外源褪黑素對干旱脅迫下菊花幼苗生長及葉綠素熒光特性的影響

霍蕓蕓　羅艷　楊小英　張黎　郝揚　嚴瑞

摘要：本試驗以‘絢秋凝紅菊花幼苗為材料，用20%PEG溶液模擬干旱脅迫，研究葉面噴施不同濃度（50、100、150、200μmol/L）褪黑素（MT）對干旱脅迫下其生物量、根系形態及葉片葉綠素熒光參數的影響，探討外源MT對干旱脅迫下菊花幼苗光抑制的緩解作用。結果表明，與CK相比，PEG干旱脅迫（T1）處理菊花幼苗的地上部、地下部生物量和總生物量分別顯著降低49.1%、36.4%和46.6%；外源噴施100μmol/LMT+PEC（T3）處理的地上、地下部生物量和總生物量分別較PEG處理增加52.4%、26.9%和34.9%，幼苗根系活力僅次于CK，根系平均直徑最大，根尖數最少。相較于CK，干旱脅迫處理均降低幼苗葉片的光化學淬滅系數（qP），非光化學淬滅系數（NPQ）、PSⅡ潛在光化學效率（Fv/Fo）、PSⅡ最大光化學量子產量（Fv/Fm）和表觀電子傳遞速率（ETR），外源施加100μmol/LMT的T3處理降低幅度最小，保持了PSⅡ反應中心較高的開放程度。綜上，外源噴施100μmol/L MT可有效改善干旱脅迫下菊花幼苗葉片葉綠素熒光特性和光合性能，緩解干旱脅迫對菊花幼苗生長造成的危害。

關鍵詞：褪黑素；菊花；PEG干旱脅迫：幼苗生長；葉綠素熒光特性

中圖分類號：S682.110.1 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2024）03-0054-07

菊花（Chrysanthemum morifolium Ramat.）原產于中國，是我國傳統名花，也是四大切花之一，按其用途可劃分為切花菊、盆栽菊、地被菊等。地被菊是一種由種間雜交進化而來的品種，具有花色艷麗、植株低矮、株型緊湊等特點。實際生產過程中，干旱作為最常見的逆境脅迫因子，對地被菊造成的損失約占所有非生物脅迫損失的一半，其危害程度僅次于病蟲害等生物危害。特別是進入21世紀以來，干旱發生的頻率和強度都在不斷增加，已經成為一種嚴重影響植物生長和代謝的重要逆境因素。

干旱脅迫會對細胞分裂產生抑制作用，導致細胞膜透性增大并產生過量自由基，破壞活性氧的代謝平衡，加重膜脂過氧化程度，造成細胞內各種酶失活，從而損壞膜的結構與功能。除此之外，干旱脅迫還會阻礙葉片中氣體和水分交換，使植物的光合速率下降，暗反應合成受阻，從而降低葉綠體對光能的吸收和轉化效率，使吸收的光能超出其利用范圍，導致光合組織受到破壞，引起植物生長受限甚至死亡。菊花幼苗期對干旱脅迫尤為敏感，這嚴重制約了菊花的產量和質量，因此，如何減輕菊花幼苗期的旱害，是目前我國花卉產業亟待解決的難題。

利用外源物質調節植物的抗逆反應，是目前最有效且容易實現的途徑之一。近年來，褪黑素、水楊酸等植物生長調節劑在提高植物品質和抗逆性等方面的作用已日趨成熟。褪黑素（melato-mn，MT）是一類在動植物和微生物體內廣泛存在的具有良好抗氧化作用的天然活性物質，是一種高度親脂、親水的天然分子，能夠很容易地跨過胞質進入胞核與羥基自由基、過氧自由基結合，消除植物體內的活性氧，維持膜功能的穩定性，提高植物的光合效率，減輕各種逆境對植物體的傷害，提高植物的抗逆能力。近年來，MT在棉花、玉米、大豆等作物上的相關研究結果表明，適量褪黑素可以提高植物的抗逆能力。目前，關于MT在提高作物抗逆性方面的研究已有大量報道，但關于干旱脅迫下MT對園林小菊生長發育調控及影響效應研究尚未見報道。鑒于此，本研究分析外源噴施不同濃度褪黑素對干旱脅迫下菊花幼苗生長、根系形態及光合熒光特性等的影響，以期揭示MT對菊花幼苗抗旱性影響的調節機制，也可為進一步利用褪黑素增強植物抗旱能力研究提供新的思路和理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選取長勢整齊、生長健壯的園林小菊‘絢秋凝紅的母株，取長3.0cm的插穗進行扦插。幼苗扦插培養一個月后，挑選180株生長狀況良好、大小一致的扦插苗作為試材。

1.2 試驗設計

試驗于2022年7月開展，共設6個處理：CK（H2O）、PEG（20% PEG模擬干旱脅迫處理）、50μmol/L MT+ PEG、100μmol/L MT+PEG、150μmol/L MT+PEG、200μmol/L MT+PEG，分別標記為CK、T1、T2、T3、T4、T5。用不同濃度MT在幼苗葉片的正反面用手持噴霧器均勻噴灑，以確保葉面不滴流，CK噴施等量清水，連續噴施3d，每天噴一次：然后進行300mL 20% PEG根部澆施模擬干旱脅迫處理，每3d處理一次，共處理4次，以正常水分管理的為CK。每個處理設置3盆重復，處理12 d時采樣。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 干物質積累量

干旱脅迫處理結束后，每處理隨機選取3株生長一致的幼苗取樣，分析天平稱量植株地上部鮮重：根部用水洗凈后，濾紙吸于表面水分，稱地下部鮮重。兩者分別放于80℃烘箱烘干至恒重后稱干重并計算根冠比。

1.3.2 根系形態指標

使用根系掃描儀（EpsonExperssion 10000XL，EU-88，Seiko Epson Corp，Ja-pan）對幼苗根系指標進行測定。每處理隨機選取6株生長一致、根系完整的植株，用水將根系上多余的基質清洗干凈，將根系平鋪在塑料托盤中，向托盤中倒入一部分蒸餾水，讓蒸餾水沒過根系，用鑷子將根系交叉的部分全部撥開，以達到無重疊狀態，掃描得到根系總長、根系表面積、根系平均直徑等指標數據。

1.3.3 葉綠素熒光參數測定

采用PAM-2100便攜式調制葉綠素熒光儀（Walz Germany），每株菊花幼苗選第一片完全展開的功能葉進行測定。先測定光下表觀電子傳遞速率（ETR）、最大熒光（F'm）、穩態熒光（Fs）和最小熒光（F'o）；然后將同部位葉片暗適應20 min，測定初始熒光（Fo）、最大熒光（Fm）。根據以上測定的葉綠素熒光參數計算出可變熒光Fv=Fm-Fo、光系統Ⅱ（PSⅡ）最大光化學效率（Fv/Fm）=（Fm-Fo）/Fm、PSⅡ潛在光化學效率（Fv/Fo）=（Fm-Fo）/Fo、光化學猝滅系數（qP）=（F'm-Fs）／（F'm-F'o）和非光化學猝滅系數（NPQ）=（Fm-F'm）/F'm。

1.4 數據處理與分析

用Microsoft Excel 2022和Origin軟件進行數據處理分析、制圖和制表，用SPSS 26.0軟件進行相關性和顯著性分析（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 褪黑素對干旱脅迫下菊花幼苗生物量的影響

由圖1可知，干旱脅迫處理下菊花幼苗地上部和地下部生長都受到顯著抑制。與CK相比，PEG干旱脅迫處理（T1）菊花幼苗地上、地下部生物量和總生物量分別顯著降低49.1%、36.4%、46.6%。與T1相比，外源噴施不同濃度MT處理對干旱脅迫下菊花幼苗生物量的影響不同，T2、T3、T4中低濃度處理顯著提高幼苗地上部生物量，T5高濃度處理差異不顯著；T2、T3、T4處理幼苗地下部生物量與T1差異不顯著，T5處理顯著提高；T2、T3處理顯著提高幼苗總生物量，T4、T5處理差異不顯著。其中，T3處理（100μmol/L MT）菊花幼苗的地上部生物量、地下部生物量、總生物量分別較T1增加52.4%、26.9%、34.9%。表明，葉面噴施100μmol/L褪黑素可顯著促進干旱脅迫下菊花幼苗生長。

2.2 褪黑素對干旱脅迫下菊花幼苗根冠比和根系活力的影響

由圖2可知，干旱及外源噴施MT處理幼苗根冠比均有不同程度的增加。與CK相比，各處理幼苗根冠比分別顯著（T3除外）增63.0%、37.9%、28.1%、60.6%、107.3%，其中200μmol/LMT+PEG（T1）處理顯著高于其他處理，T3處理幼苗根冠比最低，較T1顯著降21.4%。表明干旱脅迫下植株地上、地下部于物質分配比例會發生明顯改變，地下部生物量明顯增加，這有助于植株在干旱環境下充分吸收利用水分和養分。

根系活力是幼苗地下部生長代謝強弱的直接反映。與CK相比，干旱及外源噴施MT處理菊花幼苗根系活力均顯著下降，其中T1降幅最大，外源噴施MT處理不同程度緩減了干旱脅迫下根系活力的降幅。各干旱脅迫處理中，隨MT濃度增加，幼苗根系活力呈現先增后降趨勢，其中，100μmol/LMT處理顯著高于其他處理。以上結果表明，外源噴施適宜濃度褪黑素可以顯著減輕干旱脅迫對幼苗根系造成的損傷。

2.3 褪黑素對干旱脅迫下菊花幼苗根系形態的影響

根系是植株吸收和輸送水分、養分的重要器官，也是最先感應到缺水信號的部位。由圖3可知，不同處理下菊花幼苗根系形態差異明顯。由表1可知，與CK相比，T1處理幼苗根系總長顯著增加，T2、T3處理明顯減小，差異不顯著。根系總投影面積和根系總表面積的變化趨勢一致，T2、T3處理較T1處理顯著減少，與CK差異不顯著，T5處理較CK顯著增加。根系體積T4處理最大，T2處理最小，二者差異顯著，其他處理間差異不顯著。T3處理下根系平均直徑最大，根尖數最少。表明100μmol/L MT處理仍能較好地維持干旱脅迫下菊花幼苗對養分及水分的吸收，進而保證其基本生長發育。

2.4 干旱脅迫下褪黑素處理菊花幼苗根系性狀間的相關性分析

為探明干旱脅迫下不同濃度褪黑素處理菊花幼苗根系性狀間的關系，對根系相關指標進行皮爾遜相關分析。如表2所示，根系總長度與根系總投影面積、根系總表面積和根尖數呈極顯著正相關；根系總投影面積與根系總表面積和根系體積呈極顯著正相關，與根系平均直徑呈顯著正相關；根系總表面積與根系體積極顯著正相關，與根系平均直徑顯著正相關；根系體積與根系平均直徑極顯著正相關：根系平均直徑與根尖數極顯著負相關，根系總長度與根系平均直徑、根系體積不存在顯著相關性；根尖數與根系總投影面積、根系總表面積及根系體積不存在顯著相關性。表明根系總長度、根系總投影面積和根系總表面積與根系各性狀的關聯程度較大。

2.5 褪黑素對干旱脅迫下菊花幼苗葉綠素熒光特性的影響

葉綠素熒光參數是葉綠素在光合作用過程中光能利用效率、光合成效率等的直接反映。由圖4可知，不同濃度MT處理均對菊花幼苗葉片葉綠素熒光參數產生較大影響。除暗適應最大熒光（Fm）外，其他葉綠素熒光參數值較CK均下降。

相較于CK，干旱脅迫處理菊花幼苗葉片的光化學淬滅系數（qP）顯著降低，其中T1（PEG脅迫）處理降幅最大，T3（100μmol/L MT+PEG）處理降幅最小。非光化學淬滅系數（NPQ）明顯降低，T3處理降幅最大，與CK差異顯著。表明適宜濃度的MT能較好地提高菊花幼苗的抗旱能力，從而增強其光能利用效率。

與CK相比，隨著MT濃度增加，干旱脅迫下菊花幼苗葉片的PSⅡ潛在光化學效率（Fv/Fo）、PSⅡ最大光化學量子產量（Fv/Fm）和表觀電子傳遞速率（ETR）均明顯降低；T1-T5處理表現為先升后降的變化趨勢，PEG模擬干旱（T1）處理最低，100μmol/L MT+PEG（T3）處理最高，且Fv/Fo和ETR與CK均無顯著差異。暗適應最大熒光產量（Fm）隨MT處理濃度增加呈上升趨勢，200μmol/L MT+PEG（T5）處理顯著高于CK，其他處理與CK差異不顯著。綜合表明較高濃度的MT反而會對幼苗葉片光合效率產生不利影響。

綜上，干旱脅迫降低菊花幼苗葉片光合系統活性并造成一定傷害，外源噴施MT可有效減輕這種傷害，以100μmol/L MT處理效果最優。

3 討論與結論

缺水條件下植株為維持體內水分，通常會通過改變分子、細胞和生理代謝等方面來調控生長，在這一系列改變中植株的形態變化表現最為直觀。白燕丹在干旱脅迫下對棉花進行褪黑素浸種的研究中發現，干旱脅迫下外源褪黑素浸種的棉花幼苗保持較高的生物量，此外，在小麥的相關研究中也得到驗證。本研究發現，干旱脅迫導致菊花幼苗的地上、地下生物量均嚴重降低，而外源褪黑素處理后幼苗地上、地下生物量均有不同程度的增加。

根系是植物吸收礦質營養和最先感應養分含量變化的器官，同時也是遭受干旱脅迫最直接的部位。根系活力是反映植物根系吸收功能、合成能力、氧化還原能力以及生長發育情況的綜合指標。本研究發現，根系總投影面積和總表面積均隨著褪黑素濃度的增加逐漸增大，且除100μmol/L MT處理外，其余褪黑素濃度處理菊花幼苗的根冠比顯著增加，但干旱脅迫下100μmol/LMT處理菊花幼苗的根系活力值最高。以上結果表明，外源MT對干旱脅迫下植物生長策略的改變具有一定的解除作用，能有效緩解干旱脅迫對菊花幼苗生長的抑制作用，保持植物正常的營養輸送。李冬等在煙草（Nicotiana tabacum）上的研究發現，干旱脅迫下外源噴施褪黑素降低了根冠比：葉君等在小麥的研究中發現，干旱脅迫下外源根施MT也能顯著降低小麥（Triticum aesti-vum）幼苗的根冠比。本試驗結果與其一致，說明對不同作物而言，褪黑索均可以不同程度緩解逆境脅迫的抑制作用。推測其原因可能在于MT具有和生長素相同的前體物質及相似的生理功能，會通過誘導生長素的合成來促進植物內源油菜素內酯（BR）的生成，以此來增強對植物體內生理代謝活動的調節作用，保護根系結構不受破壞，提高根系對水分和養分的吸收利用，抵御干旱脅迫對植株造成的損傷。

植物葉綠素熒光參數是研究和評價逆境下植物光合作用的重要參考指標，可以直接反映植物生長、病害及受脅迫的情況。植物在正常生長條件下，葉綠素吸收的光能主要通過三種途徑來消耗：一是用于促進光化學反應，包括電子傳遞和光合磷酸化；二是轉變為熱耗散；三是葉綠素熒光發射，三者是相互競爭的關系。干旱會抑制植物的光合能力以及葉綠素熒光的正常運行，致使ETR、Fv/Fm、Fv/Fo等葉綠素熒光指標大幅下降，同時吸收的光能會以熱的形式散失，從而降低光能利用效率。研究表明，干旱脅迫導致玉米葉片PSⅡ的電子傳遞速率（ETRⅡ）和PS Ⅰ的電子傳遞速率（ETR Ⅰ）明顯降低，適宜濃度褪黑素處理后，提高了光能利用效率和電子傳遞速率，同時顯著降低玉米葉片的NPQ。本試驗結果顯示，干旱脅迫導致Fv/Fm、Fv/Fo、qP、NPQ和ETR降低，致使過量的光能無法用于光化學反應，最終以熱的形式散失，降低了植物光能利用效率。噴施100μmol/L MT有利于緩解干旱脅迫對PSⅡ反應中心活性和電子傳遞過程的傷害和抑制，并提高植株對光能的轉化效率以及光合電子傳遞能力，進而促進光合色素的積累，增強菊花幼苗的光合作用?？梢妵娛┻m宜濃度的褪黑素不僅緩解了干旱脅迫對菊花幼苗PSⅡ結構和功能的損傷，而且促進菊花幼苗的恢復性生長，這與前人關于褪黑素緩解干旱脅迫下光合機構損傷的研究結果一致。

綜上所述，干旱脅迫致使菊花幼苗的生物量、根系活力、Fv/Fm值顯著降低，根冠比顯著升高，生長受到嚴重影響。葉面噴施不同濃度外源褪黑素，可緩減干旱對菊花幼苗根系形態的傷害及其生物量的減少幅度，減輕干旱脅迫引起的葉片光合系統損傷，有效提高光合效率，從而保障幼苗葉片光合作用正常進行。因此，利用外源褪黑素緩減干旱脅迫帶來的危害，是增強菊花幼苗抗旱性的一種重要途徑。本試驗條件下，以100μmol/L褪黑素處理效果最佳。

基金項目：寧夏回族自治區重點研發計劃項目“彩菊切花種苗快繁及精細化栽培技術集成示范”（2022BBF03035）；寧夏回族自治區重點研發計劃（引才專項）項目“CmJAZ調控園林小菊抗旱性分子機理研究”（2022BSB03062）