葉面噴施不同濃度褪黑素對花生幼苗生長和光合性能的影響

程相國, 李麗杰, 王小輝, 張曉甜, 王素芳, 張志勇

(河南科技學院生命科技學院,河南新鄉 453000)

花生是我國重要的油料和經濟作物,含有豐富的氨基酸、脂類和蛋白質,是重要的食用油脂和蛋白質的重要來源,也是食品工業的理想原料,在我國植物油供給、食品加工及農民增收中占有重要地位[1]。2020年我國花生種植面積為473.07萬hm2、總產量1 799萬t,分別占國內油料作物總面積的36%和油料總量的50.2%[2]。因此,提高花生產量,對農民增收和進一步實現糧油等原料自給自足具有重要意義[3-4]。

拓寬雙邊合作渠道。進一步挖掘國際合作潛力，擴大合作領域，豐富合作內涵，完善合作機制。繼續堅持高層次的交流與務實合作，堅持發達國家與發展中國家并重。積極落實與芬蘭等國的合作諒解備忘錄，舉辦中巴等雙邊定期交流會，落實2013年高訪活動達成的合作意向。結合水利中心任務和重點工作，學習引進國外先進的理念、技術和經驗教訓，避免工作中走彎路。進一步深化南南合作，展示負責任大國形象，同時推動中國水利技術的輸出。

施用植物生長調節劑是促進作物形態建成和提高產量的重要手段之一[5-6]。褪黑素(N-乙酰基-5-甲氧基色胺)是一類小分子吲哚化合物,最早在1958年由Lerner等從牛松果體中分離提純,并證實它是一種類激素物質,參與動物的生長、發育調控和信號轉導[7]。自1995年在高等植物中發現褪黑素后,其在植物生長發育過程(如營養生長、種子萌發、生根和開花等)和逆境響應中的多項調節功能也逐漸被發現,現已被認為是一種新型植物激素[8-9]。Hernández‐Ruiz等最先發現褪黑素在刺激植物生長中的直接作用,他們報道了褪黑素對金絲雀草(Phalariscanariensis)、小麥(Triticumaestivum)、大麥(Hordeumvulgare)和燕麥(Avenasativa)胚芽鞘生長的促進作用[10]。褪黑素處理還促進了各種植物如大豆(Glycinemax)[11]、小麥[12]、燕麥[13]、玉米(Zeamays)[14]和芥菜(BrassicajunceaL.)[15]的營養生長。同時,褪黑素在植物光合作用中也發揮著重要調控作用[16]。Zhong等研究發現,褪黑素噴施處理可通過提高葉片葉綠素含量,增強葉片的光合性能,進而促進葡萄幼苗的生長[17]。Li等研究發現,褪黑素噴施處理可通過提高葉片氣孔導度,改善光系統Ⅱ中的光能吸收和電子傳遞,進而緩解鹽脅迫對西瓜幼苗光合作用的抑制作用[18]。

褪黑素對多種作物生長發育有調控作用,但針對不同作物及不同的施用方式,所適宜的褪黑素濃度不同。因此本研究以花生為材料,探究不同濃度的褪黑素對花生苗期生長和光合作用的影響,以期篩選出適宜的褪黑素濃度,為其在花生高產栽培生產中的應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以花生品種豫花37(由河南省農業科學院選育的高油酸品種)為材料。褪黑素購自Sigma試劑公司。

1.2 試驗設計

試驗于2022年3—9月在河南科技學院人工氣候室(113°56′28″E,35°17′17″N)進行。挑選大小均勻一致的種子,用10%過氧化氫(H2O2)消毒 5 min,用水沖洗3～4次,用自來水浸種12 h。利用卷紙法進行萌發,即將浸種后的種子置于雙層的吸水紙中間,在距吸水紙頂部3～4 cm處排列8粒種子,種子之間間隔2 cm,然后將雙層吸水紙從一端卷起并用橡皮筋固定。最后將卷紙直立在裝有1 L飽和硫酸鈣的塑料盆(長×寬×高為25 cm×15 cm×20 cm)中。待種子在黑暗中于28 ℃條件下萌發5 d后,挑選長勢一致的幼苗,轉移至裝有5 L改良的霍格蘭氏營養液的塑料盆中培養。改良的霍格蘭氏營養液為2.5 mmol/L Ca(NO3)2、1.0 mmol/L MgSO4、0.5 mmol/L KH2PO4、2.0 mmol/L NaCl、0.1 mmol/L EDTA-FeNa、2×10-4mmol/L CuSO4、1×10-3mmol/L ZnSO4、2×10-2mmol/L H3BO3、5×10-6mmol/L (NH4)6Mo7O24、1×10-3mmol/L MnSO4。本試驗在人工培養室[晝夜溫度28 ℃/25 ℃;濕度45%;光照時長12 h,光照度 400 μmol/(m2·s)] 中進行培養。每5 d換1次營養液。待幼苗長有1對復葉時,分別進行葉面噴施0.1、0.5、5.0、20.0 μmol/L褪黑素(噴施至葉面布滿水珠且將要滴落為止,每株約2 mL溶液),并分別記作MT1、MT2、MT3和MT4處理,以噴施等量清水為對照(CK)。每個處理設置5盆,每盆8株幼苗。連續噴施處理2 d,分別于處理第4天和第8天測定氣體交換參數和葉綠素熒光參數,同時取植株,用于生物量、根系形態指標和葉綠素含量的測定。

1.3 測定項目與方法

1.3.4 葉綠素熒光參數的測定 在處理后第4天和第8天,以倒2分枝頂葉為測定部位,置于黑暗條件下暗適應20 min,采用Handy-PEA熒光儀(Hansatech,英國)測定葉片的葉綠素a熒光參數,包括最小熒光量(Fo)、最大熒光量(Fm)、光系統Ⅱ(PSⅡ)最大光化學效率(Fv/Fm)和光合性能指數(PIabs)的變化。

1.3.2 根系形態指標的測定 用直尺測量主根長度和側根區間(根莖交界處到肉眼可見側根之間的距離)長度,記錄主根上肉眼可見的長于0.5 mm的一級側根數量。利用Epson-V800掃描儀進行根系掃描,并用Win RHIZO軟件對總根長、總表面積、總體積、平均直徑等進行分析。

褪黑素對花生根系形態建成具有低濃度促進、高濃度抑制的作用(圖2、表1)。隨著褪黑素濃度的增加,幼苗的主根長、一級側根數、側根區間的數值呈先增加后降低的趨勢,且均在MT2處理下促進效果達到顯著水平。同時發現,不同濃度的褪黑素均可增加花生根系的一級側根密度,且MT1和MT2處理下一級側根密度與對照相比達到顯著水平。與對照相比,MT2處理下幼苗主根長在第4天和8天分別增加19.8%和18.5%(P<0.05),一級側根數分別增加27.4%和35.6%(P<0.05),側根區間分別增加10.5%和18.1%(P<0.05),側根密度分別增加16.6%和12.9%(P<0.05)。

1.3.1 生物量的測定 每個處理選取5株植株,用自來水沖洗植株表面灰塵,然后利用吸水紙吸干植株的表面水分。將植株從根莖交界處分成地上部(莖、葉)和地下部(根),分別稱取鮮質量后,置于烘箱中殺青(105 ℃)20 min,然后恒溫(80 ℃)烘至恒質量,稱取干質量。

(3)為與國際礦產資源資產評估規范接軌，SME成立了SME評估標準委員會，積極參與國際評估規范的商討。

隨著褪黑素濃度的增加,Pn、Ci、Gs、Tr的數值均呈先增加后降低的趨勢(圖4)。與對照相比,在MT2處理的第4天和第8天Ci均顯著增加;Pn、Gs、Tr在處理第8天時顯著增加。與對照相比,在處理的第8天時,MT2處理下Pn、Ci、Gs、Tr分別增加15.0%、15.1%、24.4%、11.4%(P<0.05)。

目前，常州尚未制定全市性科技人才發展規劃，對科技人才范圍定位不清，管理職能不夠明確，人才工作合力機制尚未完善。人才政策令出多門，銜接不夠，溝通不足，宣傳不到位，服務效能不高。常州現有人才引進、培育政策缺少系統性、連續性，存在重引進輕培養，重管理人才輕一線專業技術人才，重外來人才輕鄉土人才，重高層次人才輕中青年后備人才等現象，不利于科技人才隊伍結構完善、發展壯大。相應的人才使用、人才激勵和人才分類評價機制建設缺乏系統性，人才激勵效能偏低。

1.4 數據分析

為了能使3種DSP分離開，通過流動相條件的篩選，最終選擇梯度洗脫的方式分離毒素。流動相A：水溶液，流動相B：乙腈溶液，二者均含有2 mmol/L甲酸銨和0.1%甲酸；0.01～7.00 min流動相B的比例從20%升高至90%；7.00～10.00 min，維持90%流動相B；10.00～10.01 min，流動相B降為20%，平衡色譜柱2 min。流動相梯度洗脫條件見表2，在此流動相洗脫梯度下的3種DSP的總離子流圖見圖1。

2 結果與分析

2.1 葉面噴施不同濃度褪黑素對花生幼苗植株生長的影響

隨著褪黑素濃度的增加,Fm、Fv/Fm和PIabs均呈先增加后降低的趨勢,而Fo的數值呈先降低后增加的趨勢(圖5)。在處理的第4天,與對照相比,MT2處理下Fv/Fm和PIabs均顯著增加,分別增加8.0%和29.6%(P<0.05),而Fo的數值顯著降低,降低18.1%。在處理的第8天,與對照相比,MT2處理下Fm、Fv/Fm和PIabs均顯著增加,分別增加18.1%、3.9%和22.6%(P<0.05),而Fo的數值顯著降低,降低12.8%(P<0.05)。

采用Excel 2019和SPSS 20.0進行數據分析和作圖。采用單因素方差分析(One-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)比較不同處理間的差異顯著性(α=0.05)。

1.3.3 葉綠素含量的測定 在處理后第4天和第8天,參照李小方等的方法利用丙酮提取并測定葉綠素含量[19]。取倒2分枝頂葉,約0.5 g剪成小碎片放入盛有5 mL 95%乙醇的10 mL離心管中,放置在黑暗條件下24 h,至葉片變白,用Tecan酶標儀(Spark 20M)在665、649 nm波長下測定吸光度值,并計算葉綠a、葉綠素b和總葉綠素(葉綠素a+b)含量。

表1 不同濃度褪黑素處理對花生幼苗根系生長參數的影響

2.2 葉面噴施不同濃度褪黑素對花生幼苗根系特征參數的影響

由圖3可知,隨著褪黑素濃度的增加,對幼苗總根長、根體積、根表面積呈先促進后抑制的趨勢,且均在MT2處理下數值達到最大。與對照相比,在MT2處理第4天時,總根長、根體積、根表面積分別增加20.4%、18.9%和17.9%(P<0.05);處理第8天時,總根長、根體積、根表面積分別增加19.1%、20.4%和17.1%(P<0.05)。根系平均直徑隨著褪黑素濃度的增加,呈先降低后增加的趨勢,但各處理與對照之間的差異未達到顯著水平。

2.3 葉面噴施不同濃度褪黑素對花生幼苗葉綠素含量的影響

隨著褪黑素濃度的增加,葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b的含量均呈先增加后降低的趨勢,均在MT2處理下數值達到最大(表2)。與對照相比,MT2處理下葉綠素a和葉綠素a+b含量在第4天和第8天均顯著增加,分別增加17.3%、11.5%和17.4%、12.2%(P<0.05);而葉綠素b含量在第4天和第8天也有所增加,但與對照相比均未達到顯著水平。

設計斷面均為梯形，采用C20 F50 W4混凝土襯砌，襯砌厚度6～8 cm。每隔8～10 m設一道橫縫。渠道襯砌斷面在水力計算的基礎上，結合當地沒有取土場地和群眾接受度的實際情況，進行了經濟比較后確定，結果見表1。

表2 不同濃度褪黑素處理對花生幼苗葉片葉綠素含量的影響

2.4 葉面噴施不同濃度褪黑素對花生幼苗葉片氣體交換參數的影響

1.3.5 氣體交換參數的測定 在處理后第4、第8天10:00,以倒2分枝頂葉為測定部位,用Li-6800光合測定儀測定凈光合速率(Pn)、葉片氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)和胞間CO2濃度(Ci),設定內置光照度為600 μmol/(m2·s),CO2供應濃度為400 μmol/mol,葉片溫度為27 ℃,相對濕度約60%。

2.5 葉面噴施不同濃度褪黑素對花生幼苗葉片葉綠素熒光參數的影響

由圖1可知,植株地上部干質量和根系干質量隨著褪黑素濃度的增加呈先增加后降低的趨勢,且均在MT2處理下達到最大值。與對照相比,在MT2處理的第4天和8天,植株地上部干質量分別增加25.6%和17.5%(P<0.05);根系干質量分別增加30.0%和23.5%(P<0.05)。

3 討論

物質積累是衡量植物生長發育的重要指標。Wang等研究發現,低濃度褪黑素處理促進燕麥生長,高濃度褪黑素處理則抑制燕麥幼苗的生長[13];同時在小麥[12]、紅小豆[20]等作物中也發現了相同的調控效應。本研究發現,隨著褪黑素的濃度增加,根系和地上部的干物質量呈先上升后下降的現象,在0.5 μmol/L褪黑素處理下效果達到最大值,與對照相比有顯著差異。這可能是由于適量濃度褪黑素處理一方面能夠促進根系的生長,有利于水分養分的吸收,同時能夠增強葉片光合作用,進而增加干物質積累,促進植株的生長。

研究發現,褪黑素因與生長素具有相同的合成底物(色氨酸)和相似的結構而具有相似的生理功能[9]。與IAA類似,褪黑素對植物根系的生長呈濃度依賴性抑制作用[10]。Chen等研究發現,0.1 μmol/L 褪黑素處理對芥菜型油菜根系生長具有促進作用,而100 μmol/L褪黑素則表現出抑制作用[21]。Hernández-Ruiz等研究發現,促進金絲雀草、大麥、小麥和燕麥等單子葉植物根系生長的最佳褪黑素濃度為1×10-7mol/L[10]。在擬南芥中,0.001～1.000 μmol/L褪黑素促進了擬南芥初生根的伸長,對側根形成無顯著影響[22];而100～1 000 μmol/L 褪黑素抑制了擬南芥初生根伸長,但促進了側根形成[23]。本試驗研究了不同濃度褪黑素對花生形態指標的影響,結果表明,形態指標隨褪黑素濃度增加而先上升后下降,在0.5 μmol/L褪黑素處理下效果達到最大值,主根長、一級側根數、側根區間、總根長、總表面積、總體積均有顯著差異,而一級側根密度、根系平均直徑分別在0.5、20 μmol/L 褪黑素處理下達到最大值。這說明褪黑素對花生根系形態建成存在“低促高抑”的現象。

光合作用是植物利用光能驅動進行的一系列光化學反應和有機化合物合成的過程,是植物生產的基礎[24]。研究表明,褪黑素可以通過調控植物光合特性和保持葉綠體結構和功能的完整性,進而促進植株物質積累[25-26]。Liu等研究發現,褪黑素預處理可提高番茄光系統 Ⅱ的光化學效率,使植株葉片保持較高的CO2同化速率和氣孔導度,緩解干旱脅迫對光合作用的抑制作用[27]。Mir等研究發現,褪黑素對芥菜(BrassicajunceaL.)植株生長和光合效率的促進作用呈顯著的劑量依賴性,且適宜濃度褪黑素可增大葉片氣孔孔徑[15]。氣孔是植物與環境之間交換二氧化碳、氧氣和水蒸氣等氣體的通道。氣孔保衛細胞運動在控制光合作用和蒸騰作用中起關鍵作用[16]。另有研究表明,褪黑素不僅影響植物氣孔的大小[28-30],還可能通過調節脫落酸(ABA)信號或直接通過調節CAND2/PMTR1參與氣孔運動[8,31]。本試驗中,Pn、Gs、Tr和Ci等參數均隨褪黑素的濃度增加呈先上升高后下降的趨勢,0.5 μmol/L 褪黑素處理下達到最大值,說明適宜濃度的褪黑素可提高花生光合作用,促進有機化合物的合成。這可能是通過調控光系統基因的表達,調節氣孔運動,最終提高了葉片凈光合速率[9,16]。

葉綠素是植物光合作用中必不可少的色素,對光能的吸收和利用起重要的作用。大量研究表明,褪黑素對葉綠素有很好的保護作用[32],同時可促進其從頭合成[16]。褪黑素還可通過調節釩脅迫下西瓜葉片[33]和鎳脅迫下番茄葉片[34]中葉綠素生物合成酶的轉錄豐度來提高葉綠素含量。Szafrańska等觀察到褪黑素能加速百草枯脅迫下豌豆受損葉片的葉綠素分解,并促進葉綠素從頭合成[32]。本研究結果表明,0.1～0.5 μmol/L褪黑素處理顯著提高了花生葉片中葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b的含量,這與褚晶等在小麥幼苗中的研究結果[35]類似。適宜濃度的褪黑素可能是通過調控相關基因和激素信號的轉錄,進而調節了葉綠素的合成[16]。

光能被色素分子吸收以后,部分光能被傳遞到光反應中心,用于光化學反應;而其他部分光能則以輻射成熒光和熱輻射的方式被耗散掉[36]。PSⅡ的最大光化學效率(Fv/Fm)反映了PSⅡ反應中心原初光能的轉換效率,而光合性能指數(PIabs)是可以綜合反映PSⅡ反應中心密度、光吸收以及電子傳遞的重要參數[36]。陳忠誠等研究發現,100 μmol/L褪黑素可顯著提高紅小豆PSⅡ光化學的電子傳遞速率和量子產率,提升光合能力[20]。外施褪黑素可以改善滲透脅迫下燕麥[37]、鉻脅迫下油菜[38]和低鉀脅迫下百慕大草[39]Fv/Fm和PIabs的下降,減緩脅迫對生長的抑制作用。本試驗利用快相葉綠素熒光動力學技術研究了葉面噴施褪黑素處理對花生葉片PSⅡ反應中心的活性和電子傳遞能力的調節作用。結果表明,隨著褪黑素濃度的增加,花生葉片的Fm、Fv/Fm和PIabs呈先增加后降低的趨勢。因此,上述結果表明,適宜濃度的褪黑素處理能夠提高花生葉片光能利用效率和電子傳遞能力,增強花生植株葉片潛在光合能力。

通過上述表格可知，災害點密度大小與易發性分區結果呈正相關，且較符合實際情況。研究區內地質災害易發性分區說明如下：

4 結論

葉面噴施低濃度褪黑素對花生根系形態建成和物質積累有一定的促進作用,而高濃度則起到抑制的作用效果,其中以0.5 μmol/L褪黑素處理下的增幅最大。同時適宜濃度的褪黑素可通過提高光合色素含量和PSⅡ的光化學效率,從而提高光合效率。本研究結果可以為褪黑素在作物高產優質綠色生產上的應用提供一定的參考和科學依據。