高温强光下外源褪黑素对栝楼雌花生理生化特性的影响

吴 燕，乔晓燕，葛伟强，高青海，*

(1.安徽科技学院 建筑学院，安徽 蚌埠 233000； 2.安徽科技学院 农学院，安徽 凤阳 233100)

随着全球气候的变化，高温、强光、霜冻等极端天气频繁发生，对农业生产造成较大影响，其中夏季高温强光对作物的影响较大[1]。研究表明，高温强光不仅影响作物生长和生理生化，还影响作物的生殖发育。此外，高温强光还显著降低植物叶绿素代谢水平和光合速率，抑制植物幼苗生长[2-3]。在生产中，花粉是作物结出果实和种子的先决条件，其活性是作物产量的限制因素，35 ℃高温条件下苹果(MaluspumilaMill.)花粉管变粗，不能进入胚珠完成受精[4]。前人研究发现，40 ℃高温影响到黄瓜(CucumissativusL.)的授粉受精，果实中几乎没有发育完整的种子[5]。同时，为抵御高温强光环境，植物体内的抗氧化酶和渗透调节物质的活性也发生变化。高温胁迫下，植物体内超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(APX)等酶活性升高或降低，细胞电解质渗漏率、丙二醛含量升高，细胞发生衰老和死亡[6-7]。

褪黑素(MT)是一种广泛存在于生物体内的吲哚胺类化合物，具有调节植物生长、促进种子萌发、调节光周期、调控根系生长、延缓叶片衰老等生理功能，还能够缓解逆境胁迫对植物的影响[8]。此外，褪黑素的抗氧化特性赋予它较强的活性氧(ROS)清除能力，在光照、温度、水分和盐等胁迫下能提高生物体抗氧化酶的活性[9-10]。

栝楼(TrichosantheskirilowiiMaxim)为葫芦科栝楼属多年生攀援草本植物，生长发育适温为15～28 ℃。近年来，安徽、江苏、山东等地种植效益好，种植面积逐年增加。夏季6—8月是栝楼重要的开花坐果期，高温强光影响到栝楼开花结果。目前，有关高温强光对作物影响的研究多集中在水稻(OryzasativaL.)、棉花(GossypiumhirsutumL.)、玉米(TriticumaestivumL.)等作物上[11]，有关高温强光下外源物质MT对栝楼雌花生理和发育的影响鲜见报道。为此，本研究以栝楼为材料，研究高温强光下，喷施外源MT对栝楼雌花抗氧化酶活性、渗透调节物质含量、活性氧和坐果率等的影响，为进一步探明高温强光下外源MT对栝楼的缓解机理奠定基础，旨在为夏季栝楼高效生产提供理论指导和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2019年4—9月在安徽省蚌埠清菲农业科技有限公司和安徽科技学院农学院实验室进行。供试栝楼品种为皖蒌9号，由蚌埠清菲农业科技有限公司提供。试验处理所需褪黑素(melatonin)由美国AgroFresh公司提供。

1.2 处理设计

选择地势平坦、排水灌溉条件良好的地块进行试验，土壤矿质元素均衡。试验田位于安徽省蚌埠市曹老集镇，117°21′E、33°35′N，属暖温带半湿润季风气候区。选用2年生的栝楼植株为试验材料，定植密度为1.5 m×2 m，4月上旬出苗，6月上旬开始开花结果，采用水肥一体化技术，按照栝楼生长发育需求进行定量供给，病虫害防治按照常规管理。试验处理于7月10日进行，选择长势一致的栝楼，共设2个处理，分别为对照(18:00左右喷施清水)和喷施外源MT处理(18:00左右叶面喷施200 μmol·L-1MT)，进行叶片表面喷施，每次喷施以叶片均匀附着1层小水滴为准。每隔2 d喷施1次，共处理4次。每个处理小区占地24 m2(4 m×6 m)，处理小区随机排列，重复3次。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 生物量的测定

处理20 d统计坐果率，果实直径达到5 cm以上即为坐住果。坐果率=果实数/雌花数。果实充分膨大后随机采摘测定果实单果重，重复3次，计算平均值。

1.3.2 栝楼雌花抗氧化酶活性和H2O2含量测定

处理10 d，分别在09:00、11:00、13:00、15:00、17:00取样全雌花，利用液氮将鲜样冷冻，然后测定抗氧化酶SOD、POD、CAT和APX的活性，测定方法参照高俊凤[12]的方法。H2O2含量测定参照高俊凤[12]的方法，每组处理重复3次。

1.3.3 可溶性糖和脯氨酸含量测定

处理10 d，分别在09:00、11:00、13:00、15:00、17:00取样全雌花，并进行栝楼雌花可溶性糖、脯氨酸含量的测定，具体参照高俊凤[12]的方法。

1.3.4 相对电导率和丙二醛(MDA)含量测定

处理10 d，分别在09:00、11:00、13:00、15:00、17:00取样全雌花，进行栝楼雌花相对电导率和MDA含量测定，MDA采用硫代巴比妥酸法，具体参照Schmedes等[13]的方法。

1.3.5 花粉萌发率测定

取完全开放的栝楼雄花，待花粉阴干后播于100 mg·L-1硼酸+250 g·L-1蔗糖+10 g·L-1琼脂的固体培养基上，25 ℃暗培养4 h，统计花粉萌发率，具体方法参照文献[14]。

1.3.6 气温和光照强度测量

气温和光照强度均采用传感器测定，气温传感器和光照传感器安装在与栝楼雌花同水平的位置，每12 m2安装1套，共安装12套，取平均值。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2017和DPS 6.55软件进行数据分析，对有显著(P<0.05)差异的处理采用新复极差法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 高温强光下温度和光照强度日变化

夏季高温强光影响到作物正常生长发育。由图1可以看出，2019年7月10日气温变化比较平稳，均高于28 ℃，14:00气温达到41 ℃。光照强度变化幅度较大，13:00光量子通量密度达到1 440 μmol·m-2·s-1(图1)。可以看出，夏季温度和光照强度均超出栝楼生长发育的适宜需求，说明夏季高温强光会对栝楼造成一定的逆境胁迫。

2.2 高温强光下外源MT对栝楼雌花SOD和POD活性的影响

由图2可以看出，夏季高温强光下栝楼雌花抗氧化酶活性随着时间的变化呈现先升高后降低的趋势。与对照相比，外源MT的施用，可显著(P<0.05)提高栝楼雌花的SOD和POD活性，在13:00，外源MT处理的栝楼雌花SOD和POD活性分别为140.3、83.5 U·mg-1，分别比对照组高68.02%和90.8%。这说明，夏季高温强光下，外源MT可显著提高栝楼雌花SOD和POD的活性。

2.3 高温强光下外源MT对栝楼雌花CAT和APX活性的影响

无相同字母的表示差异显著(P<0.05)。下同。Point marked without the same letters indicated significant difference at P<0.05. The same as below.

图中数据以蛋白计。图3同。Data was detected based on protein. The same as figure 3.

由图3可以看出，夏季高温强光条件下，栝楼雌花CAT和APX的活性也呈现先升高后降低的趋势，13:00达到最高值。外源MT处理可显著(P<0.05)提高CAT和APX的活性，分别比对照提高17.5%和88.9%，这也与气温和光照强度的变化趋势相似。表明在高温逆境胁迫下，外源MT可以提高栝楼雌花抗氧化酶活性，降低细胞内活性氧积累。

2.4 高温强光下外源MT对栝楼雌花H2O2含量的影响

图4显示在夏季高温强光条件下，栝楼雌花组织内H2O2含量与光照强度和气温呈正相关。外源MT处理可显著(P<0.05)降低栝楼雌花体内的H2O2含量，在15:00比对照处理降低了27.5%。由此说明，高温强光下外源MT处理可以降低栝楼雌花H2O2积累，从而减缓活性氧对雌花的危害。

2.5 高温强光下外源MT对栝楼雌花相对电导率和丙二醛含量的影响

由图5可以看出，在夏季高温强光胁迫下栝楼雌花的相对电导率和丙二醛含量均呈先升高后降低的日变化趋势，在13:00达到最大值，分别为83.5%和60.2 nmol·g-1。外源MT可以显著(P<0.05)降低栝楼雌花相对电导率和丙二醛含量，与对照处理相比，分别降低了29.5%和19.9%。由此说明，夏季高温强光条件下，栝楼雌花细胞膜受到一定程度损害，外源MT可以缓解高温强光对栝楼雌花的损伤，同时栝楼雌花细胞膜随外界环境变化而发生变化。

图3 高温强光下外源MT对栝楼雌花CAT和APX活性的影响Fig.3 Effects of exogenous MT on CAT and APX activities in female flowers of trichosanthes under high temperature and strong light

数据以鲜质量计。下同。Data was detected based on fresh weight. The same as below.

2.6 高温强光下外源MT对栝楼雌花脯氨酸和可溶性糖含量的影响

图6表明，高温强光下栝楼雌花脯氨酸和可溶性糖含量均呈现先升高后降低的趋势，外源MT处理的栝楼雌花脯氨酸含量在11:00达到最大值，为5.82 μg·g-1，比对照显著(P<0.05)升高了45.5%。外源MT处理不仅提高了栝楼雌花的脯氨酸含量，同时也增加了其可溶性糖含量。11:00栝楼雌花可溶性糖含量达到7.8 g·kg-1，随着时间的延长，栝楼雌花可溶性糖含量略有下降，变化较平稳；对照组的栝楼雌花可溶性糖含量在13:00达到最大值，为6.2 g·kg-1。由此说明，高温强光下，外源MT处理可以促进栝楼雌花小分子物质脯氨酸和可溶性糖积累，增强栝楼雌花的渗透调节能力。

图5 高温强光下外源MT对栝楼雌花相对电导率和MDA含量的影响Fig.5 Effects of exogenous MT on relative conduction and MDA content in female flowers of trichosanthes under high temperature and strong light

图6 高温强光下外源MT对栝楼雌花脯氨酸和可溶性糖含量的影响Fig.6 Effects of exogenous MT on proline and soluble sugar contents in female flowers of trichosanthes under high temperature and strong light

2.7 高温强光下外源MT对栝楼花粉萌发率的影响

由图7可以看出，栝楼花粉萌发率对高温强光比较敏感，随着温度升高和光照增强，栝楼花粉萌发率呈现降低趋势，09:00花粉萌发率较高。与对照处理相比，外源MT处理可以显著提高花粉萌发率，在09:00达到35.5%，对照处理的仅为26.8%。栝楼花粉萌发率也受到温度和光照强度日变化的影响，下午尽管温度和光照强度有所降低，但是花粉萌发率仍然降低。综上，高温强光下外源MT处理可以提高栝楼的花粉萌发率。

2.8 高温强光下外源MT对栝楼坐果率和单果鲜质量的影响

由图8可知，高温强光下栝楼坐果率较低，仅为15.8%，外源MT处理可以显著(P<0.05)提高栝楼坐果率，使其达到24.9%，与对照相比提高了9.1百分点。高温强光下外源MT处理不仅促进栝楼坐果，而且提高了果实质量，其单果鲜质量比对照处理显著(P<0.05)提高了36.3 g。由此说明，在高温强光下使用外源MT可以促进栝楼坐果和果实发育。

图7 高温强光下外源MT对栝楼花粉萌发率的影响Fig.7 Effects of exogenous MT on pollen germination rate of trichosanthes under high temperature and strong light

图8 高温强光下外源MT对栝楼坐果率和单果鲜质量的影响Fig.8 Effects of exogenous MT on fruit setting rate and single fruit weight of trichosanthes under high temperature and strong light

3 讨论

随着工业化进程的加快，全球气温逐渐变暖，气温升高严重影响植物的生长发育[15]。研究表明，气温每升高1 ℃，小麦(TriticumaestivumL.)和水稻的产量分别降低4%和10%[16]。相对于生长过程，植物的生殖过程对高温更为敏感，因此植物的生殖器官更容易受到高温胁迫的危害[17]。前人研究表明，高温不仅会降低开花数量[18]，还会影响到花器官发育的全过程，导致花粉结构和发育异常，花粉活性降低或丧失[19]。同种作物不同品种对高温的响应也有差异，耐高温的水稻品种保持较高的抗氧化酶活性、较低的膜透性和MDA含量，这也是水稻耐高温的生理基础[19-20]。

ROS是一类化学性质活跃且具有较高氧化活性的分子，在高温强光等逆境胁迫下植物体内会大量积累。为了应对ROS胁迫，植物会提高其抗氧化酶SOD、POD、APX等的活性，清除体内ROS，保持体内活性氧代谢平衡[21]。本试验中，夏季高温强光下栝楼雌花抗氧化酶SOD、POD、CAT、APX活性与温度和光照强度变化呈正相关，随着温度和光照强度增加均呈现升高趋势，而后随着温度和光照强度的降低呈现下降的趋势。与对照相比，喷施外源MT可以降低雌花细胞内H2O2含量，有效维护细胞膜结构和稳定性，表现在雌花相对电导率和丙二醛含量降低。这是因为在高温强光胁迫下外源MT可显著提高栝楼雌花抗氧化酶SOD、POD、CAT、APX活性，从而加速了细胞内活性氧的清理。前人对茄子(CapsicumannuumL.)、黄瓜、甜瓜(SolanummelongenaL.)等作物的研究也有类似的报道[22-24]。

可溶性糖和脯氨酸在植物对高温等逆境胁迫响应中起着重要作用，高温等逆境胁迫下植物细胞内会迅速积累渗透调节物质，以增强自身的渗透调节能力，维持细胞的渗透压，调节细胞的正常生理功能[25-26]。本研究结果表明，在高温强光处理下，栝楼雌花的可溶性糖和脯氨酸的含量变化受温度和光强的日变化影响，呈先升高后降低的变化趋势。外源MT的施用可以显著提高栝楼雌花可溶性糖和脯氨酸含量，使渗透调节物质迅速积累，在11:00栝楼雌花脯氨酸含量达到最大值，为5.82 μg·g-1，比对照提高了45.5%，可有效缓解高温强光对栝楼雌花组织造成的渗透胁迫。与夏惠等[27]在猕猴桃(ActinidialindL.)上的研究结果一致。

温度是影响植物繁殖的重要因子之一，在雌雄配子发育过程中，温度胁迫常导致花粉败育[28-29]。前人研究发现，高温胁迫降低了水稻结实率，外源硅处理可提高水稻花粉的萌发率和结实率[20]。本研究结果表明，高温强光下外源MT不仅显著提高了栝楼花粉的萌发率，而且还可以提高栝楼的坐果率，达到24.9%，比对照提高9.1百分点。这是由于夏季高温强光下，外源MT可以提高栝楼雌花的抗氧化酶活性，促进渗透调节物质迅速积累，进而缓解高温强光对栝楼生殖器官的危害，促进夏季高温强光条件下栝楼的果实发育，表现为单果鲜质量明显增大。

夏季温度和光照对栝楼生殖生长影响较大，尤其是栝楼雌花的生理发生较大的变化。随着温度和光照强度的日变化，栝楼雌花抗氧化酶活性和渗透调节物质均呈现先升高后降低的趋势。喷施外源MT可以显著提高栝楼雌花抗氧化酶SOD、POD、CAT和APX的活性，较高的抗氧化酶活性可使植物体及时清除雌花细胞内的活性氧，降低细胞内的活性氧含量、丙二醛含量和相对电导率，提高渗透调节物质，如可溶性糖和脯氨酸的含量，有效维持细胞渗透调节平衡，进而提高栝楼花粉萌发率，促进高温强光季节栝楼的坐果和果实的发育，表现为坐果率和单果鲜质量显著提高。