外源褪黑素對硝酸鹽脅迫下番茄幼苗生長及滲透調節物質的影響

徐寧 孫曉慧 曹娜 王闖 李光亞 薛淼云

摘? ? 要：為了探討外源褪黑素調控番茄幼苗滲透調節物質抵御硝酸鹽脅迫的生理機制，選用主栽番茄品種‘紅粉冠軍為試驗材料，采用灌根法研究不同濃度外源褪黑素對硝酸鹽脅迫下番茄幼苗生長和葉片H2O2含量、O2-產生速率、滲透調節物質含量的影響。結果表明，75 mmol·L-1硝酸鹽處理的番茄幼苗株高、莖粗、根長及幼苗地上部、地下部生物量均低于對照，脅迫處理下番茄幼苗葉片H2O2含量和O2-產生速率一直比對照高，50、100、150 μmol·L-1外源褪黑素降低了H2O2含量和O2-產生速率，顯著緩解番茄幼苗膜脂過氧化，加速了番茄幼苗的生長。外源褪黑素處理的番茄幼苗葉片中脯氨酸、游離氨基酸、可溶性蛋白和可溶性糖含量顯著提高，番茄幼苗滲透調節能力提升。綜合分析表明，外源褪黑素提高了番茄幼苗葉片中滲透調節物質含量，有效緩解了硝酸鹽對番茄幼苗細胞質膜的傷害，提升了番茄幼苗對硝酸鹽脅迫的抗性，100 μmol·L-1外源褪黑素處理效果最顯著。

關鍵詞：番茄;褪黑素;硝酸鹽脅迫;滲透調節物質

中圖分類號：S641.2 文獻標志碼：A 文章編號：1673-2871（2020）09-023-05

Absract： In order to explore the physiological mechanism of exogenous melatonin regulate osmotic adjustment substance on alleviating nitrate stress in tomato seedlings， the main tomato variety ‘Hongfen Champion was used as the test material， the effects of different concentrations of exogenous melatonin on the tomato seedling growth and tomato seedling leaf H2O2 content， O2- production rate， osmotic adjustment substance content under nitrate stress through irrigation root method. The results showed that the plant height， stem diameter， root length， shoot biomass and root biomass of tomato seedlings were all lower than the control under the stress of 75 mmol·L-1 nitrate. The H2O2 content and O2- production rate in tomato seedling leaves under stress were higher than that of control. The 50， 100 and 150 μmol·L-1 exogenous melatonin reduced the H2O2 content and O2- production rate， significantly alleviated the membrane lipid peroxidation of tomato seedlings and accelerated the growth of tomato seedlings. The content of soluble sugar， soluble protein， proline and free amino acid in tomato leaves can be significantly increased by exogenous melatonin， and the osmotic regulation ability of tomato seedlings can be effectively enhanced. According to the comprehensive analysis， the addition of exogenous melatonin increased the content of osmotic regulatory substances in tomato seedling leaves， effectively alleviated the damage of nitrate to the cytoplasmic membrane of tomato seedlings， and improved the resistance of tomato seedlings to nitrate stress， the effect of exogenous melatonin at 100 μmol·L-1 was the most significant.

Key words： Tomato; Melatonin; Nitrate stress; Osmotic adjustment substance

番茄（Lylopersicon esculentum）是溫室主栽蔬菜種類之一，果品營養豐富且口感佳，種植面積和產量居世界首位[1]。番茄種植過程中，在高溫高濕且缺少自然雨水淋溶的溫室環境中，單一性大量化肥施入及連作種植模式等原因易引起耕層土壤次生鹽漬化，嚴重制約其生長發育[2]。番茄次生鹽漬化耕層土壤中，NO3-占陰離子總量的67%～76%[3]。硝酸鹽的累積，破壞土壤理化及養分環境平衡，根際土壤微生物種群結構失調[4]，番茄植株活性氧傷害累積，損傷細胞結構及代謝，打破常規光合速率，番茄產量及果品質量受到嚴重影響[5-7]。

褪黑素（N-乙酰基-5-甲氧基色胺，Melatonin，MT）是色氨酸吲哚類衍生物，為新型植物生長調節劑[8-9]，近幾年作為新型激素研究備受關注。前期研究表明，外源褪黑素可激活低溫弱光、高溫、硝酸鹽等多種非生物脅迫下黃瓜幼苗的抗氧化系統[10-13]，促進黃瓜生長發育，進而提高產量。外源褪黑素也可以緩解番茄低溫[9，14]、干旱[9，15]、中性鹽[16]、堿性鹽[17]、鎘[18]等非生物脅迫。筆者前期研究表明，硝酸鹽脅迫下，外源褪黑素處理可有效激活番茄幼苗抗氧化系統，提高其抗性[19]。園藝植物葉片滲透物質調節是其適應次生鹽漬化脅迫的重要機制之一[20]。筆者采用番茄試材，在硝酸鹽脅迫下，利用不同濃度外源褪黑素溶液進行灌根處理，檢測番茄生長發育指標及葉片滲透調節物質含量等，探討外源褪黑素調控滲透調節物質、抵御硝酸鹽脅迫的生理機制，為外源褪黑素在設施番茄生產中的應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗于2019年在聊城職業技術學院日光溫室試驗基地內進行。供試品種為魯西北地區番茄主栽品種‘紅粉冠軍，褪黑素（Melatonin，MT）購自Sigma公司。

1.2 試驗處理和設計

試驗選取健康狀況一致的番茄主栽品種‘紅粉冠軍，常規方法浸種、催芽，選飽滿且大小一致的種子播于裝有專用基質（V椰糠∶V菇渣∶V珍珠巖=2∶2∶1）的穴盤中。試驗處理設置如表1。NO3-脅迫濃度在預備試驗中確定，對照處理（CK）灌根等量去離子水。試驗中NO3-由Ca（NO3）2·4H2O 和 KNO3提供，各占50%。每處理120株，3次重復，完全隨機區組排列。

幼苗長至3葉1心時，選用不同濃度MT溶液，17：00對番茄幼苗進行灌根處理，2 d澆灌1次，每穴10 mL，處理4次。最后一次MT處理后第2天17：00進行硝酸鹽灌根處理，4 d 后再處理1次，每穴10 mL。最后一次硝酸鹽處理后，0、2、4、6、8 d分別取生長點下第3片葉，用于葉片H2O2含量和O2-產生速率測定;0、4、8 d分別取生長點下第4片葉，用于葉片滲透調節物質含量測定。15 d后取出番茄幼苗，測量其生長指標。

1.3 測定項目和方法

番茄株高和根長采用直尺測量，株高為根莖結合部到植株生長點的距離（cm），根長為番茄主根長度（cm）;莖粗采用游標卡尺測量，莖粗為高于基質面1 cm處的莖部粗度（cm）;植株干鮮質量采用電子天平稱量，將整個植株用去離子水清洗干凈，吸水紙拭干，從根莖結合部將地上部和地下部分開，電子天平稱其鮮質量（g），然后置于105 ℃殺青15 min后，于75 ℃烘干至恒重，稱其干質量（g）。

H2O2含量采用TiCl4沉淀法[21]測定;O2-產生速率參照Tian等[22]的方法測定;可溶性糖含量采用蒽酮比色方法測定;可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍G-250方法測定;脯氨酸、游離氨基酸含量采用茚三酮比色方法測定[23]。

1.4 數據分析

采用Duncan新復極差法進行差異顯著性檢驗，利用Excel 2003和DPS軟件對數據進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 外源褪黑素處理對硝酸鹽脅迫下番茄幼苗生長的影響

由表2可以看出，硝酸鹽脅迫處理（T1～T4）下番茄幼苗的株高、莖粗和根長均低于對照，硝酸鹽脅迫抑制了番茄幼苗生長。外源褪黑素處理（T2～T4）的番茄幼苗生長指標均高于單一硝酸鹽脅迫處理（T1）的幼苗，外源褪黑素顯著緩解硝酸鹽脅迫，加速番茄幼苗的生長。T1處理的株高、莖粗和根長比對照分別低17.07%、20.00%和16.89%，顯著抑制幼苗生長;T3處理的株高、莖粗和根長比T1高19.66%、20.45%和14.84%，100 μmol·L-1外源褪黑素處理緩解作用最顯著。

由圖1可以看出，硝酸鹽脅迫抑制番茄幼苗的生長，地上部及地下部的干鮮質量均顯著低于對照。外源褪黑素處理可顯著緩解硝酸鹽脅迫下番茄的生長，其中100 μmol·L-1外源褪黑素處理緩解作用最顯著，50和150 μmol·L-1外源褪黑素處理緩解作用其次，T2和T4處理之間差異不顯著。

2.2 外源褪黑素處理對硝酸鹽脅迫下番茄幼苗葉片中H2O2含量和O2-產生速率的影響

由圖2可以看出，隨著硝酸鹽脅迫時間的延長，番茄幼苗葉片H2O2含量持續上升，O2·-產生速率呈先增高后降低的趨勢。硝酸鹽脅迫處理葉片H2O2含量和O2-產生速率一直比對照高，番茄幼苗膜脂過氧化作用嚴重。外源褪黑素降低了H2O2含量和O2-產生速率，顯著緩解番茄幼苗膜脂過氧化。脅迫處理8 d，硝酸鹽脅迫處理T1番茄葉片H2O2含量和O2-產生速率比對照高195.43%和81.42%，50、100、150 μmol·L-1外源褪黑素處理番茄幼苗葉片H2O2含量和O2-產生速率比T1分別低13.98%、30.73%、15.72%和26.09%、35.90%、32.68%。外源褪黑素處理緩解了番茄幼苗葉片H2O2含量和O2-產生速率的上升趨勢，100 μmol·L-1外源褪黑素處理最顯著。

2.3 外源褪黑素處理對硝酸鹽脅迫下番茄幼苗葉片中滲透調節物質的影響

由圖3可以看出，硝酸鹽脅迫0 d，5個處理的脯氨酸和游離氨基酸含量差異不顯著;脅迫處理8 d，對照處理的脯氨酸和游離氨基酸相對脅迫0 d時變化較小，硝酸鹽脅迫處理（T1～T4）的脯氨酸和游離氨基酸含量上升，這表明硝酸鹽脅迫刺激番茄幼苗葉片滲透調節物質釋放。試驗處理中，添加外源褪黑素處理的葉片脯氨酸和游離氨基酸含量顯著高于T1，其中100 μmol·L-1外源褪黑素處理效果顯著。

由圖4可知，硝酸鹽脅迫8 d，對照處理的葉片可溶性糖和可溶性蛋白含量相對脅迫0 d時變化較小，硝酸鹽脅迫處理的上述2個指標上升，均高于對照。外源褪黑素處理試驗，番茄幼苗葉片中可溶性糖、可溶性蛋白含量均顯著高于T1。脅迫處理8 d，50、100、150 μmol·L-1外源褪黑素處理的番茄幼苗葉片可溶性糖和可溶性蛋白含量比T1分別高3.05%、14.50%、-0.76%和8.45%、19.64%、6.11%，可見100 μmol·L-1 褪黑素處理效果最顯著，50 μmol·L-1次之。

3 討論與結論

硝酸鹽累積是影響設施番茄可持續發展的重要環境因子之一。土壤中累積的硝酸鹽對番茄植物體細胞膜完整性、滲透調節物質平衡均具有顯著影響[24]。細胞膜結構被破壞，導致植物體電解質滲透率提高，細胞膜穩定指數越來越低，活性氧代謝加強，H2O2含量積累和O2-產生速率提升[25-26]。試驗結果表明，硝酸鹽脅迫處理下番茄幼苗的株高、莖粗、根長、地上部及地下部生物量均低于對照，脅迫處理下番茄幼苗葉片H2O2含量和O2-產生速率一直比對照高，硝酸鹽脅迫處理番茄幼苗膜脂過氧化嚴重，顯著抑制番茄幼苗的生長發育，這與何明明等[27]、陳珣等[28]在番茄上的研究結果一致。硝酸鹽積累還導致小白菜[25]、黃瓜[29]、櫻桃番茄[30]等作物膜脂過氧化，引起園藝植物葉片中H2O2和O2-含量的增加，各種作物生長受到抑制。外源褪黑素作為一種新型植物生長調節劑，抗氧化能力是維生素E和谷胱甘肽的2～4倍，甘露醇的14倍[11]。大量研究表明，外源褪黑素可直接清除·OH和H2O2[31-32]，緩解O2-產生速率，顯著抑制番茄幼苗膜脂過氧化，加速番茄幼苗的生長發育。

設施番茄次生鹽漬化脅迫時，為維持水分平衡、調節細胞內滲透勢，植物細胞內會積累可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸等滲透調節物質[27-28]。硝酸鹽脅迫處理下，黃瓜[29]、櫻桃番茄[30]葉片可溶性糖、脯氨酸含量顯著增加，這與本研究結果一致。滲透調節是園藝植物適應設施次生鹽漬化環境動態變化的重要機制之一，硝酸鹽作為主體次生鹽漬化陰離子，大量累積會脅迫設施園藝植物合成并積累一些有機小分子物質，以提升植物自身滲透調節能力，保證植物細胞正常生理功能運轉[33]。

硝酸鹽脅迫處理下，番茄幼苗葉片中可溶性糖、可溶性蛋白以及脯氨酸、游離氨基酸含量顯著增加，以緩解硝酸鹽累積脅迫。褪黑素親水性顯著，進入細胞過程通暢，添加外源褪黑素處理可進一步顯著提高番茄葉片中滲透調節物質含量，其吸附在細胞膜上維持細胞膜結構與功能的穩定，進一步提高了葉片中滲透調節物質的運輸能力[34]，也有效增強了番茄幼苗的滲透調節能力。

綜上分析表明，硝酸鹽脅迫下，番茄幼苗灌根添加外源褪黑素，提高了番茄幼苗葉片中滲透調節物質含量，緩解了硝酸鹽對番茄幼苗細胞質膜的傷害，增強了番茄幼苗對硝酸鹽脅迫的抗性。在本試驗條件下，外源添加100 μmol·L-1褪黑素緩解番茄幼苗受硝酸鹽脅迫的效果最好。

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