鹽堿脅迫下棉花幼苗對外源褪黑素的生理響應*

何皇成，陳明媛，王騰飛，劉建國*

（石河子大學新疆兵團綠洲生態農業重點實驗室，新疆 石河子 832003）

土壤鹽漬化是新疆棉花生產中面臨的最重要的非生物脅迫因素，新疆現有耕地中31.1%的面積受到鹽堿危害，鹽害導致的棉花出苗障礙以及苗期僵苗是棉花豐產高效的重要限制因子[1]，因此研究鹽堿脅迫下棉花種子萌發及幼苗生長的抗逆調控技術具有重要意義。褪黑素是一種植物生長調節劑，在植物體內易于吸收，作用在植物上也不會經過食物鏈富集而對人體產生不良影響，是一種提高植物抗逆性的綠色途徑[2]。

褪黑素在植物體中體現出多重生理功能，主要通過調節細胞內的滲透勢，維持水分平衡[3]、誘導抗氧化酶的活性[4]、降低活性氧和過氧化物含量[5]、消除體內大量的活性氧自由基[6]、抵御外界脅迫造成的氧化損傷，以此來提高植物的抗逆性。褪黑素越來越廣泛地應用于緩解植物逆境脅迫研究中。

有關外源褪黑素對棉花種子萌發幼苗生長性狀的調控效應已有相關報道[7]，但相關研究都是以氯化鈉單鹽脅迫處理，而鹽堿農田中均是以混合鹽堿的形式對作物產生危害。因此，研究外源褪黑素對混合鹽堿脅迫下棉花種子幼苗生長、抗氧化酶活性和MDA含量的影響，可為在鹽堿地栽培中使用化學抗逆調控技術提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以惠遠77號品種為供試材料，選取籽粒飽滿、大小一致的種子為試驗材料。用5%次氯酸鈉溶液消毒10 min，無菌水清洗3次，晾干后備用。

1.2 試驗方法

依據新疆地區鹽堿地鹽分組成，選取2種中性鹽（Na2SO4，NaCl）及2種堿性鹽（Na2CO3，NaHCO3）按1∶9∶9∶1的比例配成混合鹽堿脅迫處理，混合鹽堿質量分數設置為8 g/kg，褪黑素處理濃度為150 μmol/L。試驗采用盆栽法（直徑35 cm、高40 cm），每盆裝土28 kg，共計27盆，每盆留苗3株。在棉花出苗后35 d，選擇18盆澆灌質量分數為8 g/kg混合鹽堿進行脅迫處理，隔天澆灌1次，剩余9盆澆灌等量清水做對照處理。經鹽堿脅迫處理6 d后，選擇9盆噴施濃度為150 μmol/L褪黑素，隔天噴1次，其余處理噴施等量清水，即形成對照（CK）、鹽堿脅迫（S）和鹽堿脅迫后噴施褪黑素（SM）3種處理。在噴施褪黑素處理6 d后取樣，分別測定植株生物量及生理代謝指標。

1.3 測定指標和方法

1.3.1 生長指標測定

棉花植株鮮樣分地上部分和地下部分在75 ℃烘箱中殺青30 min，后在105 ℃烘干至衡重，測其重量。

1.3.2 生理指標的測定

棉花幼苗葉片超氧化物歧化酶（SOD）活性采用四唑鹽法測定，過氧化氫酶（CAT）活性采用高錳酸鉀滴定法，過氧化物酶（POD）活性采用愈創木酚法測定，過氧化氫（H2O2）含量采用鉬酸顯色法測定，丙二醛（MDA）含量的測定采用硫代巴比妥酸比色法測定，有機酸采用離子色譜法測定[8]。

2 結果與分析

2.1 外源褪黑素對復合鹽堿脅迫下棉花生物量的影響

鹽堿脅迫下植物外部形態表現敏感，可直接作為判斷植物受鹽害程度的指標。如表1所示，鹽堿脅迫處理下棉花生長受到抑制，其地上部和根部干重及整株生物量均低于正常條件下的數值，棉花幼苗的總生物量、地上部干重、地下部干重和植株含水量與CK差異顯著（P＜0.05），與CK相比分別降低22.37%、12.26%、25.19%和0.51%，根冠比增加24%。在鹽堿脅迫下施加褪黑素后，棉花幼苗的總生物量、地上部干重和地下部干重顯著增加，與鹽堿脅迫處理相比分別增加12.11%、12.42%和12.33%，均達到顯著水平（P＜0.05）。棉花幼苗經過鹽堿脅迫噴施褪黑素后其總生物量、地上部干重和地下部干重分別恢復到對照的87.03%、98.64%和84.03%。

表1 鹽堿脅迫下外源褪黑素對棉花幼苗生長的影響

2.2 外源褪黑素對復合鹽堿脅迫下棉花抗氧化酶活性的影響

相對于生長指標，抗氧化酶是植物抗逆防御系統對外界脅迫的表征，更迅速敏感，且在抗逆境方面起著重要的保護作用[9]。褪黑素對復合鹽堿脅迫下棉花抗氧化酶活性的影響見圖1，可以看出棉花幼苗經200 mmol/L混合鹽堿脅迫后，SOD和CAT 活性與CK 相比均顯著下降，分別降低22.6%和40.5%，POD活性顯著上升39.46%。在鹽堿脅迫時施用外源褪黑素處理后，SOD、CAT和POD活性與鹽堿脅迫處理相比分別上升4.11%、0.47%和10.44%。

圖1 鹽堿脅迫下褪黑素對棉花幼苗抗氧化酶活性的影響

2.3 鹽堿脅迫下外源褪黑素對棉花MDA和H2O2含量的影響

MDA作為膜脂過氧化作用的產物，能夠直接或者間接反映細胞膜受損傷的程度。由圖2可知，在鹽堿脅迫下棉花幼苗葉片中MDA含量顯著上升，與CK相比增加了20.22%；在鹽堿脅迫時施用外源褪黑素處理后，MDA含量與鹽堿脅迫處理相比降低了7.45%。鹽脅迫可誘導H2O2產生并積累，進而調節植物的抗鹽反應。鹽堿脅迫處理下H2O2含量與CK相比上升9.35%，差異不顯著；在鹽堿脅迫時施用外源褪黑素，H2O2含量較鹽堿脅迫處理差異顯著，與鹽堿脅迫相比下降20.51%。

圖2 鹽堿脅迫下褪黑素對棉花幼苗MDA含量和H2O2含量的影響

2.4 鹽堿脅迫下外源褪黑素對棉花有機酸含量的影響

有機酸是帶有羧基具有緩沖作用的低分子量化合物，在鹽堿逆境環境中通過中和過量的Na+降低陽離子毒害作用，參與植物對逆境的生理性適應[10]。外源褪黑素對復合鹽堿脅迫下棉花有機酸含量的影響見圖3，可知在鹽堿脅迫下，棉花幼苗葉片中蘋果酸、檸檬酸、草酸和總酸含量比CK 分別增加了58.03%、57.79%、58.48%和58.19%，差異均達到顯著水平；噴施外源褪黑素后，棉花幼苗蘋果酸、檸檬酸、草酸和總酸含量與鹽堿脅迫比較分別下降10.17%、10.39%、10.33%和10.35%。

圖3 鹽堿脅迫下褪黑素對棉花幼苗有機酸含量的影響

3 結論與討論

植物生長受阻是鹽堿脅迫下植株的最初效應之一，土壤水分中鹽的滲透脅迫造成的植株水分匱缺效應，降低了植物吸水的能力。同時，鹽分通過蒸騰流進地上部，最終傷害葉細胞，導致葉的生長下降，并且降低了根系的生長；植物所吸收的鹽積累在老葉中，長時間持續輸送到蒸騰的葉片中，最終導致葉片的Na+和CI-濃度過高，葉片最終死亡[11]。施加外源褪黑素可以緩解植物幼苗鹽毒性癥狀，褪黑素對鹽脅迫下棉花種子萌發具有促進作用，提高了種子耐鹽性，促進了種子胚根伸長，增加了種子萌發后的生物量[7]。本試驗通過外源噴施褪黑素對棉花幼苗進行培養，發現鹽堿脅迫嚴重抑制棉花幼苗的生長，棉花地上部植株、地下部根系和植株含水量等顯著降低。通過施加外源褪黑激素，鹽堿脅迫的棉花幼苗生長得以改善，恢復到對照的84%～98%。

鹽堿脅迫下產生過量的活性氧會破壞氧化還原穩態平衡從而阻礙植物的生長發育乃至導致作物死亡，褪黑素在調節植物生物或非生物脅迫中的作用基本都與抗氧化作用有關[12-13]。如褪黑素可有效清除鹽脅迫下大豆幼苗葉片過量的H2O2，降低MDA含量，緩解鹽堿脅迫對大豆幼苗造成的細胞膜傷害[14]。本試驗結果與其類似，褪黑素通過減少棉花幼苗根部脅迫時期H2O2的產生來緩解鹽堿誘導的氧化損傷，同時棉花幼苗根部抗氧化酶CAT和SOD活性也相應升高。

除鹽堿混合脅迫Na+造成的離子毒害外，還有高pH造成的礦質元素可利用性明顯降低等脅迫因素。植物體內積累酸性代謝物（如有機酸等）具有緩沖高pH的作用，是植物對環境高pH的適應方式之一。天然鹽堿化土壤環境下植物通過大量積累蘋果酸、檸檬酸等有機酸響應鹽堿脅迫，降低Na+毒害，調節根系pH值[15]。堿脅迫可誘導小冰麥有機酸急劇增加來彌補負電荷不足，保持細胞內pH穩定。本研究與上述結果一致，棉花幼苗經鹽堿脅迫后蘋果酸、檸檬酸、草酸和總酸含量均顯著增加，噴施褪黑素后緩解了脅迫程度，有機酸含量下降。

綜上所述，外源噴施褪黑素能理緩解混合鹽堿脅迫對棉花幼苗生長的不利影響，增加生物量積累，顯著提高棉花幼苗抗氧化酶活性。通過激活抗氧化防御系統，清除大量活性氧，減輕鹽堿脅迫對棉花的損害，提高棉花苗期對鹽堿脅迫的耐受性。