外源褪黑素对硝酸盐胁迫下番茄幼苗生长及渗透调节物质的影响

徐宁 孙晓慧 曹娜 王闯 李光亚 薛淼云

摘    要：为了探讨外源褪黑素调控番茄幼苗渗透调节物质抵御硝酸盐胁迫的生理机制，选用主栽番茄品种‘红粉冠军为试验材料，采用灌根法研究不同浓度外源褪黑素对硝酸盐胁迫下番茄幼苗生长和叶片H2O2含量、O2-产生速率、渗透调节物质含量的影响。结果表明，75 mmol·L-1硝酸盐处理的番茄幼苗株高、茎粗、根长及幼苗地上部、地下部生物量均低于对照，胁迫处理下番茄幼苗叶片H2O2含量和O2-产生速率一直比对照高，50、100、150 μmol·L-1外源褪黑素降低了H2O2含量和O2-产生速率，显著缓解番茄幼苗膜脂过氧化，加速了番茄幼苗的生长。外源褪黑素处理的番茄幼苗叶片中脯氨酸、游离氨基酸、可溶性蛋白和可溶性糖含量显著提高，番茄幼苗渗透调节能力提升。综合分析表明，外源褪黑素提高了番茄幼苗叶片中渗透调节物质含量，有效缓解了硝酸盐对番茄幼苗细胞质膜的伤害，提升了番茄幼苗对硝酸盐胁迫的抗性，100 μmol·L-1外源褪黑素处理效果最显著。

关键词：番茄;褪黑素;硝酸盐胁迫;渗透调节物质

中图分类号：S641.2 文献标志码：A 文章编号：1673-2871（2020）09-023-05

Absract： In order to explore the physiological mechanism of exogenous melatonin regulate osmotic adjustment substance on alleviating nitrate stress in tomato seedlings， the main tomato variety ‘Hongfen Champion was used as the test material， the effects of different concentrations of exogenous melatonin on the tomato seedling growth and tomato seedling leaf H2O2 content， O2- production rate， osmotic adjustment substance content under nitrate stress through irrigation root method. The results showed that the plant height， stem diameter， root length， shoot biomass and root biomass of tomato seedlings were all lower than the control under the stress of 75 mmol·L-1 nitrate. The H2O2 content and O2- production rate in tomato seedling leaves under stress were higher than that of control. The 50， 100 and 150 μmol·L-1 exogenous melatonin reduced the H2O2 content and O2- production rate， significantly alleviated the membrane lipid peroxidation of tomato seedlings and accelerated the growth of tomato seedlings. The content of soluble sugar， soluble protein， proline and free amino acid in tomato leaves can be significantly increased by exogenous melatonin， and the osmotic regulation ability of tomato seedlings can be effectively enhanced. According to the comprehensive analysis， the addition of exogenous melatonin increased the content of osmotic regulatory substances in tomato seedling leaves， effectively alleviated the damage of nitrate to the cytoplasmic membrane of tomato seedlings， and improved the resistance of tomato seedlings to nitrate stress， the effect of exogenous melatonin at 100 μmol·L-1 was the most significant.

Key words： Tomato; Melatonin; Nitrate stress; Osmotic adjustment substance

番茄（Lylopersicon esculentum）是温室主栽蔬菜种类之一，果品营养丰富且口感佳，种植面积和产量居世界首位[1]。番茄种植过程中，在高温高湿且缺少自然雨水淋溶的温室环境中，单一性大量化肥施入及連作种植模式等原因易引起耕层土壤次生盐渍化，严重制约其生长发育[2]。番茄次生盐渍化耕层土壤中，NO3-占阴离子总量的67%～76%[3]。硝酸盐的累积，破坏土壤理化及养分环境平衡，根际土壤微生物种群结构失调[4]，番茄植株活性氧伤害累积，损伤细胞结构及代谢，打破常规光合速率，番茄产量及果品质量受到严重影响[5-7]。

褪黑素（N-乙酰基-5-甲氧基色胺，Melatonin，MT）是色氨酸吲哚类衍生物，为新型植物生长调节剂[8-9]，近几年作为新型激素研究备受关注。前期研究表明，外源褪黑素可激活低温弱光、高温、硝酸盐等多种非生物胁迫下黄瓜幼苗的抗氧化系统[10-13]，促进黄瓜生长发育，进而提高产量。外源褪黑素也可以缓解番茄低温[9，14]、干旱[9，15]、中性盐[16]、碱性盐[17]、镉[18]等非生物胁迫。笔者前期研究表明，硝酸盐胁迫下，外源褪黑素处理可有效激活番茄幼苗抗氧化系统，提高其抗性[19]。园艺植物叶片渗透物质调节是其适应次生盐渍化胁迫的重要机制之一[20]。笔者采用番茄试材，在硝酸盐胁迫下，利用不同浓度外源褪黑素溶液进行灌根处理，检测番茄生长发育指标及叶片渗透调节物质含量等，探讨外源褪黑素调控渗透调节物质、抵御硝酸盐胁迫的生理机制，为外源褪黑素在设施番茄生产中的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验于2019年在聊城职业技术学院日光温室试验基地内进行。供试品种为鲁西北地区番茄主栽品种‘红粉冠军，褪黑素（Melatonin，MT）购自Sigma公司。

1.2 试验处理和设计

试验选取健康状况一致的番茄主栽品种‘红粉冠军，常规方法浸种、催芽，选饱满且大小一致的种子播于装有专用基质（V椰糠∶V菇渣∶V珍珠岩=2∶2∶1）的穴盘中。试验处理设置如表1。NO3-胁迫浓度在预备试验中确定，对照处理（CK）灌根等量去离子水。试验中NO3-由Ca（NO3）2·4H2O 和 KNO3提供，各占50%。每处理120株，3次重复，完全随机区组排列。

幼苗长至3叶1心时，选用不同浓度MT溶液，17：00对番茄幼苗进行灌根处理，2 d浇灌1次，每穴10 mL，处理4次。最后一次MT处理后第2天17：00进行硝酸盐灌根处理，4 d 后再处理1次，每穴10 mL。最后一次硝酸盐处理后，0、2、4、6、8 d分别取生长点下第3片叶，用于叶片H2O2含量和O2-产生速率测定;0、4、8 d分别取生长点下第4片叶，用于叶片渗透调节物质含量测定。15 d后取出番茄幼苗，测量其生长指标。

1.3 测定项目和方法

番茄株高和根长采用直尺测量，株高为根茎结合部到植株生长点的距离（cm），根长为番茄主根长度（cm）;茎粗采用游标卡尺测量，茎粗为高于基质面1 cm处的茎部粗度（cm）;植株干鲜质量采用电子天平称量，将整个植株用去离子水清洗干净，吸水纸拭干，从根茎结合部将地上部和地下部分开，电子天平称其鲜质量（g），然后置于105 ℃杀青15 min后，于75 ℃烘干至恒重，称其干质量（g）。

H2O2含量采用TiCl4沉淀法[21]测定;O2-产生速率参照Tian等[22]的方法测定;可溶性糖含量采用蒽酮比色方法测定;可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G-250方法测定;脯氨酸、游离氨基酸含量采用茚三酮比色方法测定[23]。

1.4 数据分析

采用Duncan新复极差法进行差异显著性检验，利用Excel 2003和DPS软件对数据进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 外源褪黑素处理对硝酸盐胁迫下番茄幼苗生长的影响

由表2可以看出，硝酸盐胁迫处理（T1～T4）下番茄幼苗的株高、茎粗和根长均低于对照，硝酸盐胁迫抑制了番茄幼苗生长。外源褪黑素处理（T2～T4）的番茄幼苗生长指标均高于单一硝酸盐胁迫处理（T1）的幼苗，外源褪黑素显著缓解硝酸盐胁迫，加速番茄幼苗的生长。T1处理的株高、茎粗和根长比对照分别低17.07%、20.00%和16.89%，显著抑制幼苗生长;T3处理的株高、茎粗和根长比T1高19.66%、20.45%和14.84%，100 μmol·L-1外源褪黑素处理缓解作用最显著。

由图1可以看出，硝酸盐胁迫抑制番茄幼苗的生长，地上部及地下部的干鲜质量均显著低于对照。外源褪黑素处理可显著缓解硝酸盐胁迫下番茄的生长，其中100 μmol·L-1外源褪黑素处理缓解作用最显著，50和150 μmol·L-1外源褪黑素处理缓解作用其次，T2和T4处理之间差异不显著。

2.2 外源褪黑素处理对硝酸盐胁迫下番茄幼苗叶片中H2O2含量和O2-产生速率的影响

由图2可以看出，随着硝酸盐胁迫时间的延长，番茄幼苗叶片H2O2含量持续上升，O2·-产生速率呈先增高后降低的趋势。硝酸盐胁迫处理叶片H2O2含量和O2-产生速率一直比对照高，番茄幼苗膜脂过氧化作用严重。外源褪黑素降低了H2O2含量和O2-产生速率，显著缓解番茄幼苗膜脂过氧化。胁迫处理8 d，硝酸盐胁迫处理T1番茄叶片H2O2含量和O2-产生速率比对照高195.43%和81.42%，50、100、150 μmol·L-1外源褪黑素处理番茄幼苗叶片H2O2含量和O2-产生速率比T1分别低13.98%、30.73%、15.72%和26.09%、35.90%、32.68%。外源褪黑素处理缓解了番茄幼苗叶片H2O2含量和O2-产生速率的上升趋势，100 μmol·L-1外源褪黑素处理最显著。

2.3 外源褪黑素处理对硝酸盐胁迫下番茄幼苗叶片中渗透调节物质的影响

由图3可以看出，硝酸盐胁迫0 d，5个处理的脯氨酸和游离氨基酸含量差异不显著;胁迫处理8 d，对照处理的脯氨酸和游离氨基酸相对胁迫0 d时变化较小，硝酸盐胁迫处理（T1～T4）的脯氨酸和游离氨基酸含量上升，这表明硝酸盐胁迫刺激番茄幼苗叶片渗透调节物质释放。试验处理中，添加外源褪黑素处理的叶片脯氨酸和游离氨基酸含量显著高于T1，其中100 μmol·L-1外源褪黑素处理效果显著。

由图4可知，硝酸盐胁迫8 d，对照处理的叶片可溶性糖和可溶性蛋白含量相对胁迫0 d时变化较小，硝酸盐胁迫处理的上述2个指标上升，均高于對照。外源褪黑素处理试验，番茄幼苗叶片中可溶性糖、可溶性蛋白含量均显著高于T1。胁迫处理8 d，50、100、150 μmol·L-1外源褪黑素处理的番茄幼苗叶片可溶性糖和可溶性蛋白含量比T1分别高3.05%、14.50%、-0.76%和8.45%、19.64%、6.11%，可见100 μmol·L-1 褪黑素处理效果最显著，50 μmol·L-1次之。

3 讨论与结论

硝酸盐累积是影响设施番茄可持续发展的重要环境因子之一。土壤中累积的硝酸盐对番茄植物体细胞膜完整性、渗透调节物质平衡均具有显著影响[24]。细胞膜结构被破坏，导致植物体电解质渗透率提高，细胞膜稳定指数越来越低，活性氧代谢加强，H2O2含量积累和O2-产生速率提升[25-26]。试验结果表明，硝酸盐胁迫处理下番茄幼苗的株高、茎粗、根长、地上部及地下部生物量均低于对照，胁迫处理下番茄幼苗叶片H2O2含量和O2-产生速率一直比对照高，硝酸盐胁迫处理番茄幼苗膜脂过氧化严重，显著抑制番茄幼苗的生长发育，这与何明明等[27]、陈珣等[28]在番茄上的研究结果一致。硝酸盐积累还导致小白菜[25]、黄瓜[29]、樱桃番茄[30]等作物膜脂过氧化，引起园艺植物叶片中H2O2和O2-含量的增加，各种作物生长受到抑制。外源褪黑素作为一种新型植物生长调节剂，抗氧化能力是维生素E和谷胱甘肽的2～4倍，甘露醇的14倍[11]。大量研究表明，外源褪黑素可直接清除·OH和H2O2[31-32]，缓解O2-产生速率，显著抑制番茄幼苗膜脂过氧化，加速番茄幼苗的生长发育。

设施番茄次生盐渍化胁迫时，为维持水分平衡、调节细胞内渗透势，植物细胞内会积累可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸等渗透调节物质[27-28]。硝酸盐胁迫处理下，黄瓜[29]、樱桃番茄[30]叶片可溶性糖、脯氨酸含量显著增加，这与本研究结果一致。渗透调节是园艺植物适应设施次生盐渍化环境动态变化的重要机制之一，硝酸盐作为主体次生盐渍化阴离子，大量累积会胁迫设施园艺植物合成并积累一些有机小分子物质，以提升植物自身渗透调节能力，保证植物细胞正常生理功能运转[33]。

硝酸盐胁迫处理下，番茄幼苗葉片中可溶性糖、可溶性蛋白以及脯氨酸、游离氨基酸含量显著增加，以缓解硝酸盐累积胁迫。褪黑素亲水性显著，进入细胞过程通畅，添加外源褪黑素处理可进一步显著提高番茄叶片中渗透调节物质含量，其吸附在细胞膜上维持细胞膜结构与功能的稳定，进一步提高了叶片中渗透调节物质的运输能力[34]，也有效增强了番茄幼苗的渗透调节能力。

综上分析表明，硝酸盐胁迫下，番茄幼苗灌根添加外源褪黑素，提高了番茄幼苗叶片中渗透调节物质含量，缓解了硝酸盐对番茄幼苗细胞质膜的伤害，增强了番茄幼苗对硝酸盐胁迫的抗性。在本试验条件下，外源添加100 μmol·L-1褪黑素缓解番茄幼苗受硝酸盐胁迫的效果最好。

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