外源褪黑素对盐胁迫下棉花幼苗形态及抗氧化系统的影响*

段文静,孟妍君,江 丹,刘连涛,张 科,张永江,孙红春,白志英**,李存东**

(1.河北农业大学生命科学学院 保定 071000; 2.华北作物改良与调控国家重点实验室/河北省作物生长调控重点实验室/河北农业大学农学院 保定 071000)

土壤盐渍化是由自然或人类活动引起的一种主要环境风险,全球大约有8.31亿hm土壤受到盐渍化威胁。盐分胁迫对植物产生的显著效应就是抑制植物组织和器官进行生长与分化,从而造成植物生长发育迟缓。根是植物的主要营养器官之一,根系与植物地上部分相互作用、共同协调,促使植物能够在变化环境中正常发育。根系亦是植物最先感知盐环境的器官,盐胁迫能够抑制作物根和地上部生长,影响幼苗株高以及干物质积累。盐胁迫亦可导致植物根系发生一系列变化,致使单株平均根数减少、幼苗主根变短、长度下降以及根总面积减小。

盐胁迫导致渗透胁迫和离子毒害,可使植物产生大量活性氧(ROS),致使丙二醛(MDA)等有害过氧化物积累,造成膜脂过氧化,导致ROS产生与清除之间的动态平衡被破坏,从而造成氧化胁迫。植物体内的抗氧化酶系统主要包括超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)等。盐胁迫下植物体内抗氧化酶活性上升,渗透调节物质可溶性糖含量增加,以清除过多ROS,从而保护膜系统免受破坏,提高植物的耐盐性; 植物细胞在盐胁迫下所能忍受的ROS水平存在一个阈值,在阈值之内,植物能够通过提高抗氧化酶活性来清除活性氧自由基,但当超过这个阈值时,抗氧化酶活性便会受到抑制。

褪黑素(N-乙酰-5-甲氧基色胺,MT),又名松果素、美拉托宁,是一种低分子量(232.27)的吲哚胺类物质,1958年于牛的松果体中被首次发现。在褪黑素发现后40年里,人们一直认为褪黑素是一种动物激素,直到1995年后,在大量植物中亦发现了褪黑素。研究发现,褪黑素具有多种生理功能,可促进植物发育,并增强植物的抗逆性。不同植物可从根、子叶、叶和种子中吸收外源褪黑素。陈莉等研究发现,低浓度褪黑素(10 μmol·L、20 μmol·L)浸种处理能够促进种子胚根伸长,增加种子萌发后的生物量; 提高了棉花(spp.)种子的SOD、POD、CAT、APX活性,增加可溶性糖含量,降低MDA含量,提高棉花种子的抗盐能力。褪黑素亦能够提高甜瓜(L.)、油菜(L.)和拟南芥[(L.) Heynh.]等植物的抗氧化物酶活性,增强植物抗逆性。褪黑素能够调控植物根系的发育,从而影响作物生长。Ye等发现,100 μmol·L褪黑素浸种预处理能够促进小麦(L.)根系的发育。Zhang等研究发现,100 μmol·L褪黑素能促进黄瓜(L.)根系生长,增强根系活力,提高根茎比率。Park等结果表明,0.5 μmol·L和1 μmol·L褪黑素能增加水稻(L.)种子根长和根系生物量,促进幼苗根系的生长发育。习林杰认为,施加1 μmol·L褪黑素促进了盐胁迫下生菜(var.Hort.)的侧根数目、根直径以及根系表面积。

棉花是一种耐盐性较强的作物,对盐胁迫具有一定的适应性和调节能力,但其苗期耐盐性较差。目前关于褪黑素对棉花调控效应的研究主要集中于种子萌发方面,而关于外源褪黑素对盐胁迫下棉花幼苗的影响及调控效应研究较少。因此,本研究以‘国欣棉9号’为材料,探讨褪黑素对盐胁迫下棉花幼苗形态及其抗氧化系统和渗透调节物质的影响及调控效应,为褪黑素的开发利用及棉花栽培调控提供理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

供试棉花品种为‘国欣棉9号’,由河北省河间市国欣农村技术服务总会提供。褪黑素配置: 将褪黑素(Sigma公司)用95%乙醇稀释至200 mmol·L,作为储液保存在—20 ℃冰箱; 供试营养液为霍格兰营养液。

1.2 试验方法

1.2.1 褪黑素浓度的筛选

试验于2020—2021年在河北省保定市河北农业大学西校区温室进行。

选取大小一致、饱满且胚完整的棉花种子,75%乙醇浸泡消毒20 min,蒸馏水冲洗4次。消毒后,将棉花种子分别在0 μmol·L、0.1 μmol·L、1 μmol·L、10 μmol·L、50 μmol·L、100 μmol·L和150 μmol·L的褪黑素溶液中浸泡24 h,之后将种子平铺于放有湿毛巾的托盘上,待棉种萌发并露白1 cm时,播于穴盘中。棉花幼苗长到1叶一心时移到霍格兰营养液中。在棉苗长到两叶一心时开始盐处理(预试验筛选,NaCl浓度为150 mmol·L)。在盐处理第15 d时,对棉花幼苗株高、干物质重量和根系形态进行测定。设置8个处理: 0 NaCl＋0 μmol·L褪黑素(CK)、150 mmol·LNaCl+0 μmol·L褪黑素(S)、150 mmol·LNaCl+0.1 μmol·L褪黑素(MT0.1)、150 mmol·LNaCl+1 μmol·L褪黑素(MT1)、150 mmol·LNaCl+10 μmol·L褪黑素(MT10)、150 mmol·LNaCl+50 μmol·L褪黑素(MT50)、150 mmol·LNaCl+100 μmol·L褪黑素(MT100)和150 mmol·LNaCl+150 μmol·L褪黑素(MT150),每处理重复3次,每12株棉苗的平均值表示1次重复,营养液每3 d更换一次,每天上午下午各充氧1 h。室内昼夜温度分别控制在28 ℃/25 ℃,光周期为14 h/10 h,湿度恒定为75%,光照强度为600 μmol·m·s。

1.2.2 试验处理

选取大小一致棉花种子,种子消毒后晾干。以预试验筛选出的10 μmol·L作为褪黑素浓度,将棉花种子分别在0 μmol·L和10 μmol·L的褪黑素溶液中浸泡24 h,之后将种子平铺于放有湿毛巾的托盘上,待棉种萌发并露白1 cm时,播于穴盘中。棉花幼苗长到1叶一心时移到霍格兰营养液中。在棉苗长到两叶一心时开始盐处理(NaCl浓度为150 mmol·L)。设置4个处理: 0 NaCl+0 μmol·L褪黑素(CK)、0 NaCl+10 μmol·L褪黑素(MT)、150 mmol·LNaCl+0 μmol·L褪黑素 (S)、150 mmol·LNaCl+10 μmol·L褪黑素(MS),每个处理重复3次,每12株棉苗的平均值表示1次重复,室内培养条件同上。

在处理第15 d时,测定棉苗叶和根系的形态、生物量及其生理指标,每个处理取6株棉花幼苗。

1.3 测定方法

株高: 利用直尺测量子叶节到顶端生长点长度。

干物重: 各处理分别取6株幼苗,分成地上和地下两部分,在通风处晾干。105 ℃杀青20 min,电热鼓风干燥箱85 ℃烘至恒重。

根系形态: 将幼苗根系置于扫描仪上,使其漂浮于平板扫描仪(A3尺寸)丙烯酸托盘中,避免根系重叠和交叉; 利用EPSON Scan扫描软件扫描幼苗根系,获取根系扫描图片后,利用根系分析系统Win-RHIZO分析总根长、总投影面积、总表面积、总体积、根系平均直径等形态学参数; 利用根系分析系统WinRHIZOTron分析侧根数目、主根长、主根平均直径、主根表面积等形态学参数。

生理指标: SOD活性测定采用WST-1法,POD活性测定采用愈创木酚法,CAT活性测定采用钼酸铵法,APX活性测定利用紫外比色法,MDA含量测定利用微板法,可溶性糖含量测定采用蒽酮比色法。SOD、POD、CAT和APX活性及MDA和可溶性糖含量检测试剂盒均购自南京建成公司。

1.4 统计分析

数据分析采用方差分析(ANOVA),采用SPSS数据处理系统,作图采用GraphPad Prism 8.0。

2 结果与分析

2.1 褪黑素浓度的筛选

2.1.1 不同浓度褪黑素对盐胁迫下棉花幼苗株高和干物质积累的影响

不同浓度褪黑素和盐胁迫处理对棉花幼苗株高和干物质积累量产生了不同程度的影响。由表1可知,与正常条件(对照,CK)相比,盐胁迫处理的棉花幼苗株高均出现了显著降低(＜0.05); 而经褪黑素浸种的棉花幼苗,在盐胁迫处理下,株高随褪黑素浓度升高呈现先升后降的变化,其中在MT10处理下棉花幼苗株高最高,与CK处理差异显著(＜0.05)。

表1 不同浓度褪黑素（MT）对盐胁迫下棉花幼苗株高和干物质重量的影响Table 1 Effects of melatonin (MT) under different concentrations on plant height and dry matter weight of cotton seedlings under salt stress

分析幼苗干物重可知,盐胁迫处理的棉花幼苗干物质重量相比于CK显著降低(＜0.05),褪黑素浸种处理的棉花幼苗,在盐胁迫下干物质重量随褪黑素浓度升高先升高后降低,在MT10处理下棉花幼苗干物质重量最高,这表明10 μmol·L褪黑素浸种处理能够促进盐胁迫下棉苗干物质量积累。

2.1.2 不同浓度褪黑素对盐胁迫下棉花根系形态的影响

不同褪黑素处理对盐胁迫下棉花根系形态产生了不同调控效应。分析根系形态参数(表2)可知,盐胁迫下(S),总根长、根系总投影面积、根系总表面积、根系总体积、根系平均直径均显著低于CK。施加不同浓度褪黑素后,棉苗根系形态参数均随褪黑素浓度升高呈现先升高后降低的变化趋势。在MT0.1、MT1、MT10、MT50、MT100处理下,棉苗根系总根长均显著高于S处理,分别增加了31.13%、42.58%、57.13%、51.13%和39.35%,但MT150处理与S间无显著差异。MT0.1、MT1、MT10、MT50、MT100、MT150处理下,棉苗根系投影面积较S处理显著增加32.09%、56.91%、93.52%、81.94%、59.98%和33.79%。MT0.1和MT150处理下,根系总表面积分别比S处理增加23.37%和25.76%,但与S处理无显著差异; MT1、MT10、MT50和MT100处理则显著高于S处理,且MT10与CK之间则无显著性差异。MT0.1、MT1、MT10、MT50、MT100处理下,棉苗根系总体积均显著高于S处理,分别增加48.91%、63.04%、89.13%、77.17%和56.52%,且MT10处理的根系总体积增加量最大。比较根系平均直径可知,除CK与S和MT0.1处理存在显著性差异外,其他各处理之间差异并不显著,且MT10处理的平均直径最高,比S处理增加22.92%但差异不显著。这表明不同浓度褪黑素对盐胁迫下的棉苗根系形态产生影响不同,其中10 μmol·L褪黑素浓度处理下根系形态表现最佳。因此10 μmol·L褪黑素作为本试验的最适褪黑素浓度。

表2 不同浓度褪黑素（MT）对棉花幼苗根系形态的影响Table 2 Effects of melatonin (MT) under different concentrations on root morphology of cotton seedlings

2.2 褪黑素浸种对盐胁迫下棉花幼苗株高和干物质积累的影响

从表3可知,褪黑素浸种(MT)后,棉花幼苗株高比正常条件(对照,CK)增加2.37%,但二者之间未呈现显著性差异; 盐胁迫(S)下,幼苗株高显著低于MT和CK处理; 褪黑素处理(MS)后,幼苗株高显著高于S处理,比S处理增加26.41%,但显著低于MT和CK处理。表明正常条件下褪黑素浸种促进棉花幼苗株高的效果并不显著; 而盐胁迫条件下,褪黑素浸种显著缓解了盐胁迫对棉花幼苗生长的抑制。

从表3可知,在正常条件下,MT处理地上、地下部及总干重分别比CK增加20.48%、20.00%、21.43%,MT与CK之间的地上部及总干重呈现显著性差异,但地下部干重却无显著性差异; 盐胁迫处理(S)下,地上、地下及总干物重均显著低于MT和CK处理(＜0.05); 褪黑素浸种处理(MS)后,地上部、地下部及总干重均显著高于S处理,分别比S处理提高25.64%、85.71%和37.78%,但均低于CK和MT处理。这表明褪黑素浸种处理同样能够促进盐环境下棉苗地上、地下部及总干物质量积累。

表3 褪黑素对盐胁迫下棉花幼苗株高和干物质重量的影响Table 3 Effects of melatonin on plant height and dry matter weight of cotton seedlings under salt stress

2.3 褪黑素浸种对盐胁迫下棉花苗期根系形态的影响

从表4可知,MT处理比CK处理的棉苗根系总长、总投影面积、总表面积、总体积以及侧根数分别提高7.52%、5.45%、9.02%、16.44%和19.40%,且MT处理下的总侧根数显著高于CK。而对于主根而言,MT处理比CK处理的棉苗主根长、表面积、体积和平均直径分别提高2.36%、81.55%、23.08%和38.03%,且MT处理下主根平均直径和主根表面积显著高于CK处理。

比较盐胁迫条件下(表4)的幼苗根系形态发现,S处理的棉苗总根长、总投影面积、总表面积、平均根系直径及侧根数目显著低于CK和MT处理。施加褪黑素后,MS处理比S处理的棉苗总根长、总投影面积、总表面积、总体积、平均根系直径以及侧根数目分别增加56.94%、80.10%、49.56%、51.55%、15.56%和57.03%,这两个处理之间仅有总根长、总投影面积、总表面积和侧根数目存在显著性差异。而对于主根而言,S处理的棉苗主根长、根表面积和根体积亦低于CK和MT处理,而根平均直径显著低于MT处理,但与CK相比无显著性差异。施加褪黑素后,MS比S处理棉苗主根长、根表面积、根体积和根平均直径分别提高4.41%、57.99%、40.94%和18.89%,但仅有主根平均直径和主根表面积存在显著性差异(＜0.05)。这表明褪黑素浸种处理能够增加棉花苗期根系总根长、侧根数目和主根平均直径,可通过促进棉苗侧根发育和主根直径增粗来缓减盐胁迫对棉花幼苗的伤害,但褪黑素浸种对棉花主根长的促进效果并不显著。

表4 褪黑素对盐胁迫下棉花幼苗根系形态的影响Table 4 Effects of melatonin on root morphology of cotton seedlings under salt stress

2.4 褪黑素浸种对盐胁迫下棉花幼苗抗氧化酶活性的影响

2.4.1 对SOD活性的影响

SOD是清除植物体内有害物质的关键活性酶。如图1A所示,在CK、MT、S和MS处理下,叶片SOD活性 分 别是13 961.29 U·g、13 251.61 U·g、6787.10 U·g和9574.19 U·g。MT处理的棉苗叶片SOD活性与CK间无显著性差异; 在盐胁迫的S和MS处理均显著低于CK和MT处理,但MS处理的SOD活性比S处理显著提高41.06%,表明褪黑素浸种能显著提高盐胁迫下棉花叶片SOD活性。

CK、MT、S和MS处理下棉苗根系SOD活性分 别 为466.11 U·g、514.29 U·g、356.75 U·g和398.41 U·g(图1B)。在正常条件下,MT处理的棉苗根系SOD活性最高,比CK处理显著提高10.34%; 盐胁迫的S和MS处理均显著低于CK和MT处理,但MS处理比S处理显著提高9.15%,说明褪黑素浸种能够促进盐胁迫与正常条件下棉花根系SOD活性。

2.4.2 对POD活性的影响

棉苗POD活性的变化趋势与SOD活性相似(图1C)。MT处理的叶片POD活性最高,为215.26 U·g,比CK处理显著提高11.04%; 盐胁迫的S和MS处理的POD活性(153.35 U·g和189.22 U·g)均低于CK和MT处理,但MS处理比S处理的棉苗叶片POD 活性显著提高23.39%,表明褪黑素浸种能够显著提高盐胁迫与正常条件下棉花叶片的POD活性。

MT处理的根系POD活性最高,为209.48 U·g,与CK(193.85 U·g)处理间无显著差异; 盐胁迫条件下,S和MS处理的根系POD活性分别为153.35 U·g和185.17U·g,均低于CK和MT处理,但MS比S处理显著提高20.75%(图1D),说明褪黑素浸种能够促进盐胁迫棉花根系POD活性的提高。

2.4.3 对CAT活性的影响

由图1E可知,CK、MT、S和MS处理下,棉花幼苗叶片CAT活性分别是89.37 U·mg、77.71 U·mg、22.91 U·mg和72.61 U·mg。MT和CK处理之间无显著差异; 盐胁迫的S和MS处理均低于CK和MT处理,但MS比S处理叶片CAT活性显著提高216.94%,表明褪黑素浸种能显著提高盐胁迫下棉花叶片的CAT活性。

图1 褪黑素对盐胁迫下棉花幼苗叶片（A,C,E,G）和根系（B,D,F,H）超氧化物歧化酶（SOD,A和B）、过氧化物酶（POD,C和D）、过氧化氢酶（CAT,E和F）和抗坏血酸过氧化物酶（APX,G和H）活性的影响Fig.1 Effect of melatonin on activities of superoxide dismutase (SOD,A and B),peroxidase (POD,C and D),catalase (CAT,E and F) and ascorbate peroxidase (APX,G and H) of cotton seedling leaves (A,C,E,G) and roots (B,D,F,H) under salt stress

由图1F可知,CK、MT、S和MS处理下,棉花根系CAT活性分别是16.14 U·mg、26.13 U·mg、8.64 U·mg和13.79 U·mg。MT处理的棉苗根系CAT活性最高,比CK处理显著提高61.90%; 盐胁迫的S和MS处理均低于CK和MT处理,但MS比S处理根系CAT活性显著提高59.61%,说明褪黑素浸种能增强盐胁迫与正常条件下棉苗根系的CAT活性。

2.4.4 对APX活性的影响

APX是植物活性氧代谢中一种重要抗氧化酶,可清除大量过氧化氢。CK、MT、S和MS处理下(图1G),棉花叶片APX活性分别是0.27 U·g、0.23 U·g、0.07 U·g和0.14 U·g。MT和CK处理间无显著差异; 盐胁迫的S和MS处理均低于CK和MT处理,但MS比S处理显著提高100.00%,表明褪黑素浸种增强了盐胁迫条件下棉花叶片的APX活性。

CK、MT、S和MS处理下,棉花根系的APX活性分别是0.20 U·g、0.27 U·g、0.06 U·g和0.17 U·g(图1H)。MT处理的棉苗根系APX活性最高,比CK处理显著提高35.00%; 盐胁迫的 S和MS处理均低于CK和MT处理,但MS处理比S处理显著提高183.33%,表明褪黑素浸种促进了盐胁迫与正常条件下棉苗根系的APX活性增高。

2.5 褪黑素浸种对盐胁迫下棉花幼苗MDA含量和可溶性糖含量的影响

2.5.1 对MDA含量的影响

MDA含量是反映细胞脂质过氧化程度的重要指标。如图2A所示,在CK、MT、S和MS处理下,棉花幼苗叶片MDA含量分别为14.75 nmol·g、8.64 nmol·g、26.95 nmol·g和14.75 nmol·g。MT处理和CK处理间无显著差异; 盐胁迫条件下,MS处理比S处理叶片MDA含量显著降低45.27%,表明褪黑素浸种能够显著降低盐胁迫下棉花叶片MDA含量,减轻了膜脂过氧化对棉花幼苗叶片的损害。

如图2B所示,CK、MT、S和MS处理下,棉花根系MDA含量分别是18.81 nmol·g、7.12 nmol·g、34.58 nmol·g和16.27 nmol·g。MT处理的棉苗根系MDA含量最低,比CK处理显著降低62.15%; 盐胁迫条件下,S和MS处理分别高于CK和MT处理,但MS比S处理根系MDA含量显著降低52.95%,说明褪黑素浸种能够显著降低正常条件和盐胁迫下的棉花根系MDA含量,减缓了膜脂过氧化对棉花幼苗根系的伤害。

图2 褪黑素对盐胁迫下棉花幼苗叶片（A）和根系（B）中丙二醛（MDA）含量的影响Fig.2 Effects of melatonin on malondialdehyde (MDA) contents in leaves (A) and roots (B) of cotton seedlings under salt stress

2.5.2 对可溶性糖含量的影响

可溶性糖是逆境条件下具有渗透调节作用的重要物质。CK、MT、S和MS处理下,棉花幼苗叶片可溶性糖含量分别为27.22 mg·g、37.35 mg·g、10.43 mg·g和14.33 mg·g(图3A)。MT处理的叶片可溶性糖含量最高,比CK处理显著提高37.21%; S和MS处理均低于CK和MT处理,MS比S处理叶片可溶性糖含量提高37.35%,表明褪黑素浸种能够提高正常条件棉花叶片的可溶性糖含量,增强渗透调节能力; 但盐胁迫下,这种作用不显著。

CK、MT、S和MS处理下,棉花幼苗根系可溶性糖含量分别为4.46 mg·g、10.11 mg·g、1.58 mg·g和3.30 mg·g(图3B)。正常条件下,MT处理的棉苗根系可溶性糖含量最高,比CK处理显著提高126.58%; 盐胁迫下,S和MS处理均显著低于CK和MT处理,MS比S处理根系可溶性糖含量显著提高108.15%,说明褪黑素浸种能够显著提高正常条件和盐胁迫环境下棉苗根系的可溶性糖含量,提高植物抗逆能力。

图3 褪黑素对盐胁迫下棉花幼苗叶片（A）和根系（B）中可溶性糖含量的影响Fig.3 Effect of melatonin on soluble sugar content in leaves(A) and roots (B) of cotton seedlings under salt stress

2.6 棉花幼苗形态及生理指标之间的相关性分析

为明确棉花幼苗形态及生理指标之间的相关性,对19个代表性指标进行了Spearman分析(图4),发现总干重(TDW)与株高(PHT)、主根长(MRL)、总根长(TRL)、根系平均直径(TRD)、总侧根数目(NLR)、叶片SOD活性(LSOD)、根系SOD活性(RSOD)、叶片POD活性(LPOD)、根系POD活性(RPOD)、叶片CAT活性(LCAT)、根系CAT活性(RCAT)、叶片APX活性(LAPX)、根系APX活性(RAPX)和叶片可溶性糖含量(LSS)、根系可溶性糖含量(RSS)均呈显著正相关,而与叶片MDA含量(LMDA)、根系MDA含量(RMDA)呈显著负相关。LSOD、RSOD、LPOD、RPOD、LCAT、RCAT、RAPX与LMDA和RMDA呈显著负相关。LSOD、LPOD、LCAT、LAPX、RSOD、RPOD、RCAT和RAPX呈显著正相关。表明棉苗株高升高、根系总根长增加、主根长增高、主根平均直径增加、侧根数目增加、抗氧化酶活性升高、可溶性糖含量增加、MDA含量减少,导致了棉苗生物量增加,反映了地上与地下部位具有形态与功能的一致性。

图4 棉花幼苗19形态及生理指标的相关性分析Fig.4 Correlation analysis between 19 morphological and physiological indexes of cotton seedlings

对19个代表性性状进行主成分分析发现,RMDA、LMDA与TDW、PHT、TRD、MRL、TRL、NLR、LSOD、LPOD、LCAT、LAPX、RSOD、RPOD、RCAT、RAPX及LSS、RSS均分布于PCA横轴上,但方向相反(图5); MRD位于PCA纵轴上。将19个性状归成了两个主成分,共解释了19个性状总变异的87.35%。其中总干重、株高、根系MDA含量、叶片MDA含量、根系平均直径、主根长、总根长、总侧根数目、叶片SOD活性、根系SOD活性、叶片POD活性、根系POD活性、叶片CAT活性、根系CAT活性、根系APX活性、叶片可溶性糖含量对第一主成分贡献较大,主根平均直径对第二主成分贡献较大。

图5 棉花幼苗19形态及生理指标的主成分分析Fig.5 Principal component analysis of 19 morphological and physiological indexes of cotton seedlings

3 讨论

3.1 外源褪黑素对盐胁迫下棉花幼苗株高和生物量的调控效应

根系是作物生长发育过程中生理活性物质同化和转化的重要场所,因此,根系的生长状况和新陈代谢直接影响作物地上部分的发育、干物质累积以及最终产量的形成; 反之,作物地上部生长状况和干物质积累量亦能反映出作物根系的生长状况。盐胁迫下植物发育迟缓,导致株高及干物重降低。棉花属于较为耐盐的经济作物,当盐浓度大于120 mmol·L时,随着盐浓度的增加,棉花幼苗生物量呈显著下降趋势。外源褪黑素能够缓解逆境胁迫造成的伤害,促进棉花幼苗和向日葵(L.)幼苗的株高及干物质重量。本研究发现,在盐胁迫第15 d时,棉花幼苗株高以及地上部、地下部干物质相比于正常环境棉苗均呈现明显下降,10 μmol·L褪黑素浸种处理显著提高了盐胁迫下棉花株高及地上、地下部干物质重量,表明低浓度褪黑素浸种能够减缓盐胁迫对棉苗生长发育的抑制,促进棉苗生长以及内部营养物质的积累,这与白燕丹和杨新元的研究结果一致。此外,本研究对棉花总干重和株高两个指标进行相关性分析发现,总干重和株高呈显著正相关(=0.95),说明随着棉苗株高升高,光合产物逐渐积累,其总干重会逐渐增加。

3.2 外源褪黑素对盐胁迫下棉花幼苗根系形态的调控效应

棉根属直根系,由主根和侧根组成。植物可通过改变根系形态(根长、根面积、直径、组织结构及空间构型等)以适应不同逆境环境。研究表明,较高浓度的NaCl处理可以通过增加植物根系总长度、总吸收面积和根总体积促进植物根系生长来适应盐胁迫; 而过高盐浓度则通过降低根系总长度、总吸收面积和根总体积抑制根系生长。本研究发现,盐(S)处理下棉花根系总根长、总表面积、总体积、根系平均直径相比于正常条件下显著降低,这也表明150 mmol·LNaCl处理会通过降低‘国欣9号’棉花品种幼苗根系总根长和总吸收面积抑制根系生长。有研究认为,褪黑素能够调控逆境胁迫下根系的生长发育。Zhang等研究发现,外源施加褪黑素能够提高黄瓜根系数量和根系直径,以抵御逆境胁迫,但是褪黑素对于根长作用效果并不显著。马旭辉等认为,施加1 μmol·L褪黑素显著提高了干旱条件下玉米(L.)幼苗的根长、根表面积、根体积以及侧根数目。本研究结果显示,经褪黑素浸种处理后,低浓度(1 μmol·L、10 μmol·L、50 μmol·L)褪黑素处理下,棉花根系总根长、总表面积、侧根数目及主根平均直径显著增加,但高浓度褪黑素处理下对各项指标影响并不显著; 且各指标在10 μmol·L褪黑素处理下各项指标均为最高。此外,我们还发现,无论是在正常条件下还是盐处理条件下,施加褪黑素均对棉苗侧根数和主根直径影响效果显著,但对主根长的促进效果并不明显,这说明褪黑素可通过调节棉花侧根发育以及主根直径增粗来促进根系生长,缓减盐胁迫环境对棉苗根系生长的抑制作用,提高棉苗根系对营养物质的吸收能力,这和Wang等的研究结果较为一致。

研究发现,植物地上性状与地下部分紧密相关,彼此依赖,互为制约。本研究通过对棉花幼苗代表性指标进行相关性分析发现,棉花幼苗总干重、株高与总根长、主根长、根系平均直径、总侧根数目呈显著正相关,表明外源褪黑素可通过促进棉苗侧根发育和主根直径增粗,促进了根系发育,从而增加幼苗株高及干物质积累。

3.3 外源褪黑素对盐胁迫下棉花幼苗抗氧化酶活性和可溶性糖含量的调控效应

在植物的正常生理活动中,ROS的产生和清除始终处于动态平衡,因而植物可抵抗自身ROS产生的伤害,但在盐渍环境下,它们能加速植物体内活性氧的积累,破坏了植物ROS清除的动态平衡,致使体内ROS大量累积,最终导致植物死亡。O—是活性氧的一种,是对生物产生氧化伤害的重要来源,而SOD能够促进O—发生歧化反应,生成HO和O,然后植物体内的POD、CAT和APX能够快速将HO分解为HO,即SOD、POD和CAT相互配合组成一个完整的活性氧清除系统。MDA是脂质过氧化的代谢终产物,可反映组织中自由基水平和自由基引起的脂质过氧化程度。可溶性糖是渗透调节物质,其含量的高低能够影响植物的保水能力和抗逆能力。研究表明,当土壤中NaCl含量在0.4%以下时,棉叶SOD、POD和CAT活性随含盐量增加而逐渐提高,当NaCl含量在0.4%以上时,SOD、POD和CAT活性迅速下降; NaCl含量在0.3%以上时,MDA含量随土壤NaCl含量增加而增加。本试验结果显示,经过150 mmol·LNaCl处理15 d后,盐处理的棉苗根与叶SOD、POD、CAT、APX活性及可溶性糖含量显著低于对照,MDA含量则显著高于对照,这可能是由于盐胁迫时间较长,致使棉苗内部NaCl含量大量积累,而导致抗氧化物酶活性低于正常环境下的棉苗,说明盐胁迫时间过长会导致棉苗清除活性氧和自由基的能力减弱,降低棉苗保水能力。

研究发现,褪黑素是一种有效的抗氧化剂,可通过清除ROS增强植物在胁迫环境中的抗逆性。崔桂宾研究发现,外源施加褪黑素显著提高PEG胁迫下小麦幼苗中抗氧化酶的累积,增强可溶性糖的合成。 Zhang等研究表明,NaCl胁迫下,褪黑素处理种子中SOD、POD和CAT活性较未处理显著提高1.3～5.0倍。Ma等研究发现,外源施加500 μmol·L褪黑素,木薯(Crantz)根中SOD、CAT和APX的活性显著增高。本研究结果表明,经过褪黑素浸种处理后,盐胁迫下棉苗SOD、POD、CAT活性以及可溶性糖含量比未经褪黑素处理显著升高,MDA含量则显著降低。表明褪黑素浸种均提高了盐胁迫下棉苗叶与根系的抗氧化酶活性,增加了可溶性糖含量积累,提升了盐胁迫下棉苗清除ROS和自由基能力,减缓了盐胁迫对棉苗产生的过氧化和渗透伤害。

通过对棉花幼苗代表性指标进行相关性分析发现,棉花幼苗总干重、株高与根和叶的SOD、POD、CAT、APX活性及可溶性糖含量均呈显著正相关,而与根和叶中MDA含量呈显著负相关,表明外源褪黑素可通过促进棉苗抗氧化酶活性增加,抑制MDA含量增加,减轻盐胁迫对幼苗的氧化损伤; 还可通过增加渗透调节物质可溶性糖含量,缓解盐胁迫对棉花幼苗的渗透胁迫,促进幼苗株高增加及干物质积累,提高棉苗的耐盐性,这与褪黑素减缓盐胁迫对油菜幼苗生长抑制的结果一致。

此外,我们还发现,在不施加盐条件下,褪黑素浸种处理后根中SOD、CAT、APX与叶中POD活性及可溶性糖含量均显著高于对照,MDA含量则显著低于对照,这说明在正常条件下,施加褪黑素也会促进棉苗根抗氧化酶活性的提高,抑制棉苗MDA含量的积累,褪黑素具有生长素的作用,亦能调控植物的正常发育。

4 结论

本试验所设的4个处理中,盐胁迫处理下棉苗株高最低,根系最不发达,干物重最少,抗氧化酶(SOD、POD、CAT、APX)活性及可溶性糖含量最低,而MDA含量最高; 10 μmol·L褪黑素浸种后,可提高盐胁迫下棉苗株高及生物量,增加根系总根长、侧根数目、主根直径,提高根与叶中的SOD、POD、CAT、APX活性,增加可溶性糖含量,降低MDA含量。此外,外源褪黑素还可促进正常条件下棉花幼苗发育。对19个代表性指标的Spearman相关分析结果表明,外源褪黑素可能是通过促进棉苗侧根发育和主根直径增粗以及抗氧化酶活性和渗透调节物质可溶性糖含量增加,来减缓盐胁迫对棉花幼苗产生的伤害,促进株高及干物质积累增加,提高棉苗的抗盐性。