外源褪黑素對(duì)低溫脅迫下玉米幼苗生長(zhǎng)和生理特性的影響

侯雯，杜卓，王麗，李林，張凱，路運(yùn)才

（黑龍江大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150080）

0 引言

玉米（Zea maysL.）祖先起源于熱帶、亞熱帶地區(qū)，為低溫敏感型作物[1]。東北春玉米種植區(qū)常因低溫冷害等氣象因子，造成粉種、爛種，致使田間出苗率偏低，最終使產(chǎn)量大幅減少[2]。因此提高玉米抗低溫能力，實(shí)現(xiàn)減災(zāi)保產(chǎn)具有重要意義。低溫作為一種常見(jiàn)的非生物脅迫因子，是我國(guó)春玉米主產(chǎn)區(qū)主要的氣象災(zāi)害[3-4]，包括冷害和凍害兩種。低溫脅迫會(huì)造成植物體代謝過(guò)程受阻，造成植株萎蔫、生長(zhǎng)緩慢，葉片變黃及植物體內(nèi)水分平衡遭到破壞[5]。在低溫條件下，光能向化學(xué)能轉(zhuǎn)化的過(guò)程受阻，吸收的光能大于轉(zhuǎn)化的化學(xué)能，致使光能過(guò)剩[6]，會(huì)使活性氧增多，同時(shí)低溫也會(huì)使光合作用受阻，主要是對(duì)光反應(yīng)與暗反應(yīng)產(chǎn)生影響[7-8]，葉綠素合成受阻。在低溫條件下，會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞膜透性增大，可溶性糖與蛋白為調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透平衡含量升高[9]。為提高其抗低溫能力，除了選育抗耐低溫脅迫品種，使用外源物質(zhì)也是可行的方法之一。

褪黑素是色氨酸的吲哚衍生物，自1995 年于高等植物中發(fā)現(xiàn)褪黑素，褪黑素在植物方面的研究就大量開(kāi)展[10]，它能夠促進(jìn)植物生長(zhǎng)代謝，加快萌發(fā)，調(diào)節(jié)光周期，調(diào)節(jié)產(chǎn)量，具有增產(chǎn)、延緩遲葉片衰老等功能[11-12]。褪黑素在植物抵御干旱、高溫、寒害、鹽漬、氧化脅迫、重金屬等逆境脅迫中發(fā)揮重要的作用[10]。在玉米上，對(duì)褪黑素在耐熱性[13]、干旱脅迫[14-15]、耐鹽性[16-17]、抗氧化活性[18-19]及種子萌發(fā)與幼苗生長(zhǎng)的物質(zhì)代謝作用[20-21]進(jìn)行了相關(guān)研究。但對(duì)低溫脅迫的研究較少[19]。本研究設(shè)置不同濃度褪黑素噴施玉米幼苗葉片，旨在探討外源褪黑素對(duì)低溫脅迫下玉米幼苗的影響，為玉米抗逆減災(zāi)提供依據(jù)和途徑。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料玉米種子為‘鄭單958’。褪黑素試劑購(gòu)自Macklin公司（CAS號(hào)：73-31-4）。

1.2 試驗(yàn)處理

供試材料在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行盆栽種植，在玉米幼苗生長(zhǎng)至三葉一心，設(shè)置葉面噴施褪黑素4個(gè)處理水平，以葉面噴施清水作為對(duì)照組（CK），3次重復(fù)。其中褪黑素濃度為10、50、100、500μmol/L，分別以M1、M2、M3、M4表示，連續(xù)噴施3 d 后放入人工氣候培養(yǎng)箱中進(jìn)行低溫脅迫培養(yǎng)，設(shè)置溫度為10℃，一級(jí)光照處理9 h，黑暗條件處理15 h，培養(yǎng)3 d、5 d、7 d后分別取相應(yīng)植株進(jìn)行測(cè)定。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1 相對(duì)含水量

玉米幼苗在低溫條件下培養(yǎng)0 d、3 d、5 d、7 d后，各處理分別選取3株均勻一致的植株，用直尺測(cè)量玉米幼苗植株基部至頂部為株高（cm）；剪下3 株幼苗葉片用水沖洗干凈后，用濾紙擦干水分，使用分析天平稱其葉片鮮重，然后將葉片放入鼓風(fēng)干燥箱中，80℃烘至恒重，稱量干重，計(jì)算葉片相對(duì)含水量（%）。

1.3.2 生化指標(biāo)

⑴葉綠素值（SPAD）測(cè)定：低溫培養(yǎng)0 d、3 d、5 d、7 d 后，取玉米幼苗植株3 株，使用手持葉綠素儀測(cè)定SPAD 值，重復(fù)3 次。⑵過(guò)氧化物酶活性測(cè)定：本試驗(yàn)過(guò)氧化物酶活性的測(cè)定參照趙平[22]的方法并加以改進(jìn)進(jìn)行。⑶可溶性糖含量測(cè)定：在低溫條件下培養(yǎng)0 d、3 d、5 d、7 d 后，取玉米幼苗葉片，采用蒽酮比色法測(cè)定可溶性糖含量[23]，重復(fù)3次。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)整理并畫(huà)圖，方差分析用SPSS 17.0進(jìn)行差異顯著性分析（P＜0.05）；本試驗(yàn)中圖與表中的數(shù)據(jù)分析，均為3次重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源褪黑素對(duì)低溫脅迫下玉米幼苗生長(zhǎng)特性的影響

如表1 所示，對(duì)照組（CK）與其他處理組相比，單獨(dú)進(jìn)行低溫脅迫處理的玉米幼苗生長(zhǎng)明顯受到抑制，葉面噴施不同濃度褪黑素則有效緩解了玉米幼苗受到的損傷。葉面噴施褪黑素3 d 后低溫處理0 d，各組處理玉米幼苗株高無(wú)顯著差異；低溫脅迫處理不同天數(shù)，CK 與M1、M2、M3、M4 處理均存在顯著差異。低溫脅迫處理3 d 后，M1、M2、M3、M4 處理比對(duì)照組(CK)分別增加了9.11%、6.21%、17.49%、15.01%，M1 與M2、M3 與M4處理之間差異不顯著，其它處理之間差異顯著；低溫脅迫處理5 d后，M1、M2、M3、M4處理比對(duì)照組(CK)分別增加了9.43%、17.34%、21.50%、15.21%，M2與M4處理差異不顯著，其它處理之間差異顯著。低溫脅迫處理7 d 后，M1、M2、M3、M4 處理比對(duì)照組(CK)分別增加了3.84%、13.66%、13.94%、9.54%，M2 與M3處理差異不顯著，其它處理之間差異顯著。

表1 外源褪黑素對(duì)低溫脅迫下玉米幼苗株高的影響Table 1 Effects of exogenous melatonin on plant height of maize seedlings under cold stress

表2 外源褪黑素對(duì)低溫脅迫下玉米幼苗葉片含水量的影響Table 2 Effects of exogenous melatonin on leaf water content of maize seedlings under cold stress

如表2 所示，經(jīng)過(guò)不同天數(shù)的低溫脅迫，葉片相對(duì)含水量隨著低溫脅迫天數(shù)的增加，總體呈緩慢下降趨勢(shì)，但不同處理組玉米幼苗葉片相對(duì)含水量之間并無(wú)明顯差異，在低溫脅迫0 d、3 d、5 d 后，相對(duì)含水量差異不顯著，低溫脅迫7 d后，M2處理與對(duì)照間差異顯著，對(duì)照組與M1、M3、M4處理間無(wú)顯著差異。

2.2 外源褪黑素對(duì)低溫脅迫下玉米幼苗葉綠素SPAD值的影響

如圖1所示，玉米幼苗葉綠素SPAD 值，隨著低溫脅迫天數(shù)的增加，總體呈下降趨勢(shì)。在低溫脅迫3 d后，M1 和M4 處理與對(duì)照組差異不顯著，M2 和M3 與對(duì)照組相比SPAD 值分別增加了16.60%、9.94%，與對(duì)照組相比，差異顯著。在低溫脅迫5 d 后，M1 與M4 處理差異顯著，M1 處理比M4 處理增加了9.02%，對(duì)照組與M1、M2、M3 處理差異不顯著。在低溫脅迫7 d 后SPAD 值總體呈下降趨勢(shì)，M1、M2、M3 和M4 處理無(wú)顯著差異，與對(duì)照組(CK)相比差異顯著。

圖1 外源褪黑素對(duì)不同天數(shù)低溫脅迫下玉米幼苗葉綠素SPAD值的影響Fig.1 Effects of exogenous melatonin on chlorophyll SPAD of maize seedlings under different days of low temperature stress

2.3 外源褪黑素對(duì)低溫脅迫下玉米幼苗過(guò)氧化物酶活性的影響

如圖2 所示，隨著低溫脅迫天數(shù)的增加過(guò)氧化物酶活性持續(xù)升高。在低溫脅迫0 d 后，M1、M3 與對(duì)照組（CK）之間無(wú)顯著差異，與M2、M4差異顯著。在低溫脅迫3 d后，M1、M2、M3、M4和對(duì)照組過(guò)氧化物酶活性差異顯著，分別比對(duì)照組增加了32.54%、32.54%、65.87%、42.85%。在低溫脅迫5 d 后，M1、M2 和對(duì)照組差異顯著，分別升高了23.63%、13.50%，M4相比對(duì)照組也升高了8.86%。在低溫脅迫7 d后，M3與對(duì)照組間存在顯著差異，升高了10.44%，M1、M2與對(duì)照組對(duì)比分別增加了4.67%、0.55%，但并無(wú)顯著差異。

圖2 外源褪黑素對(duì)不同天數(shù)低溫脅迫下玉米幼苗過(guò)氧化物酶活性的影響Fig.2 Effects of melatonin on peroxidase activity of maize seedlings under different days of low temperature stress

2.4 外源褪黑素對(duì)低溫脅迫下玉米幼苗可溶性糖含量的影響

如圖3所示，隨著低溫脅迫天數(shù)不斷增加，玉米幼苗各處理的可溶性糖含量總體呈上升的趨勢(shì)。當(dāng)?shù)蜏孛{迫3 d后，M3處理的可溶性糖含量比對(duì)照組(CK)下降了5.46%，但并無(wú)顯著差異。當(dāng)?shù)蜏孛{迫5 d后，M3處理的可溶性糖含量比對(duì)照組（CK）下降了9.90%，二者之間差異顯著，M1 處理與其它4 組處理有顯著差異。在低溫脅迫7 d 后，5 個(gè)處理組，可溶性糖含量明顯增加，對(duì)照組（CK）可溶性糖含量高于其它4 組處理，與其它4組處理有顯著差異。

圖3 外源褪黑素對(duì)不同天數(shù)低溫脅迫下玉米幼苗可溶性糖的影響Fig.3 Effects of exogenous melatonin on soluble sugar of maize seedlings under different days of low temperature stress

3 討論

植物在生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)受到各種各樣的環(huán)境脅迫，如高溫、干旱、低溫、澇漬等，低溫脅迫會(huì)影響其生長(zhǎng)代謝，使植物受到傷害，導(dǎo)致植物的正常生長(zhǎng)受到抑制[2]。本研究結(jié)果表明，玉米的株高隨著低溫脅迫天數(shù)的增加，噴施褪黑素處理組成緩慢上升趨勢(shì)，進(jìn)行褪黑素處理有效地緩解了低溫對(duì)玉米幼苗生長(zhǎng)的抑制作用，這與吳雪霞等[24]研究褪黑素對(duì)低溫下茄子生長(zhǎng)的結(jié)果和高青海等[25]在低溫弱光下研究褪黑素對(duì)黃瓜幼苗生長(zhǎng)的結(jié)果一致。低溫脅迫會(huì)影響光合作用葉綠素合成減少，造成葉片黃化，在本試驗(yàn)中，葉片SPAD 值也呈逐漸升高趨勢(shì)，說(shuō)明褪黑素提高了葉綠素的合成，而葉綠素在光合作用中發(fā)揮著重要的作用，因此葉面噴施褪黑素改善了低溫下光合作用受損情況，提高了光反應(yīng)與暗反應(yīng)效率，試驗(yàn)結(jié)果與徐向東等[26]在高溫脅迫下施加褪黑素探究黃瓜光合作用的結(jié)果一致。

過(guò)氧化物酶是代謝過(guò)程中必不可少的參與者，過(guò)氧化物酶能夠清除活性氧，減少膜損傷。本試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著低溫脅迫天數(shù)的增加，過(guò)氧化物酶活性持續(xù)上升，且葉面噴施褪黑素處理組的過(guò)氧化物酶活性明顯高于對(duì)照組，與丁飛[27]在研究褪黑素緩解低溫對(duì)番茄的影響的結(jié)果一致，與張娜[28]在研究褪黑素緩解滲透脅迫下黃瓜幼苗過(guò)氧化物酶的研究結(jié)論一致。在遭遇低溫時(shí)，植物體內(nèi)可溶性糖含量升高，維持滲透勢(shì)穩(wěn)定進(jìn)而維持水分平衡，本研究中，隨著低溫脅迫天數(shù)的增加，可溶性糖含量不斷上升，低溫脅迫3 d、5 d 后可溶性糖上升緩慢，低溫脅迫7 d后可溶性糖含量上升加快。劉洋[29]在研究褪黑素對(duì)鹽脅迫下菊花的生理特性的影響有類似結(jié)論。

4 結(jié)論

綜上所述，葉面噴施外源褪黑素提高了低溫脅迫下玉米幼苗SPAD 值，葉綠素含量升高，提高了植株的光合效率，同時(shí)也緩解了低溫脅迫對(duì)幼苗生長(zhǎng)的損傷；通過(guò)提高過(guò)氧化物酶活性，增強(qiáng)了植株抗氧化能力，從而延緩了葉片衰老萎蔫，有利于玉米的生長(zhǎng)。綜上可知，葉面噴施外源褪黑素有利于緩解低溫脅迫對(duì)玉米生長(zhǎng)的影響，在一定程度上起到了減災(zāi)防災(zāi)的作用。