外源褪黑素增强黄瓜耐盐性研究

彭东东 殷辰晨 张阳

摘要 盐胁迫是导致植物生长发育受阻和产量品质降低的主要环境因素之一，褪黑素是一种具有多效性的信号分子，在植物生长发育和应对环境压力方面具有重要的调控作用。本试验研究了不同浓度褪黑素（50，150和500 μmol/L）对盐胁迫（150 mmol/L NaCl）下黄瓜叶片光合作用和氧化还原稳态的影响。结果表明，NaCl胁迫抑制了黄瓜的光合作用，增加了活性氧（ROS）的积累和膜损伤，褪黑素处理以剂量依赖的方式减轻了NaCl胁迫对黄瓜光合作用和氧化还原状态的影响。褪黑素能够改善植株的光合能力，这与其抑制气孔关闭、改善光能吸收和电子传递的作用紧密相关。此外，褪黑素还可降低氧化应激反应，这归因于氧化还原稳态的改善以及抗氧化酶活性的增强。

关键词 褪黑素；光合作用；氧化还原平衡；NaCl胁迫；黄瓜

中图分类号 S642.2；Q945.11 文献标识码 A

文章编号 1007-7731（2024）08-0032-06

Investigation on exogenous melatonin enhancing salt tolerance of cucumber

PENG Dongdong1，2    YIN Chenchen1    ZHANG Yang1

（1Bureau of Agriculture and Rural Affairs of Shitai County， Chizhou 245100， China;

2College of Agriculture， Anhui Science and Technology University， Chuzhou 233100， China）

Abstract Salt stress is one of the main environmental factors that lead to the retardation of plant growth and the decrease of yield and quality. Melatonin is a pleiotropic signal molecule， which plays an important role in plant growth and development and coping with environmental pressure. In this experiment， the effects of different concentrations of melatonin （50，150 and 500 μmol/L） on photosynthesis and redox homeostasis in cucumber leaves under salt stress （150 mmol/L NaCl） were investigated. The results showed that NaCl stress inhibited photosynthesis and increased the accumulation of reactive oxygen species （ROS） and membrane damage in cucumber， melatonin treatment alleviated the effects of NaCl stress on the photosynthesis and redox status in cucumber in a dose-dependent manner. Melatonin can improve photosynthetic capacity of plants， which is closely related to its inhibition of stomatal closure， improvement of light energy absorption and electron transfer. In addition， melatonin can also reduce oxidative stress response， which is attributed to the improvement of redox homeostasis and the enhancement of antioxidant enzyme activity.

Keywords melatonin; photosynthesis; redox equilibrium; NaCl stress; cucumber

黃瓜作为具有重要经济价值的蔬菜作物之一，被广泛种植[1]。实践生产中，黄瓜在整个生育期内可能承受多种生物和非生物胁迫，其中，盐分是对植物生命周期影响较大的环境胁迫之一。灌溉水或土壤中过量的钠离子（Na+）会抑制光合作用、必需营养物质的吸收和蛋白质合成，导致植物生命代谢和生长发育受阻，产量降低[2]。盐分可通过多个方面对植物生理产生负面影响：一是植物体内Na+增加造成细胞器损伤，抑制蛋白质合成和酶活性，使光合作用和呼吸作用分离；二是盐分降低了养分吸收和向地上部的运输，导致植物体内养分不平衡；三是盐分降低了土壤渗透势，阻碍了根系吸水，导致植物体发生生理干旱[3-4]

光合作用是高等植物产生能量的重要化学过程，对盐胁迫较为敏感[5]。在盐胁迫下，植物叶片细胞间CO2的浓度由于气孔关闭而降低。此外，盐胁迫抑制了叶绿素合成，破坏了光合电子传递。值得注意的是，盐胁迫抑制光合电子传递，导致活性氧（ROS）的积累（如[O-2]、H2O2）和细胞氧化还原稳态被破坏[6]。过量积累的ROS加快叶绿素的降解，降低光系统Ⅱ（PSⅡ）的光化学效率，形成恶性循环[7-8]；且高浓度的ROS作为强氧化剂，可通过脂质过氧化损伤细胞膜，进而使DNA链断裂，多种生物酶失活[9]。

褪黑素（MT）是一种多效且高度保守的分子，广泛存在于动植物界[10]。自从维管植物中发现褪黑素后，大量研究证实其在调节植物生长发育和抵御各种环境胁迫方面有着重要作用[11-14]。褪黑素缓解胁迫的有益作用大致归因于其可提高光合作用效率，改善细胞的氧化还原平衡和减轻氧化应激，调节应激反应基因的表达以及参与信号转导等[15-17]。研究表明，盐胁迫可以增加植物中褪黑素的含量[18]，外源性应用褪黑素提高了平邑甜茶和向日葵对盐胁迫的耐受性[19-20]。实践中，外源褪黑素对盐胁迫的反应是否普遍适用于其他植物，以及褪黑素介导的耐盐机制尚待进一步研究。

本研究从光合作用和氧化还原稳态的角度来分析褪黑素介导的黄瓜耐盐性调控机制，研究盐胁迫对光合过程（气孔运动、光合电子传递和CO2同化）和氧化还原稳态（ROS的生成和清除）的响应，为进一步剖析褪黑素介导的黄瓜耐盐性调控机制提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料与试验设计

试验以“津研4号”黄瓜品种为材料。将表面消毒的黄瓜种子（5% NaClO消毒5 min）置于发芽框中发芽。待黄瓜幼苗的子叶完全展开后移栽到含有营养液（1/2的Hoagland溶液，pH 6.0）的水培盒中培養。营养溶液（仅Hoagland溶液和含有NaCl、褪黑素的Hoagland溶液）每3 d更新一次。黄瓜幼苗在昼夜温度28 °C/25 °C，昼夜节律14 h/10 h，空气相对湿度60%的培养箱中生长。将NaCl（150 mmol/L）、褪黑素（MT，50、150和500 μmol/L）添加到21日龄幼苗营养液中。

试验设计如表1所示。采取完全随机设计，每个处理3次重复，处理7 d后，采集黄瓜植株生长点下第二片完全展开的叶，叶片样品一部分用于测量光合指标和叶绿素荧光参数，一部分在液氮中快速冷冻，并在-80 °C条件下保存，进行生化指标检测分析。

1.2 指标测定

叶绿素含量采用丙酮法测定[21]；净光合速率与气孔导度采用LI-6400型光合仪测定；叶绿素荧光参数采用便携式叶绿素荧光仪测定，包括PSⅡ的最大光化学效率Fv/Fm、PSⅡ的实际光化学效率Y（Ⅱ）、光化学猝灭系数qP和非光化学猝灭系数qN；H2O2含量、超氧化物（[O-2]）生成量、过氧化氢酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）和抗坏血酸过氧化物酶（APX）活性按照Li等[22]的方法测定；丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法测定和相对电导率（REL）根据赵哈林等[23]的方法进行测定；还原型和氧化型谷胱甘肽含量根据李灵章[24]、李忠光等[25]的方法进行定量测定。

1.3 统计分析

每个处理取测定平均值，利用SPSS 19.0和Excel 2010软件对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 褪黑素对NaCl胁迫下黄瓜光合作用的影响

褪黑素对NaCl胁迫下黄瓜光合参数的影响如图1所示。NaCl胁迫导致黄瓜的净光合速率、气孔导度和叶绿素含量下降，不同浓度（50～500 μmol/L）的褪黑素可不同程度地缓解NaCl对黄瓜光合作用的影响。经150 μmol/L褪黑素处理（MT2）的黄瓜植株净光合速率和气孔导度相较于CK2处理分别提高了2.33和2.16倍，MT1和MT3处理对NaCl胁迫下黄瓜净光合速率和气孔导度的提升效果低于MT2。NaCl胁迫中，外源褪黑素处理可提高植株叶绿素的含量，50 μmol/L褪黑素处理（MT1）对缓解NaCl胁迫导致叶绿素含量降低的效果较好，随着褪黑素浓度提高，缓解效果呈现下降趋势。

褪黑素对NaCl胁迫下黄瓜植株叶绿素荧光参数的影响如图2所示。叶片Fv/Fm在NaCl胁迫（CK2）下较CK1处理差异存在统计学意义（P<0.05），而不同浓度褪黑素处理的植株Fv/Fm与CK1处理之间差异无统计学意义（P >0.05），即外源褪黑素提高了NaCl胁迫下植株的Fv/Fm。NaCl胁迫导致黄瓜植株的Y（Ⅱ）和qP降低，褪黑素在150 μmol/L浓度（MT2）时可缓解NaCl胁迫导致的Y（Ⅱ）降低；在50和150 μmol/L浓度时均可缓解qP的下降。MT2处理的Y（Ⅱ）和qP比CK2处理高出50.98%和30.70%。与CK1相比，代表PSⅡ调节性能量耗散量子产量的qN在NaCl处理下明显升高，150 μmol/L褪黑素处理（MT2）可以减弱这种胁迫作用。

2.2 褪黑素对盐胁迫下黄瓜氧化应激的影响

褪黑素对NaCl胁迫下黄瓜植株氧化应激反应的影响如图3所示，NaCl胁迫明显增加植株内[O-2]和H2O2含量，褪黑素处理在一定程度上降低了植株内[O-2]和H2O2积累量，缓解黄瓜受NaCl胁迫的最适褪黑素浓度为150 μmol/L。反映细胞膜损伤的MDA含量和REL受NaCl胁迫明显增加，这一现象也受到褪黑素处理的抑制。经150 μmol/L褪黑素处理后，植物中的[O-2]、H2O2、MDA和REL的平均值分别较NaCl处理（CK2）降低了29.11%、40.59%、53.97%和16.30%。

2.3 褪黑素对盐胁迫下黄瓜抗氧化系统的影响

通过长期的进化，植物发展出一套抗氧化系统来清除过量的对植物细胞有害的ROS。褪黑素对NaCl胁迫下黄瓜植株内谷胱甘肽含量的影响如图4所示，与CK1处理植株相比，NaCl胁迫（CK2）降低了还原型谷胱甘肽（GSH）的含量，提高了氧化型谷胱甘肽（GSSG）的含量，NaCl胁迫明显降低了植株GSH/GSSG的比值，两者存在统计学差异（P<0.05）。褪黑素处理一定程度上增加了NaCl胁迫下黄瓜植物内的GSH含量，降低了GSSG含量，植株内GSH/GSSG的比值明显高于NaCl胁迫处理植株。且在NaCl胁迫下，150 μmol/L褪黑素处理的植株内GSH/GSSG比值最高。

褪黑素对NaCl胁迫下黄瓜植株抗氧化酶活性的影响如图5所示，NaCl胁迫降低了植株体内SOD、CAT和APX等主要抗氧化酶的活性。与CK2处理相比，不同浓度的褪黑素均能提高植株内SOD活性，以500 μmol/L褪黑素处理的SOD活性最高；CAT和APX的活性在150 μmol/L褪黑素处理中得到较好的提高。即褪黑素处理可缓解NaCl对黄瓜植株抗氧化酶活性的影响。

3 结论与讨论

近年来，褪黑素成为植物科学的研究热点之一，相关研究表明，外源褪黑素增强了一些植物物种的抗逆性[19-20]。实践中，有关褪黑素介导植物耐盐性的机制研究仍需进一步开展。

光合作用是植物对盐胁迫高度敏感的关键生理过程之一，盐胁迫对光合作用的生物能量积累过程有不利影响[5]。本研究中，NaCl胁迫抑制黄瓜植株的光合作用，褪黑素处理改善了盐胁迫对植株的光合作用的影响，且褪黑素的缓解作用具有剂量依赖性。与150 μmol/L浓度的褪黑素相比，50或500 μmol/L浓度的褪黑素在NaCl胁迫下改善光合作用的效果不明显。关闭气孔减少水分散失是植物应对NaCl胁迫的一个重要反应，植株光合作用随着气孔导度（Gs）的降低有所降低。适量的褪黑激素可以增大气孔的孔径[26]，本试验结果于此一致，NaCl胁迫使Gs降低，使用外源性褪黑素减缓了这一下降过程。即褪黑素有助于增大气孔孔径，进而增强NaCl胁迫下植株的光合作用。

光子通量被激发态叶绿素的天线色素吸收，激发能一部分通过电子传递转化为氧化还原能，另一部分以热量和荧光发射的形式散失。本试验中，盐胁迫导致黄瓜叶绿素含量、Y（Ⅱ）和qP降低，qN升高表明PSⅡ的光能吸收和电子传递受到NaCl胁迫的限制，激发能对电子传递能力的影响较大。褪黑素处理可以通过调节气孔和非气孔因子改善植株的光合作用，进而缓解植株受盐胁迫影响。

盐胁迫诱导PSⅡ活性降低导致电子的产生和利用之间不平衡。为了消耗过多的光能，过量的电子被输送到分子氧中，从而产生了ROS（[O-2]、H2O2和其他氧化剂）。本试验中，NaCl胁迫诱导的[O-2]和H2O2与MDA和REL的增加相一致，表明过量的ROS可能是NaCl引起膜损伤的原因之一。褪黑素作为一种抗氧化剂，通过直接或间接作用清除植物体内大部分活性氧，在缓解环境胁迫诱导的氧化应激中起着重要作用[27]。即外源褪黑素可减轻NaCl胁迫诱导的活性氧积累和活性氧引起的细胞膜损伤。

褪黑素可通过诱导抗氧化系统调节氧化还原稳态，包括抗氧化酶和非酶抗氧化剂。在植物细胞中，[O-2]在超氧化物歧化酶（SOD）的作用下迅速地转化为H2O2，而H2O2可由还原型谷胱甘肽（GSH）再生循环和过氧化氢酶（CAT）清除。外源褪黑素通过上调一些关键酶的活性，增加GSH含量和氧化还原状态，抑制ROS积累和氧化应激反应[28]。本试验结果表明，一定浓度的褪黑素（150 μmol/L）可提高NaCl胁迫下GSH的含量、APX等抗氧化酶的活性，改变氧化还原状态。即褪黑激素可以通过激活整个抗氧化系统，保护细胞免受NaCl胁迫诱导的氧化应激，改善细胞氧化还原平衡。

综上所述，本文研究了不同浓度褪黑素对NaCl胁迫下黄瓜光合作用和氧化还原状态的影响，结果表明，褪黑素能够增强黄瓜耐盐性。在NaCl胁迫下，褪黑素可通过调节气孔运动及改善光能吸收和电子传递，提高光合作用。此外，褪黑素处理可通过诱导抗氧化酶的活性和GSH/GSSG的氧化还原状态，从而降低氧化应激，改善氧化还原平衡。光合作用的改善保证了细胞内氧化还原状态的平衡，而氧化还原平衡的改善有助于维持较高的光合作用。

参考文献

[1] 杨华，杨宗辉，刘一涵，等. 黄瓜品质性状遗传育种研究进展[J]. 中国蔬菜，2023（8）：23-37.

[2] 王乔健. 独脚金内酯调控乌桕抗旱耐盐的分子机理研究[D]. 合肥：安徽农业大学，2019.

[3] RUIZ-LOZANO J M，PORCEL R，AZC?N C，et al. Regulation by arbuscular mycorrhizae of the integrated physiological response to salinity in plants：new challenges in physiological and molecular studies[J]. Journal of experimental botany，2012，63（11）：4033-4044.

[4] 孙令强，耿广东，王倩，等. 设施蔬菜土壤次生盐渍化原因及解决途径[J]. 西北园艺（蔬菜），2005（1）：4-6.

[5] MELONI D A，OLIVA M A，MARTINEZ C A，et al. Photosynthesis and activity of superoxide dismutase，peroxidase and glutathione reductase in cotton under salt stress[J]. Environmental and experimental botany，2003，49（1）：69-76.

[6] 曾洪學，王俊. 盐害生理与植物抗盐性[J]. 生物学通报，2005，40（9）：1-3.

[7] 李俊贞，何乐祖，赵春梅，等. 盐胁迫对黄果厚壳桂幼苗荧光和生理特性的影响[J]. 山西农业科学，2021，49（8）：919-923.

[8] 王静，马腾斋，邱佳俊，等. NaCl胁迫对黑果枸杞幼苗生理及生化指标的影响[J]. 北方园艺，2019（6）：59-64.

[9] 岩学斌，袁金海. 盐胁迫对植物生长的影响[J]. 安徽农业科学，2019，47（4）：30-33.

[10] ZHAO D K，WANG H P，CHEN S Y，et al. Phytomelatonin：an emerging regulator of plant biotic stress resistance[J]. Trends in plant science，2021，26（1）：70-82.

[11] 杜卓，侯雯，王丽，等. 外源褪黑素对干旱胁迫下玉米幼苗的影响[J]. 中国农学通报，2020，36（27）：14-19.

[12] 周永海，杨丽萍，马荣雪，等. 外源褪黑素对高温胁迫下甜瓜幼苗抗氧化特性及其相关基因表达的影响[J]. 西北农业学报，2020，29（5）：745-751.

[13] 张俊峰. 基于外源褪黑素作用的辣椒耐低温弱光生理及分子响应机理研究[D]. 兰州：甘肃农业大学，2020.

[14] 倪知游，夏惠，高帆，等. 外源褪黑素对猕猴桃幼苗盐胁迫的缓解作用[J]. 四川农业大学学报，2017，35（4）：535-539.

[15] 王芳，刘燕，王铁兵，等. 外源褪黑素对玉米幼苗盐胁迫的缓解效应研究[J]. 中国草地学报，2020，42（5）：14-21.

[16] LI C，WANG P，WEI Z W，et al. The mitigation effects of exogenous melatonin on salinity-induced stress in Malus hupehensis[J]. Journal of pineal research，2012，53（3）：298-306.

[17] BAJWA V S，SHUKLA M R，SHERIF S M，et al. Role of melatonin in alleviating cold stress in Arabidopsis thaliana[J]. Journal of pineal research，2014，56（3）：238-245.

[18] MUKHERJEE S，DAVID A，YADAV S，et al. Salt stress-induced seedling growth inhibition coincides with differential distribution of serotonin and melatonin in sunflower seedling roots and cotyledons[J]. Physiologia plantarum，2014，152（4）：714-728.

[19] 孙志娟，刘文杰，郑曉东，等. 褪黑素对盐碱胁迫下平邑甜茶幼苗生长的影响及其机制[J]. 园艺学报，2023，50（8）：1697-1710.

[20] 杨新元. 外源褪黑素对干旱胁迫下向日葵幼苗生长、光合及抗氧化系统的影响[J]. 华北农学报，2019，34（4）：113-121.

[21] 吴春杏，胡志辉，鲁寒英，等. EBR对盐胁迫下玉米幼苗光合及抗氧化系统的影响[J]. 江苏农业科学，2023，51（13）：109-116.

[22] LI H，CHANG J J，CHEN H J，et al. Exogenous melatonin confers salt stress tolerance to watermelon by improving photosynthesis and redox homeostasis[J]. Frontiers in plant science，2017，8：295.

[23] 赵哈林，李瑾，周瑞莲，等. 风和风沙流对玉米幼苗叶片膜透性和膜保护系统的影响[J]. 中国生态农业学报，2014，22（12）：1440-1445.

[24] 李灵章. 干旱胁迫下丁二醇诱导对匍匐翦股颖幼苗生理生化指标的影响[J]. 草原与草坪，2020，40（3）：57-62.

[25] 李忠光，杜朝昆，龚明. 在单一提取系统中同时测定植物ASA/DHA和GSH/GSSG[J]. 云南师范大学学报（自然科学版），2003，23（3）：67-70.

[26] 程相国，李丽杰，王小辉，等. 叶面喷施不同浓度褪黑素对花生幼苗生长和光合性能的影响[J]. 江苏农业科学，2023，51（18）：68-75.

[27] 宋雪飞. 褪黑素调控番茄幼苗耐盐性的浓度效应及其生理机制的研究[D]. 扬州：扬州大学，2018.

[28] 何秀丽，王人民. 外源褪黑素对金线兰有效成分含量及抗氧化酶活性的影响[J]. 浙江农业学报，2023，35（1）：58-66.

（责编：李 媛）

作者简介 彭东东（1989—），男，安徽池州人，助理农艺师，从事园艺植物高产栽培技术和新型农业经营主体培育工作。

收稿日期 2024-01-10