)干旱脅迫的強度在植物自身可承受范圍內(nèi)時, 隨著干旱強度的增加, SOD和POD的活力不斷增強以維持植物正常的生長代謝活動, 但當(dāng)干旱脅迫的強度過強或干旱脅迫持續(xù)時間過長時, 植物的內(nèi)環(huán)境惡化, SOD、POD活力降低。

3.4 褪黑素對干旱脅迫下北美紅櫟幼樹丙二醛和脯氨酸含量的影響

逆境條件下植物細胞內(nèi)的活性氧積累加劇, 植物細胞的膜脂過氧化程度增加, MDA含量升高, 植物細胞膜相對透性增大[29]。干旱脅迫下, 植物細胞水分缺失嚴(yán)重, 而脯氨酸作為重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)可以提高植物干旱脅迫下的抗逆性[30]。所以MDA和Proline的含量可以有效的指示干旱脅迫下北美紅櫟幼樹的損傷程度和抗逆強度。在干旱脅迫的第14 d、21 d和30 d時, 無論是否噴施褪黑素，植株的MDA和Proline含量均隨著干旱程度加深呈現(xiàn)上升的趨勢。干旱脅迫導(dǎo)致植物細胞的膜脂過氧化程度不斷加深, 植物細胞膜的功能受到破壞。同時干旱脅迫條件下, 植物體內(nèi)積累更多的Proline以增強植物在干旱脅迫條件下的抗逆性。而干旱脅迫前噴施褪黑素可以有效的降低干旱脅迫對植物體內(nèi)MDA的含量和促進Proline的積累, 最終達到增強植物抗逆性的作用。

4 結(jié)論

在短期干旱脅迫條件下, 施加褪黑素主要通過: 一是提高北美紅櫟幼樹體內(nèi)抗氧化物酶的活性, 增強了清除活性氧的能力; 二是提高植物體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)脯氨酸的含量, 增強了水分利用效率; 同時葉片氣孔導(dǎo)度增加, 促進了胞間CO2積累, 從而維持北美紅櫟幼樹在干旱脅迫下有較高的凈光合速率, 增強了其在干旱脅迫條件下的抗旱性。因此在種植北美紅櫟幼樹過程中可以預(yù)先噴施外源褪黑素以提高其抗旱性, 在一定程度上緩解干旱對北美紅櫟幼樹的不利影響。

[1] SAIRAM R K, SRIVASTAVA G C, AGARWAL S, et al. Differences in antioxidant activity in response to salinity stress in tolerant and susceptible wheat genotypes[J]. Biologia Plantarum, 2005, 49(1): 85–91.

[2] FAROOQ M, WAHID A, KOBAYASHI N, et al. Plant drought stress: effects, mechanisms and management[J]. Agronomy for Sustainable Development, 2009, 29(1): 185–212.

[3] LIMA A L S, DAMATTA F M, PINHEIRO H A, et al. Photochemical responses and oxidative stress in two clones of Coffea canephora under water deficit conditions[J]. Environmental & Experimental Botany, 2002, 47(3): 239–247.

[4] 左佳琦, 謝佳恒, 薛宇軒, 等. 褪黑素對緩解植物逆境脅迫作用的研究進展[J]. 基因組學(xué)與應(yīng)用生物學(xué), 2014, (3): 709–715.

[5] CUI Guibin, ZHAO Xiaoxiao, et al. Beneficial effects of melatonin in overcoming drought stress in wheat seedlings[J]. Plant Physiology and Biochemistry, 2017, 118: 138–149.

[6] JI Yanli, WANG Hua, MENG Can, et al. Melatonin alleviates cadmium-induced cellular stress and germ cell apoptosis in testes[J]. Journal of Pineal Research, 2011, 52(1): 71–79.

[7] MCLELLAN T M, GANNON G A, ZAMECNIK J, et al. Low doses of melatonin and diurnal effect on thermoregulation and tolerance to uncompensable heat stress[J]. Journal of Applied Physiology, 1999, 87(1): 308–16.

[8] BAJWA V S, SHUKLA M R, SHERIF S M, et al. Role of melatonin in alleviating cold stress in Arabidopsis thaliana[J]. Journal of Pineal Research, 2014, 56(3): 238–245.

[9] ANWAR M M, MOUSTAFA M A. The effect of melatonin on eye lens of rats exposed to ultraviolet radiation[J]. Comparative Biochemistry & Physiology Part C Toxicology & Pharmacology, 2001, 129(1): 57–63.

[10] ARNAO M B, HERN ?NDEZ-RUIZ J. Protective effect of melatonin against chlorophyll degradation during the senescence of barley leaves[J]. Journal of Pineal Research, 2010, 46(1): 58–63.

[11] ZHANG Na, SUN Qianqian, ZHANG Haijun, et al. Roles of melatonin in abiotic stress resistance in plants[J]. Journal of Experimental Botany, 2015, 66(3): 647–656.

[12] ABDULLAH, ARMAGAN, EFKAN, et al. Effects of melatonin on lipid peroxidation and antioxidant enzymes in streptozotocin-induced diabetic rat testis[J]. Asian Journal of Andrology, 2010, 8(5): 595–600.

[13] ZHU Xiaoxiao, HOU Lijuan, ZHANG Jian, et al. The structural and functional effects of fine particulate matter from cooking oil fumes on rat umbilical cord blood vessels[J]. Environmental Science & Pollution Research, 2016, 23(16): 16567–16578.

[14] HAITAO S, TIANTIAN Y, BAO Z, et al. AtHAP5A modulates freezing stress resistance in Arabidopsis through binding to CCAAT motif of AtXTH21[J]. New Phytologist, 2014, 9(7): 554–567.

[15] 趙世杰, 許長成, 鄒琦, 等. 植物組織中丙二醛測定方法的改進[J]. 植物生理學(xué)報, 1994, (3): 207–210.

[16] BATES L S, WALDREN R P, TEARE I D. Rapid determination of free proline for water-stress studies[J]. Plant & Soil, 1973, 39(1): 205–207.

[17] NIJS I, FERRIS R, BLUM H, et al. Stomatal regulation in a changing climate: a field study using Free Air Temperature Increase (FATI) and Free Air CO2 Enrichment (FACE)[J]. Plant Cell & Environment, 2010, 20(8): 1041–1050.

[18] 陶文文, 蔣文偉, 趙麗娟. 3個釣鐘柳品種葉綠素?zé)晒馓匦员容^[J]. 浙江農(nóng)林大學(xué)學(xué)報, 2011, 28(3): 367–371.

[19] YE Jun, WANG Shiwen, DENG Xiping, et al. Melatonin increased maize (L.) seedling drought tolerance by alleviating drought-induced photosynthetic inhibition and oxidative damage[J]. Acta Physiologiae Plantarum, 2016, 38(2): 48.

[20] 王磊, 胡楠, 張彤, 等. 干旱和復(fù)水對大豆()葉片光合及葉綠素?zé)晒獾挠绊慬J]. 生態(tài)學(xué)報, 2007, 27(9): 3630–3636.

[21] 劉明, 呂愛鋒, 武建軍, 等. 干旱對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)影響研究進展[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報, 2014, 30(32): 165–171.

[22] ZHANG Na, ZHAO Bing, ZHANG Haijun, et al. Melatonin promotes water-stress tolerance, lateral root formation, and seed germination in cucumber (Cucumis sativus L.)[J]. Journal of Pineal Research, 2012, 54(1): 15– 23.

[23] 趙燕, 王東華, 趙曦陽. 植物中褪黑素的研究進展[J]. 西北植物學(xué)報, 2014, 34(1): 196–205.

[24] MARIA S, MASSIMILIANO G. Assessing the poplar photochemical response to high zinc concentrations by image processing and statistical approach[J]. Photosyn-thesis Research, 2014, 122(3): 315–322.

[25] HERPPICH W B, PECKMANN K. Influence of Drought on Mitochondrial Activity, Photosynthesis, Nocturnal Acid Accumulation and Water Relations in the CAM Plants(ME-type) and(PEPCK-type)[J]. Annals of Botany, 2000, 86(3): 611–620.

[26] MART NEZ-CARRASCO R, S NCHEZ-RODRIGUEZ J, P REZ P. Changes in Chlorophyll Fluorescence During the Course of Photoperiod and in Response to Drought in Casuarina equisetifolia Forst. and Forst[J]. Photosynthetica, 2002, 40(3): 363–368.

[27] SOHRABI, HEIDARI, WEISANY, et al. Changes of antioxidative enzymes, lipid peroxidation and chlorophyll content in chickpea types colonized by different Glomus species under drought stress[J]. Symbiosis, 2012, 56(1): 5–18.

[28] HODGES D M, DELONG J M, FORNEY C F, et al. Improving the thiobarbituric acid-reactive-substances assay for estimating lipid peroxidation in plant tissues containing anthocyanin and other interfering compounds[J]. Planta, 1999, 207(4): 604–611.

[29] VERBRUGGEN N, HERMANS C. Proline accumulation in plants: a review[J]. Amino Acids, 2008, 35(4): 753.

Effects of melatonin on photosynthetic performance and antioxidant enzyme system ofseedlings under simulated drought stress

WANG Junfeng1, YU Minfeng2, LI Dongbin2, WU Tingting1, ZHENG Bingsong1, YAN Daoliang1,*

1. College of Forestry and Biotechnology, Zhejiang A & F University, Hangzhou 311300, China 2. Ningbo Forest Farm, Ningbo 315000, China

In order to study the effects of melatonin onseedlings treated under simulated drought with different concentration of polyethylene glycol (PEG), we studied the photosynthetic ability and antioxidant enzyme system in the melatonin treated seedlings. The results showed that under the drought stress simulation, the photosynthesis ofseedlings was inhibited, the redox balance was destroyed and the activity of antioxidant enzymes increased. Spraying melatonin at 100?M before the onset of drought stress can improve the ability ofseedlings to scavenge reactive oxygen species and maintain a higher net photosynthetic rate compared to the non-treated counterpart, indicating the melatonin application could effectively alleviate the damage caused by drought stress to plants.The results provide a reference for the cultivation and management ofseedlings in practice.

melatonin; drought Stress;seedlings; photosynthesis; antioxidant enzyme

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.02.021

Q142

A

1008-8873(2021)02-167-08

2019-09-18;

2019-11-02基金項目:寧波市科學(xué)技術(shù)局市級科技計劃項目（CX-D01-科技富民項目2017C10014）

汪俊峰(1994—), 男, 安徽蕪湖人, 碩士,主要從事植物逆境生理生態(tài)研究, E-mail:343781413@qq.com

閆道良, 男, 博士, 副教授, 主要從事植物逆境生理生態(tài)研究, E-mail: liangsie@zafu.edu.cn

汪俊峰, 余敏芬, 李東賓, 等. 褪黑素對模擬干旱脅迫下北美紅櫟幼樹幼樹光合性能及抗氧化酶系統(tǒng)的影響[J]. 生態(tài)科學(xué), 2021, 40(2): 167–174.

WANG Junfeng, YU Minfeng, LI Dongbin, et al. Effects of melatonin on photosynthetic performance and antioxidant enzyme system ofseedlings under simulated drought stress[J]. Ecological Science, 2021, 40(2): 167–174.