高温胁迫下外源褪黑素对胶州大白菜幼苗生理特性的影响

周海月，刘维信，陈 熙，倪润茂，赵紫彤

（青岛农业大学园艺学院 山东青岛 266109）

大白菜（Brassica campestrisL.ssp.pekinensis）喜低温冷凉环境，幼苗期适宜温度为20～25 ℃，因此多在秋季气温偏凉时种植。胶州大白菜原产于山东省青岛市胶州市，具有味美鲜甜、营养丰富的特点，是全国农产品地理标志产品，更是青岛特产，栽培面积约4000 hm2。然而在实际生产中，秋后内陆极端高温会使胶州大白菜出现出苗受阻，叶片萎蔫、发黄甚至枯萎的现象，制约胶州大白菜生长，严重影响其产量及商品性。

褪黑素（melatonin，MT）被认为是潜在参与调控种子萌发的一种植物激素[1]。近些年研究发现MT 广泛存在于高等植物体内，目前在葱科、凤梨科、天南星科、十字花科等100 多种植物中均已发现MT 的存在[2]，褪黑素对植物的各种生理活动起重要作用，尤其是可以缓解各种逆境对植物的损伤[3]。喷施MT 能显著提高小白菜抗氧化物酶的活性[4]，间接增加抗氧化物质的含量，提高西瓜嫁接苗的低温抗性[5]；MT 还能高效清除自由基从而增强黄瓜的耐冷性[6]和耐热性[7-8]，提高玉米抗盐胁迫能力[9]，缓解干旱胁迫对小麦幼苗的细胞膜造成的损害[10]。但目前关于MT 缓解大白菜幼苗高温胁迫下的生理机制尚不清晰。

笔者利用不同浓度外源MT 处理胶州大白菜幼苗，并与胁迫对照相比，研究高温胁迫下胶州大白菜的各项生理指标变化，揭示外源MT 缓解胶州大白菜高温胁迫的作用机制，为胶州大白菜抵抗高温逆境方面的研究和实际生产中的应用提供新的思路和方法。

1 材料与方法

1.1 材料

供试的胶州大白菜商品种为秋季王，购于胶州市东茂蔬菜研究所。褪黑素购于麦克林公司（上海）。

1.2 方法

1.2.1 试验方法 试验于2022 年9－12 月在青岛农业大学科技楼进行。大白菜种子消毒后进行催芽，萌发的种子直接播种到50 孔穴盘进行培苗，待幼苗长到2 叶1 心时选取长势一致的幼苗移栽到直径10 cm 的圆形花盆中，基质加水混匀至成团不滴水的状态装盆，每盆1 棵，放入实验室恒温培养箱进行后续的胁迫处理。每个处理20 盆幼苗。光周期12 h（昼）/12 h（夜）、昼夜温度（28±1）℃/（17±1）℃。待植株子叶展平生长到5 周龄后选择整齐一致的壮苗，进行喷施外源MT 处理，设置6 个处理浓度，分别为0（CK）、10、50、100、200 和500 μmol·L-1，于夜间避光喷施，以叶片滴水为度，喷布幼苗叶片，一共喷施3 次，每次间隔24 h，最后一次喷施MT 1 d 后将幼苗进行高温处理，培养箱参数设定为：光周期12 h（昼）/12 h（夜），光照度1000 μmol·m-2·s-1，相对湿度75%，昼夜温度（39±1）℃/（27±1）℃。

1.2.2 生长指标的测定 高温胁迫11 d 后进行生长指标的测定，用直尺测定幼苗的株高、叶长、根长，用游标卡尺测定茎粗。将幼苗清理干净后称鲜质量，烘干至恒质量后分别测定地上部和地下部干质量。

1.2.3 生理指标的测定 分别在胁迫的第1、3、5、7、9、11 天，选取各处理长势均匀一致的植株，取其第4 片真叶用于各生理指标的测定。参考高俊凤[11]的方法测定相对含水量、相对电导率和抗坏血酸过氧化物酶（APX）活性，采用氮蓝四唑法（NBT）测定超氧化物歧化酶（SOD）活性，采用愈创木酚法测定过氧化物酶（POD）活性，采用高锰酸钾滴定法测定过氧化氢酶（CAT）活性，采用考马斯亮蓝法测定可溶性蛋白质含量。参考Heath[12]的方法测定叶绿素总含量和叶绿素a 含量；采用TAD 法测定丙二醛（MDA）含量[13]。上述指标均重复测定3 次，以平均值作为各处理的实测值。

1.3 数据分析

采用Microsoft Excel 整理所得数据并绘制表格和柱形图，采用IBM SPSS Statistics 26 进行方差分析和差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同浓度外源MT 处理对胶州大白菜形态指标的影响

2.1.1 不同浓度外源MT 处理对胶州大白菜生长发育特性的影响 由图1 可以看出，高温胁迫处理前3 d 大白菜叶片几乎无变化，在高温胁迫第5天时CK 和500 μmol·L-1MT 处理组叶片出现萎蔫现象；胁迫第7 天时CK 和500 μmol·L-1MT 处理组叶片大部分萎蔫，10 μmol·L-1MT 处理组部分叶片萎蔫；胁迫第9 天时200 μmol·L-1MT 处理组叶片出现萎蔫；胁迫第11 天时CK 和500 μmol·L-1MT处理组出现植株死亡情况，10 μmol·L-1MT 处理组叶片出现发黄、失绿、大面积萎蔫的现象，且无 法 恢 复，50 和200 μmol·L-1MT 处 理组有部分叶片萎蔫，100 μmol·L-1MT 处理组表现正常。由表1 可以看出，喷施MT 能显著提高高温胁迫下大白菜的各项生长指标（除地下部干质量和500 μmol·L-1MT 处 理 的 茎 粗），且 随 喷 施 浓 度的增加总体上呈先上升再下降的趋势，其中喷施100 μmol·L-1MT 处理的株高、叶长、根长、茎粗、鲜质量、总干质量、地上部干质量和地下部干质量最高，分别比CK 显著增加36.17%、46.31%、151.42%、73.31%、115.14%、78.87%、77.41%、192.62%。

图1 高温胁迫下不同浓度外源MT 处理11 d 内大白菜幼苗形态的变化Fig 1 Changes in the morphology of Chinese cabbage seedlings under high temperature stress with different concentrations of exogenous MT treatments within 11 d

2.1.2 高温胁迫下MT 处理对苗期胶州大白菜叶片叶绿素含量的影响 由图2 可以看出，除第1 天和第7 天500 μmol·L-1MT 处理外，高温胁迫下所有喷施MT 处理的总叶绿素和叶绿素a 含量均高于CK。CK 和500 μmol·L-1MT 处理的总叶绿素和叶绿素a 含量在11 d 内持续下降，而10、50、100、200 μmol·L-1MT 处理的总叶绿素和叶绿素a 含量随胁迫时间增加呈先上升后下降的变化趋势，各处理的总叶绿素和叶绿素a 含量在第5 天达到最高，其中50、100、200 μmol·L-1MT 处理的总叶绿素和叶绿素a 含量（第1 天除外）在高温胁迫时均高于CK，胁迫第11 天时分别比CK 显著增加56.63%、63.02%、27.67%和69.04%、87.66%、57.12%。

图2 高温胁迫下外源MT 对大白菜叶片叶绿素含量的影响Fig.2 Effect of exogenous MT on chlorophyll content of Chinese cabbage leaves under high temperature stress

2.2 外源MT 对高温胁迫下大白菜幼苗生理特性的影响

2.2.1 外源MT 对高温胁迫下大白菜幼苗渗透调节系统的影响 由图3-A 可以看出，随胁迫时间增加，叶片可溶性蛋白质含量呈先上升后下降的变化趋势，第5 天时所有处理的可溶性蛋白质含量均达到最高，喷施外源MT 的各处理降幅整体均小于CK，其中100 μmol·L-1MT 处理的可溶性蛋白质含量（除第1 天外）均高于其他处理，在高温第5 天和第11 天时100 μmol·L-1MT 处理分别比CK 显著提高62.52%和119.34%。

图3 高温胁迫下外源MT 对大白菜叶片渗透调节系统的影响Fig.3 Effects of exogenous MT on the osmoregulatory system of Chinese cabbage leaves under high temperature stress

由图3-B 可以看出，除100 μmol·L-1MT 处理外，其他处理随胁迫时间增加叶片相对含水量呈持续下降趋势，喷施外源MT 各处理组的相对含水量降幅均小于CK，其中100 μmol·L-1MT 处理的叶片相对含水量在高温11 d 内下降10.86%，降幅低于其他处理，在胁迫第11 天时100 μmol·L-1MT 处理叶片相对含水量比CK 显著高54.21%。

由图3-C 可以看出，随胁迫时间增加，叶片相对电导率呈持续上升的趋势，喷施外源MT 各处理组的相对电导率增幅均小于CK，100 μmol·L-1MT处理的叶片相对电导率在高温11 d 内上升27.68%，增幅均低于其他处理，在胁迫第11 天时100 μmol·L-1MT 处理比CK 显著低30.40%。

2.2.2 外源MT 处理对胶州大白菜抗氧化酶活性的影响 由图4 可以看出，随胁迫时间增加，抗氧化酶活性大致呈现先上升后下降的变化趋势（除CK、200 μmol·L-1和500 μmol·L-1MT 处理组的APX 活性），APX、SOD 和CAT 活性在第5 天达到最高，POD 活性在第3 天达到最高。外源MT 处理组的SOD 和CAT 活性在胁迫第3 天后均高于CK，APX 活性在胁迫第5 天后高于CK，10、100、200 μmol·L-1MT 处理组的POD 活性在胁迫第3 天后均高于CK。100 μmol·L-1MT 处理的胶州大白菜幼苗的SOD 和POD 活性在胁迫第3 天后显著高于CK 和其他处理组。在胁迫第11 天时，100 μmol·L-1MT 处理组的APX、SOD、CAT、POD 活性分别比CK 显著提高105.04%、93.96%、153.48% 和294.21%。

2.2.3 外源MT处理对大白菜MDA含量的影响由图5 可以看出，随胁迫时间的增加，叶片MDA 含量整体呈先上升后下降的变化趋势，除第1 天外，喷施MT 处理的叶片MDA 含量在整个胁迫时间内均显著低于CK。100 μmol·L-1MT 处理的MDA 含量在第3 天增幅最小，整个胁迫期间（除第1 天外）都显著低于其他处理，第11 天时叶片MDA 含量比CK 显著降低55.15%。

图5 高温胁迫下外源MT 对大白菜叶片MDA 含量的影响Fig.5 Effect of exogenous MT on MDA content of Chinese cabbage leaves under high temperature stress

3 讨论与结论

叶绿素是高等植物和所有其他能进行光合作用的生物体中所特有的一类能吸收传递光能和参与光化学反应的光合绿色色素。植物叶绿素含量与其对环境的适应性有关，研究表明，大部分叶绿素a 和全部叶绿素b 是主要参与吸收和传递光能的光合色素，叶绿素a 更是作物光合作用的主要组分，可以反映作物对长波光的吸收程度[12]。

可溶性蛋白质是重要的渗透调节物质和营养物质，它的增加和积累能提高细胞的保水能力，保护生物膜及细胞的生命物质免受胁迫伤害[13]。MT通过增加可溶性蛋白质的含量，提高玉米[9]]、甜瓜[13抗盐胁迫的能力，增强菊花幼苗耐热性[14]。

前人研究表明，外源MT 处理能够提高高温胁迫下甘蓝[15]、黄瓜[7-8]中APX、SOD、CAT 和POD 的活性；研究发现，外源MT 处理能够降低盐胁迫下玉米[9]、干旱胁迫下油菜[16]和冷胁迫下黄瓜[17]中MDA 的含量。

本试验结果表明，高温胁迫导致胶州大白菜幼苗叶片叶绿素含量明显下降，但喷施MT 能在短时间内显著提高总叶绿素含量和叶绿素a 含量，以100 μmol·L-1MT 处理效果最佳，说明外源MT 处理可以增强胶州大白菜幼苗叶片光合色素的稳定性，与在小麦[10]、小白菜幼苗[18]、甜瓜[19]上的研究结果一致。这可能与MT 可以调节光合色素合成和转运相关基因的表达、提高叶绿素合成过程中的酶活性有关[10]。本试验结果表明，随胁迫时间增加胶州大白菜叶片可溶性蛋白质含量呈先上升后下降的趋势，喷施不同浓度MT 在一定程度上提高了叶片可溶性蛋白质含量，这可能是因为MT 会调节植物的蛋白质代谢，从而影响可溶性蛋白质的合成。100 μmol·L-1MT 处理的胶州大白菜叶片可溶性蛋白质含量最高，对高温胁迫的缓解效果最好。相对电导率反映细胞膜损坏程度，可以通过这一重要指标鉴定植物高温抗性能力的强弱[20]。高温导致植物的水分蒸发速率加快，引起植物体内的电解质紊乱，加剧植物叶片水分流失，从而造成叶片萎蔫[21]，严重时会使其死亡。高温胁迫下胶州大白菜叶片相对含水量逐渐降低，叶片相对电导率逐渐升高，说明高温破环了细胞膜的完整性，导致膜透性增强。喷施MT 可有效缓解高温胁迫对大白菜细胞膜系统的损伤，减少细胞膜的破裂和细胞质胞液外渗，100 μmol·L-1MT 处理表现最好，这与前人在油菜幼苗上的研究结果一致[21]。本试验结果表明，随胁迫时间延长，APX、SOD、CAT、POD 活性和MDA 含量呈现先上升后下降的趋势，APX、SOD、CAT 活性在高温胁迫下前5 d 逐渐上升之后第7 天开始下降；POD 活性在高温胁迫下前3 d 上升后第5 天迅速下降，MDA 含量先上升后缓慢下降。然而，高温胁迫第3 天开始，外源MT 处理组的SOD和CAT 活性均高于CK，10、100、200 μmol·L-1MT处理组的POD 活性高于CK；MDA 含量均显著低于CK。喷施100 μmol·L-1MT 的胶州大白菜幼苗APX 活性在第5 天显著高于其他处理组，自胁迫第3 天开始，100 μmol·L-1MT 处理组的SOD、CAT（除第7 天）和POD 活性最高，MDA 含量最低。抗氧化酶活性的变化，表明外源MT 可以通过调节植物的抗氧化系统，降低高温胁迫对植物的氧化损伤，从而增强大白菜的耐热性。MDA 含量下降也许是因为抗氧化酶APX、SOD、POD 和CAT 活性的提高，清除了自由基。以上结果说明，外源MT 通过调节植物的MDA 含量减轻氧化应激作用，降低了高温对胶州大白菜的损伤程度。

综上所述，与对照相比，喷施不同浓度的外源MT，能够提高胶州大白菜幼苗的生物量、叶绿素含量、可溶性蛋白质含量和多种抗氧化酶（APX、SOD、CAT）活性，减缓了相对含水量下降和相对电导率提升，并且显著降低了除胁迫第1 天外的MDA 含量。同时，不同浓度MT 喷施的效果也存在差异，浓度为100 μmol·L-1的外源MT 喷施叶面效果最佳。