外源褪黑素對特用玉米種子低溫脅迫響應的影響

中圖分類號：S513.01 文獻標志碼：A 文章編號：1002-1302（2025）12-0123-07

玉米（ZeamaysL.）是世界上最重要的農作物之一，幾乎在世界各個地方都被作為主食進行種植[1-2]。隨著我國飼料業和工業等產業的發展，玉米總產值逐年增加，玉米已經在我國經濟發展中占有重要地位[3]。黑龍江省地處我國北方，是我國春玉米主要種植區[4]。由于玉米屬于喜溫作物，種子萌發初期對溫度極為敏感，研究表明低溫易造成玉米種子萌發遲緩、生育期延遲、成苗低、粉種和爛種等現象，導致玉米后期生物量和產量下降[5-6]。低溫脅迫后，植物體內抗氧化酶活性降低，活性氧（reactiveoxygenspecies，ROS）大量積累，造成膜脂過氧化[]。低溫處理玉米幼苗后，植株通過調節體內保護酶的活性和滲透調節物質的含量，避免或減輕低溫逆境對植株的損傷，其中超氧化物岐化酶（superoxidedismutase，SOD）、過氧化物酶（peroxidase，POD）過氧化氫酶（catalase，CAT）活性和膜損傷物質丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量均上升[8-9]。低溫脅迫時，玉米體內抗氧化劑含量升高，提高細胞的溶解度，平衡細胞的滲透性，促進酶的活性，降低細胞受損程度[0] O

植物調節因子褪黑素（N-乙酰-5-甲氧基色胺，melatonin，MT）是一種吲哚類化合物，是目前已知的抗氧化作用最強的內源性自由基清除劑，參與植物體內多種生理過程，包括種子萌發、根發育，具有提高光合能力、增強非生物逆境抗性等作用[11]研究發現，玉米幼苗外源施入褪黑素后再進行低溫處理，與未施入組相比，幼苗SOD、POD和CAT活性顯著提高°，可溶性糖（solublesugar，SS）含量隨著脅迫時間的增加而增高[12] 。

黑龍江省地處我國北方，春季氣溫較低，低溫冷害和倒春寒現象時有發生，嚴重影響玉米種子萌發和幼苗生長。目前，關于褪黑素調節玉米抗低溫的研究較少，且主要集中在褪黑素對玉米幼苗施用后再進行低溫脅迫，并未開展褪黑素對玉米種子預處理后再進行低溫脅迫的研究。因此，本研究以4種特用玉米品種為供試材料，常溫條件下外源褪黑素處理后分別進行 15.10.4°3 種低溫脅迫2d，再對轉入正常室溫條件（ 25^°C ）培養的玉米種子萌發過程中的生長指標、生理指標活性和生物量進行測定，揭示不同特用玉米品種種子萌發和生長過程中對低溫脅迫的響應，為解決黑龍江地區春播玉米冷害問題提供解決方案。

1材料與方法

1 試驗材料

供試玉米品種如表1所示，由黑龍江省農業科學院經濟作物研究所玉米組提供

表1供試玉米品種

褪黑素試劑購自Solarbio公司（CAS：73-31-4，cat#M860O）。SOD、POD、CAT活性和丙二醛、可溶性糖含量等生理生化指標測定試劑盒均購自蘇州科銘生物技術有限公司，操作方法參考試劑盒說明書。

2 試驗設計

試驗于2023年在黑龍江農業科學院經濟作物研究所進行。選均勻飽滿、大小一致的玉米種子，用 10% 次氯酸鈉（NaCIO）溶液浸泡消毒 15min 后，用無菌水沖洗10次，再用無菌濾紙吸干種子表面水分，自然干燥，備用。

以不添加任何試劑的無菌水作為對照，每個三角瓶內加入 30mL 無菌水和20粒玉米種子，封口。以加入 100μmol/L 褪黑素溶液作為處理組，每個三角瓶內加人褪黑素溶液 30mL 和20粒玉米種子，封口。室溫（ 25‰ ）避光浸種處理 ^12h ，取出，用無菌水沖洗5次，無菌濾紙吸干種子表面水分，自然干燥，備用。將直徑 9cm 的雙層濾紙放人無菌培養皿中，取上述經過外源褪黑素處理后的玉米種子分別進行 15，10，4^°C 處理， 48h 后轉人室溫培養。每隔2d加1次無菌水，保證濾紙始終潮濕。

試驗每個處理水平100粒種子，重復3次。室溫培養第3天進行發芽勢測定；第5天在每株植株樣品上選取均勻完整的莖葉，測定玉米幼苗的生理指標；在第7天取樣測定玉米幼苗的生物量指標。

室溫培養條件為光/暗周期 16/8h ，相對濕度為75% ，光照強度為 4000lx 。

3 測定項目與方法

3.1生長指標測定取室溫培養第3天的玉米幼苗，測定種子發芽勢，公式如下。

種子發芽勢 。

式中： N₁ 表示培養第3天正常發芽的種子粒數； N

表示供試種子粒數。

3.2生理指標活性的測定取室溫培養第5天的玉米種子，取 0.1g 幼苗的葉片（鮮重），參考試劑盒說明書進行植物組織SOD、POD、CAT活性，丙二醛和可溶性糖含量測定。

3.3生物量的測定取室溫培養第7天的玉米幼苗，用直尺測量幼苗芽長，剪取根部，測量其主根長度，用濾紙吸干水分，在分析天平上測定單株玉米種子根部鮮重，然后將其置于烘箱里， 105^°C 殺青20min 后， 80^°C 烘干至恒重，再次測量，記為植株單株玉米種子根部干重。

4數據處理

利用室內試驗，分析品種、低溫和藥劑處理3個因素對玉米不同目標性狀的影響。試驗采用完全隨機設計方案，重復次數為 10～20 次。用MicrosoftExcel2016進行數據整理，采用多因素方差分析方法，多重比較選擇 LSD 方法，采用最小顯著差數法1 α=0.05，LSD） 進行不同處理間和互作間均值的顯著性差異比較。數據分析利用R軟件的“agricolae”軟件包完成。

2 結果與分析

2.1外源褪黑素對低溫脅迫下不同品種玉米種子發芽勢的影響

結果如圖1所示，供試4個玉米品種本身的發芽勢不同（圖1－A），呈現顯著差異。其中1號品種發芽勢最高，2號品種發芽勢最低。不同低溫脅迫處理，再轉入常溫3d后發芽勢不同（圖1-B），其中 15^°C 處理組的發芽勢與 10.4^°C 處理組呈現顯著差異。 10% 和 4°C 處理組的發芽勢差異不顯著。

褪黑素對玉米種子進行預處理后再進行低溫脅迫，結果顯示， 15^°C 脅迫后，轉入室溫條件下培養3d，3種玉米品種的發芽勢均無顯著變化，只有2號玉米品種發芽勢顯著降低（圖1-C）; 10% 脅迫后，室溫條件下培養3d只有4號玉米品種發芽勢提高（圖1-D）； 4^°C 下脅迫后，室溫條件下培養3d4種玉米品種的發芽勢均有有提高（圖1-E）。由此可見，褪黑素對不同玉米品種發芽勢的影響與品種本身的特性相關。褪黑素對玉米品種發芽勢的影響還與低溫脅迫的溫度相關， 4°C 條件脅迫后，室溫條件下不同玉米品種的發芽勢均提高。

不同小寫字母表示不同處理間在0.05水平上差異顯著。下圖同

圖1外源褪黑素預處理后不同低溫脅迫下4種玉米品種種子發芽勢的變化

2.2外源褪黑素對低溫脅迫下不同品種玉米種子萌發過程中抗氧化酶活性的影響

褪黑素預處理后再進行不同低溫脅迫，轉入室溫培養5d對不同品種玉米種子萌芽后葉片中SOD、POD和CAT活性及MDA含量進行測定。2.2.1外源褪黑素對低溫脅迫下不同品種玉米種子萌發過程中SOD活性的影響不同低溫脅迫后4種供試玉米品種種子萌芽后葉片中SOD活性變化規律有所不同。 15°C 條件下，與不施入褪黑素相比，4種供試玉米品種的幼葉中SOD活性均未被提高（圖2-A）; 10% 條件下，與不施入褪黑素相比，只有4號玉米品種幼葉中SOD活性顯著增加（圖2-B）; 4^°C 條件下，與不施入褪黑素相比，4種供試玉米品種幼葉中SOD活性均增加，且2號和4號玉米品種幼葉中SOD活性顯著增加（圖2－C）。其中2號品種SOD活性增加 18.76% ，4號品種SOD活性增加了 353.35% 0

圖2外源褪黑素預處理后不同低溫脅迫下4種玉米品種種子萌發過程中SOD活性的變化

2.2.2外源褪黑素對低溫脅迫下不同品種玉米種子萌發過程中POD活性的影響通過對POD活性的測定，發現不同溫度脅迫條件下，4種供試玉米品種種子萌芽過程中POD活性均顯著增加（圖3）。

2.2.3外源褪黑素對低溫脅迫下不同品種玉米種子萌發過程中CAT活性的影響通過對CAT活性的測定，發現不同溫度脅迫條件下，4種供試玉米品種種子萌芽過程中CAT活性變化規律有所不同（圖4）。 15°C 條件下，與不施入褪黑素相比，1號和4號玉米品種的幼葉中CAT活性均提高，但只有1號玉米品種CAT活性顯著增加（圖4－A）； 10% 條件下，與不施入褪黑素相比，1號、3號和4號玉米品種的幼葉中CAT活性增加，其中1號和4號玉米品種CAT活性顯著增加（圖4-B）； 4°C 條件下，與不施入褪黑素相比，1號、3號和4號玉米品種幼葉中CAT活性增加，只有1號玉米品種顯著增加（圖4-C）。

2.2.4外源褪黑素對低溫脅迫下不同品種玉米種子萌發過程中細胞膜損傷相關指標的影響由圖5可知，與對照相比，不同溫度脅迫條件下，褪黑素處理后4種供試玉米品種的種子萌芽過程中MDA含量變化規律相同。與不施人褪黑素相比，3種溫度脅迫下4種供試玉米品種幼葉中MDA含量均增加。其中 4°C 條件下，4種玉米品種種子中MDA含量均顯著增加。

2.3外源褪黑素對低溫脅迫條件下不同品種玉米萌發過程中可溶性糖含量的影響

由圖6-A和圖6-B可知， 15°C 和 10% 條件下，與不施入褪黑素相比，4種供試玉米品種的種子萌芽后葉片中可溶性糖含量變化規律同，其中只有2號玉米品種種子可溶性糖含量下降，其余3種玉米品種可溶性糖含量上升。且 10% 條件下，1號，3號和4號玉米品種種子可溶性糖含量顯著增加。由圖6-C可知， 4‰ 條件下，與不施入褪黑素相比，4種玉米品種種子中的可溶性糖含量均顯著增加。

2.4外源褪黑素對低溫條件下不同品種玉米種子生物量的影響

褪黑素預處理后再進行不同低溫脅迫，轉入室溫培養7d后對不同品種玉米種子萌芽后芽長、主根長、單粒種子根的鮮重和干重進行測定。

2.4.1外源褪黑素對低溫脅迫下不同品種玉米芽長的影響由圖7可知，4種供試玉米品種種子萌發后芽長生長受到一定的影響。 15°C 條件下，與不施入褪黑素相比，1號、3號和4號玉米品種芽長長度均有提高，分別提高45. 83% 、16. 44% 和28.22% ，其中1號和4號玉米品種芽長長度顯著增加； 10% 條件下，與不施入褪黑素相比，只有3號和4號玉米品種芽長長度提高，分別提高 5.51% 和6. 14% ： 4‰ 條件下，與不施入褪黑素相比，1號、2號和3號玉米品種芽長長度提高，分別提高2.42%.66.31% 和 5.12% 。由此可見，施人褪黑素后，在3種低溫脅迫條件下，4種供試玉米品種中大部分玉米種子的芽長長度有一定的增加，但僅有3號玉米品種在3種低溫脅迫條件下芽長長度均得到提高。

圖7外源褪黑素預處理后不同低溫脅迫下4種玉米品種芽長的變化

2.4.2外源褪黑素對低溫脅迫下不同品種玉米主根長的影響由圖8可知，4種供試玉米品種種子萌發后主根長度受到一定的影響。 15°C 和 10% 條件下，與不施人褪黑素相比，1號、2號和3號玉米品種主根長度均有提高，但均未達到顯著增長水平。4^°C 條件下，與不施人褪黑素相比，只有1號玉米品種主根長度提高，但也未達到顯著差異水平；由此可見，施入褪黑素后，在3種低溫脅迫條件下，只有1號玉米品種主根長度得到提高。

2.4.3外源褪黑素對低溫脅迫下不同品種玉米主根鮮重和干重的影響由表2可知，在不同低溫脅迫條件下，施人褪黑素后，4種供試玉米品種種子根部鮮重均有所提高，除1號玉米品種在 4‰ 脅迫條件下根部鮮重增加達到顯著水平外，其余3個玉米供試品種在3種低溫脅迫條件下根部鮮重差異均未達到顯著水平。

圖8外源褪黑素對不同低溫脅迫下不同品種玉米種子主根長的影響

表2外源褪黑素對不同低溫脅迫下不同品種玉米種子根部鮮重的影響

由表3可知，在3種低溫條件下，與不施入褪黑素相比，僅在 10% 脅迫條件下，2號品種玉米種子干重增加達到顯著差異水平。

表3外源褪黑素對不同低溫脅迫下不同品種玉米種子根部干重的影響

3討論

溫度是影響玉米種子萌發和生長的關鍵條件之一，低溫脅迫會影響玉米的生長發育、形態建成、生理生化、生長代謝，導致其受到傷害、抑制其生長，進而導致植株減產，造成不可避免的經濟損失[13]。特別是種子萌發期間，低溫脅迫會影響萌發速度和質量。褪黑素作為一種植物生長調節物質，在植物抗性反應中起到很大作用，在一定程度上可以緩解植株遭受生物和非生物脅迫的損害[14]

本研究通過外源施加褪黑素對4種特用玉米種子進行預處理，然后在不同低溫下脅迫處理2d，再轉入室溫（ 25^°C ）培養，從不同品種玉米種子萌發過程中生長狀態、生物量、生理生化及氧化還原過程的變化規律等方面，分析褪黑素對玉米種子萌發過程，以及幼苗響應低溫脅迫的作用。楊浩等研究表明，低溫（ 10% ）條件與室溫（ 25^°C ）條件相比下，玉米種子萌發過程中發芽勢會降低[15]。褪黑素可促進植物種子萌發，提高植物對低溫條件的耐受性[16]。本研究發現，褪黑素對玉米種子發芽勢的影響與品種本身的特性相關。褪黑素對玉米品種發芽勢的影響還與脅迫溫度相關， 4‰ 脅迫條件下，4種供試玉米品種的發芽勢均提高。說明外源加入褪黑素能夠提高 4°C 低溫脅迫條件下特用玉米種子的發芽勢。

低溫會影響植物細胞膜組分，使植物細胞膜的流動性降低，導致代謝物積累和細胞氧化還原狀態改變[17]。MDA 是衡量細胞膜損傷以及植物對于低溫耐受程度的一個重要指標。低溫脅迫后，細胞會產生有毒物質MDA。同時在低溫脅迫條件下，會誘導產生ROS，既可誘導生物適應非生物脅迫，又能夠造成植物的過氧化損傷，具有雙重功能[18]。劉新宇等的研究表明，外源褪黑素提高了玉米幼苗葉片中SOD、POD和CAT的活性，同時有效降低了葉片MDA 含量[19]。韋安星研究表明，外源褪黑素可顯著提高玉米幼苗中 SOD、POD 和CAT 活性[9]。李欠敏等的研究表明，褪黑素可顯著提高低溫脅迫條件下玉米葉片POD 活性[20]。本研究發現，外源褪黑素預處理后再分別進行不同低溫脅迫處理，不同品種玉米種子萌發后葉片中SOD、POD和CAT活性有一定的變化。玉米種子SOD活性變化規律有所不同， 15°C 條件下，4種玉米品種幼葉SOD活性均未被提高。 10% 脅迫下只有1個玉米品種SOD活性提高。 4‰ 脅迫下4種玉米品種SOD活性均被提高；3種溫度脅迫條件下，4個玉米品種POD活性和大部分玉米品種CAT活性均有所提高。說明外源褪黑素預處理后再進行低溫脅迫，玉米萌發過程中體內抗氧化酶代謝起到促進作用。與楊浩等的研究結果[8.15]相一致，外源褪黑素處理后，MDA含量增加，用以保護植物細胞。

玉米在低溫條件下首先會造成出苗不齊和缺苗的情況，植株根部發育不好，植株矮小，干物質低。低溫脅迫時，植物體內可溶性糖含量升高，維持細胞滲透勢進而保持水分平衡。侯雯等研究結果顯示，外源施人褪黑素后，低溫脅迫下玉米幼苗生長特征和可溶性糖含量隨著低溫脅迫時間增加而增高，且可溶性糖含量對照組和處理組間存在顯著差異[12]。劉新宇等的研究同樣發現，外源褪黑素可以顯著提高低溫下玉米幼苗株高、根長和生物量[19]。李欠敏等在白菜幼苗上的研究顯示，經過外源褪黑素預處理，白菜幼苗的根長、株高、葉長、鮮重和干重比未處理的幼苗顯著提升[20]。本研究中也得到類似結果，外源褪黑素對4種供試特用玉米品種的種子進行預處理，低溫脅迫后發現玉米幼葉的芽長、根長、根部鮮重、根部干重和可溶性糖含量整體提高。

4結論

黑龍江省是我國春玉米主要種植區，溫度與玉米種子萌發、生長和發芽密切相關，對玉米的生理指標活性和生物量有一定的影響。常溫條件下外源褪黑素處理玉米種子后分別進行3種低溫脅迫，再對轉入正常條件下玉米種子萌發過程中的生長指標、生理指標活性和生物量進行測定。試驗結果顯示，3種溫度脅迫下，玉米種子萌芽過程中POD活性和MDA含量均有增加，大部分品種玉米幼葉中CAT活性增加;玉米種子生物量整體提高。說明外源施入褪黑素對玉米種子進行預處理能夠緩解低溫對玉米種子萌發過程中生長的抑制作用，提高發芽勢，促進體內抗氧化酶代謝，減緩對細胞膜和細胞的氧化、破壞作用，提高生物量，降低低溫對玉米種子萌發過程的傷害。

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