外源褪黑素對黃瓜幼苗生長特性的影響

劉婷婷，翟錫姣，衛(wèi)旭陽，邢國明，鄭少文

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，山西太谷030801）

褪黑素（melatonin，MT）是生物體內(nèi)常見的一種色氨酸衍生物質(zhì)，又稱為美拉酮寧、抑黑素、松果腺素，化學(xué)名稱為N- 乙酰基-5- 甲氧基色胺，最早是LERNER 等[1]從動物松果體中提取得到，到1995 年有研究人員從植物中提取出褪黑素，之后ARNAO等[2]開始進(jìn)一步研究植物體內(nèi)褪黑素的功能。ZHANG等[3]的研究發(fā)現(xiàn)，褪黑素處理能夠緩解滲透脅迫下黃瓜的胚根發(fā)育和根系活力受到的影響。王偉香等[4]研究結(jié)果表明，在硝酸鹽脅迫的環(huán)境下，黃瓜幼苗體內(nèi)會積累過量的O2-和H2O2，導(dǎo)致植物的細(xì)胞膜發(fā)生過氧化現(xiàn)象，從而使其O2-和MDA 的含量增加，黃瓜幼苗的過氧化物酶活性升高，并且隨著鹽脅迫時(shí)間的延長，黃瓜幼苗的酶活性會受到影響而呈現(xiàn)顯著下降的趨勢；但在經(jīng)過外源褪黑素處理之后，黃瓜幼苗過氧化作用受到不同程度的緩解。褪黑素作為植物體內(nèi)一種有效的自由基清除劑，可以有效緩解植物體遭受的非生物脅迫傷害。褪黑素還可以促進(jìn)植物生根和植物生長。MURCH 等[5]運(yùn)用組織培養(yǎng)的方式進(jìn)行了探索，發(fā)現(xiàn)改變植物組織內(nèi)褪黑素濃度會影響根的發(fā)育。

黃瓜（Cucumis sativusL.）是一種世界性蔬菜，在我國的栽培歷史悠久，因其風(fēng)味獨(dú)特而深受消費(fèi)者歡迎，其食用方法很多，并且具有多種食補(bǔ)功效。但在黃瓜的栽培生產(chǎn)中仍存在很多問題，其中，育苗期間幼苗對環(huán)境的適應(yīng)能力將會影響到黃瓜幼苗的生長。

本試驗(yàn)以生產(chǎn)中常用的密刺型黃瓜為研究材料，通過測定不同濃度褪黑素處理下，不同生長階段黃瓜幼苗的生長指標(biāo)以及抗氧化酶活性、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量和光合色素含量等相關(guān)指標(biāo)的變化，旨在為探索外源褪黑素對黃瓜幼苗生長的影響提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2019—2020 年在太谷縣山西農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院園藝站的溫室中進(jìn)行。該試驗(yàn)地屬于華北地區(qū)，溫帶大陸性氣候，春季溫度高于秋季，夏季炎熱，冬季嚴(yán)寒，日光溫室冬季的光照時(shí)間為8 h 左右。

1.2 試驗(yàn)材料

供試黃瓜品種為新泰密刺，購于山東省泰安市祥云種業(yè)有限公司。試驗(yàn)所用褪黑素購于北京索萊寶科技有限公司。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用溫湯浸種的方式處理黃瓜種子，處理后播在5×10 孔的穴盤中進(jìn)行育苗；待黃瓜幼苗長出2 片子葉時(shí)，挑選長勢一致的幼苗分成5 組，進(jìn)行褪黑素噴施處理。褪黑素噴施濃度分別為：0（M0）、50（M1）、100（M2）、150（M3）、200 μmol/L（M4），以0 mol/L 為對照。將不同濃度的褪黑素溶液噴施在黃瓜幼苗葉的正反兩面，每隔2 d 噴施一次，處理時(shí)間為20：30 左右（暗環(huán)境），每個(gè)處理濃度設(shè)置10 個(gè)重復(fù)。至幼苗長至兩葉一心時(shí)，將幼苗移栽至小花盆（10 cm×10 cm）中定植，定植后采用褪黑素處理幼苗的方法同上。分別于移栽后的第7、10、15、20 天測定樣本的相關(guān)生長指標(biāo)，20 d 后取黃瓜幼苗同一葉位的功能葉測定其相關(guān)生理指標(biāo)。

1.4 測定指標(biāo)及方法

采用直尺測定黃瓜幼苗的株高（生長點(diǎn)至莖基部）、葉長、葉寬，采用游標(biāo)卡尺測定黃瓜幼苗的莖粗；用稱重法測定黃瓜幼苗的干鮮質(zhì)量。

取植株從上往下數(shù)的第3～5 節(jié)葉位的葉片，采用文獻(xiàn)[6]的方法測定植株葉綠素含量。使用便攜式手持熒光儀測定黃瓜幼苗的熒光參數(shù)。

超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮藍(lán)四唑法測定；過氧化物酶（POD）活性采用愈創(chuàng)木酚顯色法測定；過氧化氫酶（CAT）活性采用紫外吸收法[7]測定；超氧陰離子含量采用羥胺氧化方法測定。

可溶性糖含量采用硫酸- 苯酚法測定；可溶性蛋白含量采用G-250（考馬斯亮藍(lán)）法[8]測定；脯氨酸含量采用磺基水楊酸法測定。總多酚含量采用Folin 法[9]測定；總黃酮含量采用超聲波提取法（參照董江濤等[10]的方法并進(jìn)行改良）測定。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用GraPhad Pism 軟件處理數(shù)據(jù)，采用SAS 9.0 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源褪黑素對黃瓜幼苗生長特性的影響

由圖1 可知，于褪黑素處理黃瓜幼苗后的第7、10、15、20 天分別測量了幼苗的株高、莖粗、葉長、葉寬等生長指標(biāo)，結(jié)果表明，在處理的第15～20 天時(shí)，幼苗的株高增長最明顯，并且處理M2 的黃瓜幼苗株高的漲幅明顯高于處理M1、M3、M4，同時(shí)顯著高于對照黃瓜幼苗的株高。不同處理下黃瓜幼苗的莖粗、葉長和葉寬的變化趨勢較為一致，并且處理M2 黃瓜幼苗的莖粗、葉長和葉寬均高于對照，但差異不顯著；處理M1、M3 和M4 與對照之間差異也均不顯著。

2.2 外源褪黑素對黃瓜幼苗抗逆物質(zhì)的影響

由圖2 可知，不同濃度外源褪黑素處理黃瓜幼苗葉片后，其SOD 活性間差異顯著；當(dāng)外源褪黑素濃度為 100 μmol/L（M2）時(shí)，其 SOD 活性較對照高6%，且差異顯著；處理M3 和M4 的SOD 活性分別較對照提高1.6%和0.3%，處理M1 的SOD 活性較對照低0.8%，但差異均不顯著。不同濃度外源褪黑素處理下，黃瓜幼苗葉片的POD 活性變化趨勢與其SOD 活性的變化趨勢相似，當(dāng)外源褪黑素濃度為50、100 μmol/L時(shí)，處理組黃瓜幼苗葉片的 POD 活性較對照分別高8.1%和8.4%，且差異顯著；當(dāng)外源褪黑素濃度為150、200 μmol/L時(shí)，其POD 活性較對照分別高0.6%和2.1%，差異不顯著。

由圖2 可知，不同濃度外源褪黑素處理后，對照的黃瓜幼苗葉片的CAT 活性分別較處理M1、M3和M4 高6.0%、21.7%和19.5%，并且處理 M3 和M4 與對照之間差異顯著，處理M1 與對照之間差異不顯著；處理M2 的黃瓜幼苗葉片的CAT 活性較對照高5.6%，但差異不顯著。不同濃度外源褪黑素處理后，處理 M1、M2、M3 和 M4 的黃瓜幼苗葉片的超氧陰離子含量分別較對照低21.2%、31.0%、27.8%和9.4%，并且差異均達(dá)顯著水平；褪黑素處理濃度為100 μmol/L 時(shí)，黃瓜幼苗葉片中超氧陰離子含量達(dá)到最低水平，為2.92 μg/g。

2.3 外源褪黑素對黃瓜幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

由圖3 可知，在不同濃度外源褪黑素處理下，黃瓜幼苗的可溶性蛋白含量間差異達(dá)顯著水平；在濃度為100 μmol/L 的外源褪黑素處理下，黃瓜幼苗的可溶性蛋白含量較對照高32.6%，較處理M1、M3和M4 分別高19.8%、9.7%和18.8%，且差異均達(dá)顯著水平。

由圖3 可知，不同濃度外源褪黑素處理下，黃瓜幼苗的可溶性糖含量的變化趨勢與可溶性蛋白含量的變化趨勢一致，差異達(dá)到顯著水平；褪黑素處理濃度為100 μmol/L 時(shí)，黃瓜幼苗的可溶性糖含量較對照高22.6%，差異顯著；并且處理M2 的黃瓜幼苗可溶性糖含量分別較處理M1 和M4 高13.8%和15.7%，差異達(dá)到顯著水平；處理M2 較處理M3的黃瓜幼苗可溶性糖含量高4.3%，但差異不顯著。

脯氨酸是一種對植物滲透脅迫起到保護(hù)作用的物質(zhì)。從圖3 可以看出，褪黑素處理濃度為100 μmol/L 時(shí)，處理的黃瓜幼苗脯氨酸含量較對照高2.6%，但差異不顯著；當(dāng)處理組褪黑素濃度為50、150、200 μmol/L 時(shí)，黃瓜幼苗的脯氨酸含量分別較對照低5.4%、10.9%和11.2%，且差異顯著。結(jié)果表明，當(dāng)外源褪黑素處理濃度為100 μmol/L 時(shí)，處理效果較好。

2.4 外源褪黑素對黃瓜幼苗光合色素含量與熒光參數(shù)的影響

由表1 可知，黃瓜幼苗葉片在不同的外源褪黑素處理20 d 后，當(dāng)外源褪黑素濃度為100 μmol/L時(shí)，黃瓜幼苗葉片的葉綠素a 含量較對照高1%，差異不顯著；當(dāng)外源褪黑素濃度為50、150、200 μmol/L時(shí)，其葉綠素a 含量分別較對照低21%、14%和7%，處理M1 和M3 的黃瓜幼苗葉綠素a 含量與對照間差異顯著。

表1 不同褪黑素處理下黃瓜幼苗葉綠素含量的變化 mg/g

葉綠素b 含量的變化趨勢與葉綠素a 趨于一致；外源褪黑素處理M1、M2、M3 和M4 的葉綠素b含量分別較對照低28%、4%、14%和20%；外源褪黑素處理M2 和M3 與對照之間差異不顯著；處理M1 和M4 的葉綠素b 含量均顯著低于對照。

外源褪黑素處理的黃瓜幼苗類胡蘿卜素含量均顯著低于對照，而且褪黑素處理M1、M2、M3 和M4 的類胡蘿卜素含量分別較對照低28%、12%、24%和15%，且差異均達(dá)到顯著水平；褪黑素處理M2 和M4 之間差異不顯著。黃瓜幼苗葉綠素總含量與葉綠素b 含量的變化趨勢一致，當(dāng)外源褪黑素處理濃度為 100 μmol/L（M2）時(shí)，與對照間差異不顯著；并且處理M2 的葉綠素總含量分別較處理M1、M3和M4 高23%、15%和10%，差異均達(dá)到顯著水平。

由圖4 可知，在不同濃度外源褪黑素處理下，黃瓜幼苗的PSⅡ最大光化學(xué)效率值均在0.8 左右，處理M2 較對照高0.001，處理M1、M3 和M4 分別較對照低0.007 5、0.006 6 和0.050 9，差異均不顯著。在不同濃度外源褪黑素處理下，處理M2 黃瓜幼苗的電子傳遞量子產(chǎn)率值較對照高5.02%，較處理M1 和M3 分別高3.7%和5.7%，差異不顯著；較處理M4 高9.9%，差異顯著。

2.5 外源褪黑素對黃瓜幼苗總黃酮和總多酚含量的影響

由圖5 可知，在不同外源褪黑素處理下，黃瓜幼苗葉片的總黃酮含量都有升高；處理M1、M2、M3和M4 中黃瓜幼苗的總黃酮含量分別較對照高42%、187%、126%和 24%，其中，處理 M2 和 M3 的黃瓜葉片總黃酮含量與對照間差異顯著，處理M1 和M4的黃瓜葉片總黃酮含量與對照間差異均不顯著。

由圖5 還可知，不同濃度褪黑素處理后黃瓜幼苗葉片的總多酚含量與總黃酮含量的變化趨勢一致，外源褪黑素處理M2 的效果最佳，黃瓜幼苗葉片的總多酚含量較對照高67%，差異顯著；處理M1、M3 和M4 的黃瓜幼苗葉片的總多酚含量分別較對照高33%、41%和22%，差異均顯著。

3 結(jié)論與討論

SOD、POD、CAT 是植物體內(nèi)重要的酶促防御機(jī)制中的保護(hù)酶，能夠有效清除活性氧，從而增強(qiáng)幼苗的抗性。本試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)外源褪黑素處理濃度為 100 μmol/L 時(shí)，黃瓜幼苗的 SOD、POD、CAT活性分別較對照提高6.0%、8.4%和5.6%，SOD 和POD 活性達(dá)到了顯著水平，而CAT 活性的變化未達(dá)到顯著水平。可溶性糖和可溶性蛋白含量的變化反映了植物的總體代謝水平[11]。王麗英[12]研究發(fā)現(xiàn)，在逆境脅迫環(huán)境中，植株的可溶性蛋白含量呈先升高后下降的趨勢，同時(shí)在褪黑素處理后其可溶性糖和可溶性蛋白的含量會顯著升高[13]。劉政等[14]研究發(fā)現(xiàn)，外源褪黑素處理后，鹽脅迫環(huán)境中月季葉片中抗壞血酸、可溶性蛋白質(zhì)和脯氨酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及月季的滲透調(diào)節(jié)能力得到顯著提高。本研究中，在褪黑素處理后黃瓜幼苗的可溶性糖和可溶性蛋白的含量均顯著升高，并且在褪黑素處理濃度為100 μmol/L 時(shí)效果最佳。

植物生長過程中常會遇到水分過多或缺水引起的滲透脅迫，植物體自身會從低水勢的介質(zhì)中吸收水分從而來維持植物體自身的水分平衡，同時(shí)維持其壓力勢來保證植物的正常生理生化過程，可見降低滲透勢是一種很重要的調(diào)節(jié)方式，另外植物的滲透勢與植物體內(nèi)的多種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)也有很密切的關(guān)系[15]。劉建龍等[16]研究指出，O2-的含量是植物受氧化脅迫損傷的指標(biāo)，含量越高表明植物體受到的傷害越大。褪黑素濃度適宜時(shí)可以降低植物體內(nèi)活性氧的積累，以減輕植物的膜脂過氧化程度，從而提高其氧自由基清除能力[17]。本研究的黃瓜育苗過程中，定期澆水也會使植株產(chǎn)生輕度滲透脅迫，在褪黑素處理后，幼苗的O2-含量顯著降低，并且在處理濃度為100 μmol/L 時(shí)，幼苗的O2-含量較對照低31%，差異顯著。張娜等[18]研究發(fā)現(xiàn)，褪黑素預(yù)處理后，狼尾草的脯氨酸含量提高，維持了植株滲透壓的平衡。植物體內(nèi)的脯氨酸含量是反映植物抗逆性的指標(biāo)，脯氨酸含量越高，抗逆性越強(qiáng)[19]。本研究中100 μmol/L 褪黑素處理后黃瓜幼苗的脯氨酸含量顯著高于其他處理，且較對照高2.6%，但與對照之間的差異不顯著。

葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ)，主要包括葉綠素a 和葉綠素b，有著捕獲和傳遞光能的作用，這2 種葉綠素含量反映了類囊體在葉綠體中的垛疊程度，表明光能向生物化學(xué)能的轉(zhuǎn)化效率[20]。葉綠素含量下降的原因可能是細(xì)胞內(nèi)過量的Na+直接置換葉綠體中的Mg2+，致使葉綠素的分子結(jié)構(gòu)遭到破壞而降低了葉綠素含量[21]。楊小龍等[22]研究表明，褪黑素處理更利于干旱脅迫下番茄葉片PSⅡ光化學(xué)反應(yīng)的高效進(jìn)行，具有緩解干旱脅迫對PSⅡ光抑制的作用。植物體內(nèi)葉綠素含量的變化會影響植物光合作用的生物能過程。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過在夜間噴施外源褪黑素后，與對照相比，處理組黃瓜幼苗的葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素和總?cè)~綠素含量均呈現(xiàn)下降趨勢，但100 μmol/L 褪黑素處理下的黃瓜幼苗葉綠素含量高于其他處理。本試驗(yàn)中，不同濃度褪黑素處理黃瓜幼苗后，不同處理與對照之間PSⅡ最大光化學(xué)效率和電子傳遞量子產(chǎn)率均未出現(xiàn)顯著性差異。

田雨菁等[23]研究發(fā)現(xiàn)，外源褪黑素預(yù)處理可以有效提高植物幼苗體內(nèi)總酚、總黃酮、總黃烷醇含量，從而增強(qiáng)清除活性氧能力，抑制脂質(zhì)過氧化，這與本研究的結(jié)果一致，通過不同濃度外源褪黑素的處理，黃瓜幼苗葉片的總黃酮和總多酚的含量與對照相比均呈現(xiàn)顯著升高，并且在處理M2 和M3 的效果最顯著。本試驗(yàn)通過相關(guān)的生理數(shù)據(jù)表明了外源褪黑素對黃瓜幼苗生長特性的影響，但在分子水平的影響機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。