外源褪黑素对高温胁迫下西瓜幼苗生理特性的影响

刘若溪 曹歌 王琪 张涵洋 李爱

摘    要：西瓜作為重要的园艺经济作物，在中国各地栽培，品种甚多。高温是限制西瓜夏季育苗成活率的主要原因之一，为探究外源褪黑素对高温胁迫下西瓜幼苗生理特性的影响，选用‘北抗1号西瓜为试验材料，将西瓜幼苗进行常温、40 ℃高温胁迫、外施褪黑素后40 ℃高温胁迫3个处理，测定植株株高、叶长、叶宽、茎节数等形态指标和组织含水量、光合特性、抗氧化酶活性、渗透调节能力等生理生化指标。结果表明：与常温处理相比，高温胁迫处理降低了西瓜幼苗的叶长、叶宽、叶片数等形态指标，外源褪黑素能有效缓解高温对西瓜幼苗生长的抑制作用，与40 ℃高温胁迫下植株相比，外施褪黑素后西瓜幼苗的光合色素含量增加21.93%，丙二醛含量降低19.38%，超氧化物歧化酶（SOD）活性升高10.20%，过氧化物酶（POD）活性升高18.52%，脯氨酸含量升高25.52%，可溶性蛋白含量升高29.41%。由此可知，外源褪黑素能够通过改变渗透调节物质含量，增强抗氧化酶活性，抑制膜质过氧化，从而增强西瓜幼苗的抗高温胁迫能力。

关键词：西瓜；高温胁迫；褪黑素；生理生长

中图分类号：S651            文献标志码：A           DOI 编码：10.3969/j.issn.1006－6500.2023.06.002

Abstract： As an important horticultural cash crop， watermelon is cultivated throughout China with a wide range of varieties. High temperature is one of the main reasons limiting the survival rate of watermelon seedlings in summer. To explore the effect of exogenous melatonin on the physiological characteristics of watermelon seedlings under elevated temperature stress，this thesis chose 'Beikang No.1' watermelon as the test material. The watermelon seedlings were subjected to three treatments： normal temperature， high temperature stress at 40 °C and high temperature stress at 40 °C after external melatonin application， and then determined morphological indicators such as plant height， leaf length， leaf width and number of stem nodes， and physiological and biochemical indicators such as tissue water content， photosynthetic properties， antioxidant enzyme activity and osmoregulatory capacity. The results were as follows：  compared with normal temperature treatment， high temperature stress reduced the morphological indexes of watermelon seedlings， such as leaf length， leaf width， leaf number， etc. Exogenous melatonin could effectively alleviate the inhibitory effect of high temperature on the growth of watermelon seedlings， compared with plants under high temperature stress at 40 ℃， the photosynthetic pigment content of watermelon seedlings increased by 21.93% ， the malondialdehyde content decreased by 19.38% ， the superoxide dismutase activity increased by 10.20% ， the peroxidase activity increased by 18.52% ， proline content increased by 25.52% and soluble protein content increased by 29.41% respectively. In conclusion， exogenous melatonin can enhance the resistance of watermelon seedlings to high temperature stress by changing the content of osmoregulatory substances， enhancing the activity of antioxidant enzymes and inhibiting membrane peroxidation.

Key words：watermelon; high temperature stress; melatonin; physiological growth

收稿日期：2023-02-24

基金項目：国家级大学生创新创业训练计划项目（202110061008）；国家自然科学基金（31800572）

作者简介：刘若溪（2001—），女，河南安阳人，在读本科生，主要从事园艺植物生理和分子生物学研究。

通讯作者简介：李爱（1984—），女，河北石家庄人，副教授，博士，主要从事园艺植物生理和分子生物学研究。

西瓜（Citrullus lanatus）是葫芦科西瓜属一年生蔓生藤本，是一种重要的经济作物，在中国各地栽培，目前栽培面积已达152.81万hm2，品种甚多[1]。西瓜果肉味甜，夏季清凉降暑，也具有药用价值[2-3]。同时，我国作为西瓜第一生产国，西瓜的种植也成为农民改善经济的重要来源[4-7]。为更好地适应市场需求、增加经济效益，种植户将西瓜进行夏季栽培，以实现反季水果的应急销售。夏季栽培条件下，西瓜生长发育的全过程均处在高温条件下，昼夜温差小，光照强烈，西瓜受到高温高湿条件的影响，容易发生各种病虫害，因此高温逆境是限制西瓜夏季栽培的重要因素之一[8]。

研究表明，植物生长遭到高温逆境胁迫时，蛋白质易变性，导致细胞膜结构受到严重破坏，植株体内代谢过程紊乱[9-11]。研究发现高温胁迫加速了夏玉米细胞衰老，使得光合速率降低，授粉过程受阻，最终致使产量下降[12]。黄瓜幼苗在高温胁迫下光合作用减弱并非气孔因素引起[13]，幼苗的光合色素含量、净光合速率，以及可溶性糖的含量随着高温胁迫处理时间的增加呈下降趋势，而胞间CO2浓度和MDA含量呈先升后降的趋势，高温胁迫破坏了多花梾木幼苗的细胞膜结构、光合系统和光合作用反应机制，导致光合能力降低[14]。综上所述，高温胁迫不利于植物生长。

褪黑素（Melatonin，MT，N-乙酰基-5-甲氧基色胺）是色氨酸的吲哚衍生物，主要产生于人类松果体和哺乳动物。近年来，MT作为新兴的植物生长调节剂，常被用于植物逆境调节等方面[15-16]。试验证实，高温胁迫下，外源MT有效抑制了黄瓜幼苗叶绿素a含量的减少，增加了叶绿素a/b的比值和类胡萝卜素含量。利用低于100 μmol·L-1 MT处理植株幼苗时，高温对光合系统造成的损伤能被有效缓解和修复，从而使净光合速率提高，叶绿素流失得以缓解，叶片衰老速度下降[17-19]。豌豆对镉污染的耐受力在一定浓度的外源MT处理后大大提高[20]；油菜种子在重金属离子抑制下的发芽率在外源MT处理下显著提高[21]；盐胁迫对香椿种子和幼苗的损害在施加MT后得到有效缓解[22]。黄瓜种子在高温胁迫下发芽率会大幅度降低，通过外施MT能够高效消除细胞内的活性氧（ROS），降低细胞膜通透能力，提高抗氧化酶的活性（超氧化物歧化酶SOD、过氧化物酶POD、过氧化氢酶CAT等）和可溶性蛋白含量，最终使黄瓜的氧化损伤在一定程度上得以缓解[23]。上述试验结果表明，外源褪黑素能有效缓解外界不良环境对植株造成的氧化损伤，但外源MT是否能够提高西瓜幼苗抗高温胁迫的能力，以及作用机制如何，迄今鲜有报道。

本研究以西瓜幼苗为试验材料，在40 ℃高温胁迫下施加外源褪黑素，通过测定幼苗植株的株高、茎粗、叶片数和叶长叶宽等形态指标，光合特性、抗氧化酶活性、渗透调节能力等生理生化指标，探讨外源MT对高温胁迫下西瓜幼苗生长和生理特性的影响，为降低逆境高温环境对西瓜产生的危害提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为西瓜‘北抗1号，褪黑素购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 西瓜幼苗培养及处理 选用大小一致、籽粒饱满、无病虫害的西瓜种子，用2%次氯酸钠溶液灭菌15 min，无菌水冲洗5次，消毒后种子放在铺有湿润纱布的培养皿中，28 ℃恒温培养箱内催芽3 d，种子萌发后播种于32孔穴盘中，基质由草炭、蛭石、珍珠岩（V草炭∶V蛭石∶V珍珠岩=3∶1∶1）混合组成。待西瓜生长15 d后随机选取10盆西瓜幼苗对叶片正反面喷施100 μmol·L-1褪黑素，2 d喷施1次，共喷施3次，6 d后再随机选取10盆西瓜幼苗与褪黑素处理后的西瓜幼苗一起放进40 ℃光照培养箱中，12 h后取出。试验分为3个处理组：常温（CK）、40 ℃（CK40）、40 ℃+MT（M），每个处理10株幼苗，重复3次。处理结束后，同时取样测定相关指标，部分样品保存于-80 ℃冰箱备用。

1.2.2 西瓜幼苗生长指标的测定 利用软尺测量幼苗的株高和第1对真叶的叶长、叶宽，游标卡尺测量茎粗，数出幼苗的叶片数和茎节数。

1.2.3 西瓜幼苗相对含水量的测定 利用打孔器在各处理叶片两侧对称的位置打取叶圆片共120片，称质量，记录鲜质量（FW），将样品置烘箱中105 ℃下10 min杀死组织，再于80 ℃下烘至恒质量，记录干质量（DW），根据公式计算相对含水量：相对含水量=（FW-DW）/FW×100%。

1.2.4 西瓜幼苗叶片光合色素含量的测定 利用95%乙醇提取各处理叶片光合色素，并利用分光光度计测定光合色素含量。

1.2.5 西瓜幼苗相关生理指标的测定 采用硫代巴比妥酸法（thiobarbituricacid， TBA）测定丙二醛（malondialdehyde，MDA）的含量；采用电导仪测定相对电导率；采用抑制氮蓝四唑（nitro-blue tetrazolium，NBT）光还原法测定超氧化物歧化酶（superoxide dismutase， SOD）的活性；采用愈创木酚法测定过氧化物酶（peroxidase， POD）的活性；采用茚三酮显色法测定脯氨酸（proline， Pro）的含量；采用考马斯亮蓝G-250染色法测定可溶性蛋白（soluble protein）的含量。

1.3 数据处理与统计方法

利用Microsoft Excel 2010进行绘图，SPSS 17.0对数据进行方差分析和多重比较，以小写字母代表0.05水平下的显著差異。

2 结果与分析

2.1 褪黑素对高温胁迫下西瓜幼苗生长状况的影响

西瓜幼苗的生长状况能较为直接反应褪黑素对高温胁迫下西瓜幼苗的影响。由图1可知，与常温条件下相比，高温胁迫处理降低了西瓜幼苗的叶长、叶宽和叶片数、茎粗和茎节数、株高，分别降低了0.38%、3.99%、3.26%，3.86%、1.95%、1.14%。与高温胁迫相比，外施褪黑素后增加了西瓜幼苗的叶长，叶宽和叶片数、茎粗和茎节数、株高，其中分别增加了2.18%、2.69%、0.03%、1.95%、2.45%、0.99%。由此可见，高温胁迫处理降低了西瓜幼苗的的叶长、叶宽和叶片数、茎粗和茎节数、株高。与高温胁迫相比，外施褪黑素处理可以增加叶长、叶宽和叶片数、茎粗和茎节数、株高，但是并没有达到显著性差异。

2.2 褪黑素对高温胁迫下西瓜幼苗组织含水量的影响

由图2可知，与CK相比，高温胁迫处理显著降低了西瓜幼苗的组织含水量，降低了4.05%，而外源褪黑素处理较高温胁迫处理则增加了幼苗的组织含水量，增加了3.21%。由此说明，外源褪黑素处理可以影响组织含水量，从而提高幼苗的抗性。

2.3 褪黑素对高温胁迫下西瓜幼苗光合色素含量的影响

光合色素在光能的吸收和传递过程起核心作用，是植物进行光合作用的主要色素。由图3可知，在高温胁迫处理下，西瓜幼苗的叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素和光合色素含量均较常温处理下显著降低，分别降低了23.61%、27.22%、20.49%、24.35%，喷施外源褪黑素后，各光合色素含量整体上较高温处理有所提高，其中分别增加了21.27%、23.65%、16.68%、21.93％。由此得出，在高温胁迫下，外源褪黑素可以提高叶片细胞的光合色素含量，抵御不良环境。

2.4 褪黑素对高温胁迫下西瓜幼苗质膜透性的影响

植物遭受机械损伤或在盐分、干旱、高温等逆境胁迫情况下，细胞破裂导致细胞内液外渗，从而使叶片的电导率增大，丙二醛（MDA）含量的变化也在一定程度上反映了逆境胁迫对植物的伤害。由图4可知，高温胁迫下，西瓜幼苗的MDA含量和相对电导率较常温处理下显著增加，分别增加了1.12倍和43.1%，喷施外源褪黑素后MDA含量和相对电导率较高温胁迫下显著降低，分别降低了19.38%、21.19%。由此说明，外源褪黑素处理可以降低高温胁迫下西瓜幼苗的MDA含量和相对电导率，从而缓解其叶片细胞膜的损伤。

2.5 褪黑素对高温胁迫下西瓜幼苗抗氧化酶活性的影响

高温胁迫下，细胞抗氧化酶活性的变化反映了植物的耐高温胁迫能力，当植株体遭受逆境伤害时，植物体内抗氧化酶活性会有所上升，清除过多的活性氧自由基。由图5可知，与常温处理相比，高温胁迫处理下的西瓜幼苗叶片POD和SOD活性分别显著升高了50.39%、13.78%，喷施外源褪黑素后，与高温胁迫处理相比，西瓜幼苗的POD和SOD活性有所提高，分别显著增加了18.52%、10.20%。这表明高温胁迫条件下，植物体内POD，SOD含量显著增加，而外源褪黑素处理又可以进一步显著提高西瓜幼苗叶片的抗氧化酶POD和SOD的活性，从而更好地缓解高温带来的伤害。

2.6 褪黑素对高温胁迫下西瓜幼苗渗透调节能力的影响

渗透调节是植物用来抵御外界胁迫伤害，保障植株正常生长的一种生理机能。可溶性蛋白和脯氨酸是植物体内重要的渗透调节物质，可使植株在遭受逆境胁迫时维持正常细胞渗透势。由图6可知，与常温处理相比，高温胁迫下西瓜幼苗叶片的脯氨酸和可溶性蛋白含量分别显著增加了64.83%、75.26%，喷施外源褪黑素后，西瓜幼苗叶片的脯氨酸和可溶性蛋白含量较高温胁迫下均显著增加，分别增加了25.52%、29.41%。由此说明，与高温胁迫相比，外源褪黑素处理能够增加西瓜幼苗叶片的脯氨酸和可溶性蛋白含量，来维持细胞内渗透势，缓解高温胁迫造成的损伤。

3 讨论与结论

高温胁迫不利于植物生长发育，严重抑制植物生命活动甚至破坏细胞、组织结构，导致蛋白质聚合变性，植株体内代谢过程紊乱，发生异常生化反应，并影响细胞内光合色素、抗氧化酶、渗透调节物质的活性，最终导致细胞死亡。例如，高温胁迫后，马铃薯幼苗、柑橘果实，以及茄子果皮中的几种抗氧化酶活性均增强，MDA含量显著上升[24-26]。同时，高温会使土表温度过高，灼伤植物幼苗近地表的组织，使其表现立枯症状，最终导致产量下降。本研究对西瓜幼苗进行40 ℃高温胁迫，与常温处理下的西瓜幼苗相比，高温胁迫后西瓜幼苗的光合色素含量下降，丙二醛含量升高，POD和SOD活性显著提高，脯氨酸含量和可溶性蛋白含量升高[1-3]。以上结果都充分说明，高温胁迫对西瓜幼苗的生长及生理造成了严重的抑制作用。

植物组织含水量作为一个重要度量指标，能反映植物体内水分状况，直接影响植物的生长状况、气孔状况、光合作用甚至产量。本研究表明，在高温胁迫下，外施MT可以在一定程度上提高西瓜幼苗的组织含水量，使水分状况得以有效改善。

高温胁迫抑制植物光合作用，使光合速率下降出现光能过剩现象，活性氧过量积累，幼苗叶片膜脂过氧化加剧，形成最终产物MDA，同时，细胞破裂导致细胞内液外渗，叶片的电导率增大[27-30]。本研究外源MT能有效抑制40 ℃高温胁迫下MDA含量的升高，同时使POD和SOD活性升高，能有效分解过量的活性氧，抑制膜脂过氧化，从而缓解和减轻高温胁迫对西瓜幼苗的损伤，这与前人研究结果一致[31]。

植物细胞的渗透调节有利于增强植物抗逆性，提高植物对不良环境的适应力[32]。游离脯氨酸能保护脂膜和关键性酶，维持渗透调节能力[33]。高温胁迫下，西瓜幼苗Pro含量提高，可溶性蛋白含量显著提高，喷施外源MT后，西瓜幼苗的Pro含量和可溶性蛋白含量均有所增加。

本研究通过探究高温胁迫下外施褪黑素对西瓜幼苗的影响，揭示了褪黑素在西瓜抵抗高温中的生理作用，为降低高温对西瓜产生的危害提供保护性措施，也为褪黑素在生产中的进一步应用提供理论依据。

参考文献：

[1] 陈浩天. 我国西瓜和甜瓜栽培模式发展现状、问题及对策[D]. 沈阳： 沈阳农业大学， 2019.

[2] 黄旭龙， 郝俊杰， 徐锋， 等. 基于网络药理学预测西瓜皮营养成分防治糖尿病作用机制的研究[J]. 世界科学技术—中医药现代化， 2019， 21（6）： 1216-1226.

[3] 周艺璇. 西瓜翠衣的营养保健成分及药用价值研究进展[J]. 现代食品， 2022， 28（8）： 51-53， 57.

[4] 杨念， 孙玉竹， 吴敬学. 世界西瓜甜瓜生产与贸易经济分析[J]. 中国瓜菜， 2016， 29（10）： 1-9.

[5] 杨念. 我国西瓜甜瓜生产及全要素生产率研究[D]. 北京： 中国农业科学院， 2016.

[6] 程志超， 白慧玲， 杨艳芹. 大棚西瓜套种甘蓝高效栽培技术[J]. 上海蔬菜， 2021（4）： 47-49.

[7] 李思红， 于水福. 小西瓜 “种出” 致富大路——南城县龙湖镇龙品种养殖专业合作社发展纪实[J]. 中国农民合作社， 2020（11）： 57-58.

[8] 叶世青， 梅跃明， 刘菁， 等. 高溫处理对西瓜种子发芽率的影响[J]. 江西农业， 2016， 21（22）： 3-4， 15.

[9] 周丹， 王吉明， 李娜， 等. 西瓜种子萌发期的耐冷性和耐热性[J]. 中国瓜菜， 2018， 31（11）： 26-30.

[10] BOKSZCZANIN K L， Solanaceae Pollen Thermotolerance Initial Training Network（SPOT-ITN） Consortium， FRAGKOSTEFANAKIS S. Perspectives on deciphering mechanisms underlying plant heat stress response and thermotolerance[J]. Frontiers in Plant Science， 2013， 4： 315.

[11] 郑素兰， 林莹， 黄宇， 等. 高温胁迫对2个矾根盆栽品种生理特性的影响[J]. 闽南师范大学学报（自然科学版）， 2021， 34（1）： 114-118.

[12] 赵曼丝， 李森郁， 鲁溢超， 等. 高温胁迫对安徽省夏玉米生产的影响及对策[J]. 安徽农学通报， 2021， 27（18）： 36-38.

[13] 崔庆梅， 吴利荣， 陈斐， 等. 高温胁迫对黄瓜幼苗生理生化及光合作用的影响[J]. 延安大学学报（自然科学版）， 2021， 40（1）： 23-26， 31.

[14] 周余华， 梁宇翔. 高温胁迫对多花梾木幼苗叶片生理因子的影响[J]. 江苏农业科学， 2021， 49（11）： 85-92.

[15] 蒲玉瑾， 张一璇， 苗灵凤， 等. 常温和低温条件下不同浓度外源褪黑素对降香黄檀幼苗的生理生态影响[J]. 广西植物， 2022， 42（4）： 648-658.

[16] 巩彪， 史庆华. 园艺作物褪黑素的研究进展[J]. 中国农业科学， 2017， 50（12）： 2326-2337.

[17] 徐向东， 孙艳， 郭晓芹， 等. 高温胁迫下外源褪黑素对黄瓜幼苗光合作用及叶绿素荧光的影响[J]. 核农学报， 2011， 25（1）： 179-184.

[18] 徐向东， 孙艳， 孙波， 等. 高温胁迫下外源褪黑素对黄瓜幼苗活性氧代谢的影响[J]. 应用生态学报， 2010， 21（5）： 1295-1300.

[19] ARNAO M B， HERNANDEZ-RUIZ J. Protective effect of melatonin against chlorophyll degradation during the senescence of barley leaves[J]. Journal of Pineal Research， 2009， 46（1）： 58-63.

[20] 李冬， 王艳芳， 王悦华， 等. 外源褪黑素对镉胁迫下豌豆种子萌发、幼苗抗性生理及镉含量的影响[J]. 核农学报， 2019， 33（11）： 2271-2279.

[21] SAMI A. 褪黑素减轻油菜镉铝害及外源调节物质诱导甘蓝次生休眠种子萌发[D]. 合肥： 安徽农业大学， 2021.

[22] 刘珂， 张嘉欣， 杜清洁， 等. 外源褪黑素对盐胁迫下香椿种子萌发及幼苗生长的影响[J]. 中国瓜菜， 2020， 33（5）： 53-58.

[23] 徐向东. 外源褪黑素对高温胁迫下黄瓜幼苗生理反应的影响[D]. 杨凌： 西北农林科技大学， 2010.

[24] 杨芳， 乔岩， 金中辉， 等. 高温胁迫对马铃薯幼苗活性氧代谢及生理特性的影响[J]. 江苏农业科学， 2022， 50（11）： 97-103.

[25] 万继锋， 李娟， 杨为海， 等. 柑橘果实响应高温、强光胁迫的活性氧代谢研究[J]. 福建农业学报， 2019， 34（8）： 920-924.

[26] 吴雪霞， 张爱冬， 朱宗文， 等. 高温胁迫对茄子果皮活性氧代谢、花青素及其主要合成酶的影响[J]. 江西农业学报， 2018， 30（6）： 1-5.

[27] 徐宁， 孙晓慧， 曹娜， 等. 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[J]. 中国瓜菜， 2020， 33（9）： 23-27.

[28] 贾倩， 向亚， 罗江会， 等. 高温胁迫下实用菊的生理响应及耐热性综合评价[J/OL]. 分子植物育种： 1-21[2023-02-24]. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/46.1068.S.20220412.1754.026.html.

[29] 解玉玲. 高温胁迫对植物生理影响的研究进展[J]. 吉林农业， 2019（8）： 107-108.

[30] 付丽军， 李聪晓， 苏胜宇， 等. 黄瓜苗期耐热种质筛选与耐热性评价体系构建[J]. 植物生理学报， 2020， 56（7）： 1593-1604.

[31] 曾庆栋， 许忠民， 张恩慧， 等. 外源褪黑素对高温胁迫下甘蓝幼苗生理特性的影响[J]. 北方园艺， 2017（20）： 12-17.

[32] 王丽姗. 苯肽胺酸对盐碱胁迫下银杏幼苗生理特性的影响[J]. 绿色科技， 2022， 24（1）： 39-41.

[33] 田茂燕. 番茄耐热砧木种质筛选及热胁迫生理响应研究[D]. 南宁： 广西大学， 2020.

基金项目：天津市大学生创新训练计划项目（202210061114）；天津市重点研发计划科技支撑重点项目（19YFZCSN00290）

作者简介：袁国懋（2002—），男，天津人，在读本科生，主要从事农田土壤与作物生长环境研究。

通讯作者简介：卢树昌（1970—），男，河北献县人，教授，博士，主要从事农田土壤质量与植物营养的教学与研究。