外源褪黑素对干旱胁迫下菊花幼苗生长及叶绿素荧光特性的影响

霍芸芸　罗艳　杨小英　张黎　郝扬　严瑞

摘要：本试验以‘绚秋凝红菊花幼苗为材料，用20%PEG溶液模拟干旱胁迫，研究叶面喷施不同浓度（50、100、150、200μmol/L）褪黑素（MT）对干旱胁迫下其生物量、根系形态及叶片叶绿素荧光参数的影响，探讨外源MT对干旱胁迫下菊花幼苗光抑制的缓解作用。结果表明，与CK相比，PEG干旱胁迫（T1）处理菊花幼苗的地上部、地下部生物量和总生物量分别显著降低49.1%、36.4%和46.6%；外源喷施100μmol/LMT+PEC（T3）处理的地上、地下部生物量和总生物量分别较PEG处理增加52.4%、26.9%和34.9%，幼苗根系活力仅次于CK，根系平均直径最大，根尖数最少。相较于CK，干旱胁迫处理均降低幼苗叶片的光化学淬灭系数（qP），非光化学淬灭系数（NPQ）、PSⅡ潜在光化学效率（Fv/Fo）、PSⅡ最大光化学量子产量（Fv/Fm）和表观电子传递速率（ETR），外源施加100μmol/LMT的T3处理降低幅度最小，保持了PSⅡ反应中心较高的开放程度。综上，外源喷施100μmol/L MT可有效改善干旱胁迫下菊花幼苗叶片叶绿素荧光特性和光合性能，缓解干旱胁迫对菊花幼苗生长造成的危害。

关键词：褪黑素；菊花；PEG干旱胁迫：幼苗生长；叶绿素荧光特性

中图分类号：S682.110.1 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2024）03-0054-07

菊花（Chrysanthemum morifolium Ramat.）原产于中国，是我国传统名花，也是四大切花之一，按其用途可划分为切花菊、盆栽菊、地被菊等。地被菊是一种由种间杂交进化而来的品种，具有花色艳丽、植株低矮、株型紧凑等特点。实际生产过程中，干旱作为最常见的逆境胁迫因子，对地被菊造成的损失约占所有非生物胁迫损失的一半，其危害程度仅次于病虫害等生物危害。特别是进入21世纪以来，干旱发生的频率和强度都在不断增加，已经成为一种严重影响植物生长和代谢的重要逆境因素。

干旱胁迫会对细胞分裂产生抑制作用，导致细胞膜透性增大并产生过量自由基，破坏活性氧的代谢平衡，加重膜脂过氧化程度，造成细胞内各种酶失活，从而损坏膜的结构与功能。除此之外，干旱胁迫还会阻碍叶片中气体和水分交换，使植物的光合速率下降，暗反应合成受阻，从而降低叶绿体对光能的吸收和转化效率，使吸收的光能超出其利用范围，导致光合组织受到破坏，引起植物生长受限甚至死亡。菊花幼苗期对干旱胁迫尤为敏感，这严重制约了菊花的产量和质量，因此，如何减轻菊花幼苗期的旱害，是目前我国花卉产业亟待解决的难题。

利用外源物质调节植物的抗逆反应，是目前最有效且容易实现的途径之一。近年来，褪黑素、水杨酸等植物生长调节剂在提高植物品质和抗逆性等方面的作用已日趋成熟。褪黑素（melato-mn，MT）是一类在动植物和微生物体内广泛存在的具有良好抗氧化作用的天然活性物质，是一种高度亲脂、亲水的天然分子，能够很容易地跨过胞质进入胞核与羟基自由基、过氧自由基结合，消除植物体内的活性氧，维持膜功能的稳定性，提高植物的光合效率，减轻各种逆境对植物体的伤害，提高植物的抗逆能力。近年来，MT在棉花、玉米、大豆等作物上的相关研究结果表明，适量褪黑素可以提高植物的抗逆能力。目前，关于MT在提高作物抗逆性方面的研究已有大量報道，但关于干旱胁迫下MT对园林小菊生长发育调控及影响效应研究尚未见报道。鉴于此，本研究分析外源喷施不同浓度褪黑素对干旱胁迫下菊花幼苗生长、根系形态及光合荧光特性等的影响，以期揭示MT对菊花幼苗抗旱性影响的调节机制，也可为进一步利用褪黑素增强植物抗旱能力研究提供新的思路和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选取长势整齐、生长健壮的园林小菊‘绚秋凝红的母株，取长3.0cm的插穗进行扦插。幼苗扦插培养一个月后，挑选180株生长状况良好、大小一致的扦插苗作为试材。

1.2 试验设计

试验于2022年7月开展，共设6个处理：CK（H2O）、PEG（20% PEG模拟干旱胁迫处理）、50μmol/L MT+ PEG、100μmol/L MT+PEG、150μmol/L MT+PEG、200μmol/L MT+PEG，分别标记为CK、T1、T2、T3、T4、T5。用不同浓度MT在幼苗叶片的正反面用手持喷雾器均匀喷洒，以确保叶面不滴流，CK喷施等量清水，连续喷施3d，每天喷一次：然后进行300mL 20% PEG根部浇施模拟干旱胁迫处理，每3d处理一次，共处理4次，以正常水分管理的为CK。每个处理设置3盆重复，处理12 d时采样。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 干物质积累量

干旱胁迫处理结束后，每处理随机选取3株生长一致的幼苗取样，分析天平称量植株地上部鲜重：根部用水洗净后，滤纸吸于表面水分，称地下部鲜重。两者分别放于80℃烘箱烘干至恒重后称干重并计算根冠比。

1.3.2 根系形态指标

使用根系扫描仪（EpsonExperssion 10000XL，EU-88，Seiko Epson Corp，Ja-pan）对幼苗根系指标进行测定。每处理随机选取6株生长一致、根系完整的植株，用水将根系上多余的基质清洗干净，将根系平铺在塑料托盘中，向托盘中倒入一部分蒸馏水，让蒸馏水没过根系，用镊子将根系交叉的部分全部拨开，以达到无重叠状态，扫描得到根系总长、根系表面积、根系平均直径等指标数据。

1.3.3 叶绿素荧光参数测定

采用PAM-2100便携式调制叶绿素荧光仪（Walz Germany），每株菊花幼苗选第一片完全展开的功能叶进行测定。先测定光下表观电子传递速率（ETR）、最大荧光（F'm）、稳态荧光（Fs）和最小荧光（F'o）；然后将同部位叶片暗适应20 min，测定初始荧光（Fo）、最大荧光（Fm）。根据以上测定的叶绿素荧光参数计算出可变荧光Fv=Fm-Fo、光系统Ⅱ（PSⅡ）最大光化学效率（Fv/Fm）=（Fm-Fo）/Fm、PSⅡ潜在光化学效率（Fv/Fo）=（Fm-Fo）/Fo、光化学猝灭系数（qP）=（F'm-Fs）／（F'm-F'o）和非光化学猝灭系数（NPQ）=（Fm-F'm）/F'm。

1.4 数据处理与分析

用Microsoft Excel 2022和Origin软件进行数据处理分析、制图和制表，用SPSS 26.0软件进行相关性和显著性分析（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 褪黑素对干旱胁迫下菊花幼苗生物量的影响

由图1可知，干旱胁迫处理下菊花幼苗地上部和地下部生长都受到显著抑制。与CK相比，PEG干旱胁迫处理（T1）菊花幼苗地上、地下部生物量和总生物量分别显著降低49.1%、36.4%、46.6%。与T1相比，外源喷施不同浓度MT处理对干旱胁迫下菊花幼苗生物量的影响不同，T2、T3、T4中低浓度处理显著提高幼苗地上部生物量，T5高浓度处理差异不显著；T2、T3、T4处理幼苗地下部生物量与T1差异不显著，T5处理显著提高；T2、T3处理显著提高幼苗总生物量，T4、T5处理差异不显著。其中，T3处理（100μmol/L MT）菊花幼苗的地上部生物量、地下部生物量、总生物量分别较T1增加52.4%、26.9%、34.9%。表明，叶面喷施100μmol/L褪黑素可显著促进干旱胁迫下菊花幼苗生长。

2.2 褪黑素对干旱胁迫下菊花幼苗根冠比和根系活力的影响

由图2可知，干旱及外源喷施MT处理幼苗根冠比均有不同程度的增加。与CK相比，各处理幼苗根冠比分别显著（T3除外）增63.0%、37.9%、28.1%、60.6%、107.3%，其中200μmol/LMT+PEG（T1）处理显著高于其他处理，T3处理幼苗根冠比最低，较T1显著降21.4%。表明干旱胁迫下植株地上、地下部于物质分配比例会发生明显改变，地下部生物量明显增加，这有助于植株在干旱环境下充分吸收利用水分和养分。

根系活力是幼苗地下部生长代谢强弱的直接反映。与CK相比，干旱及外源喷施MT处理菊花幼苗根系活力均显著下降，其中T1降幅最大，外源喷施MT处理不同程度缓减了干旱胁迫下根系活力的降幅。各干旱胁迫处理中，随MT浓度增加，幼苗根系活力呈现先增后降趋势，其中，100μmol/LMT处理显著高于其他处理。以上结果表明，外源喷施适宜浓度褪黑素可以显著减轻干旱胁迫对幼苗根系造成的损伤。

2.3 褪黑素对干旱胁迫下菊花幼苗根系形态的影响

根系是植株吸收和输送水分、养分的重要器官，也是最先感应到缺水信号的部位。由图3可知，不同处理下菊花幼苗根系形态差异明显。由表1可知，与CK相比，T1处理幼苗根系总长显著增加，T2、T3处理明显减小，差异不显著。根系总投影面积和根系总表面积的变化趋势一致，T2、T3处理较T1处理显著减少，与CK差异不显著，T5处理较CK显著增加。根系体积T4处理最大，T2处理最小，二者差异显著，其他处理间差异不显著。T3处理下根系平均直径最大，根尖数最少。表明100μmol/L MT处理仍能较好地维持干旱胁迫下菊花幼苗对养分及水分的吸收，进而保证其基本生长发育。

2.4 干旱胁迫下褪黑素处理菊花幼苗根系性状间的相关性分析

为探明干旱胁迫下不同浓度褪黑素处理菊花幼苗根系性状间的关系，对根系相关指标进行皮尔逊相关分析。如表2所示，根系总长度与根系总投影面积、根系总表面积和根尖数呈极显著正相关；根系总投影面积与根系总表面积和根系体积呈极显著正相关，与根系平均直径呈显著正相关；根系总表面积与根系体积极显著正相关，与根系平均直径显著正相关；根系体积与根系平均直径极显著正相关：根系平均直径与根尖数极显著负相关，根系总长度与根系平均直径、根系体积不存在显著相关性；根尖数与根系总投影面积、根系总表面积及根系体积不存在显著相关性。表明根系总长度、根系总投影面积和根系总表面积与根系各性状的关联程度较大。

2.5 褪黑素对干旱胁迫下菊花幼苗叶绿素荧光特性的影响

叶绿素荧光参数是叶绿素在光合作用过程中光能利用效率、光合成效率等的直接反映。由图4可知，不同浓度MT处理均对菊花幼苗叶片叶绿素荧光参数产生较大影响。除暗适应最大荧光（Fm）外，其他叶绿素荧光参数值较CK均下降。

相较于CK，干旱胁迫处理菊花幼苗叶片的光化学淬灭系数（qP）显著降低，其中T1（PEG胁迫）处理降幅最大，T3（100μmol/L MT+PEG）处理降幅最小。非光化学淬灭系数（NPQ）明显降低，T3处理降幅最大，与CK差异显著。表明适宜浓度的MT能较好地提高菊花幼苗的抗旱能力，从而增强其光能利用效率。

与CK相比，随着MT浓度增加，干旱胁迫下菊花幼苗叶片的PSⅡ潜在光化学效率（Fv/Fo）、PSⅡ最大光化学量子产量（Fv/Fm）和表观电子传递速率（ETR）均明显降低；T1-T5处理表现为先升后降的变化趋势，PEG模拟干旱（T1）处理最低，100μmol/L MT+PEG（T3）處理最高，且Fv/Fo和ETR与CK均无显著差异。暗适应最大荧光产量（Fm）随MT处理浓度增加呈上升趋势，200μmol/L MT+PEG（T5）处理显著高于CK，其他处理与CK差异不显著。综合表明较高浓度的MT反而会对幼苗叶片光合效率产生不利影响。

综上，干旱胁迫降低菊花幼苗叶片光合系统活性并造成一定伤害，外源喷施MT可有效减轻这种伤害，以100μmol/L MT处理效果最优。

3 讨论与结论

缺水条件下植株为维持体内水分，通常会通过改变分子、细胞和生理代谢等方面来调控生长，在这一系列改变中植株的形态变化表现最为直观。白燕丹在干旱胁迫下对棉花进行褪黑素浸种的研究中发现，干旱胁迫下外源褪黑素浸种的棉花幼苗保持较高的生物量，此外，在小麦的相关研究中也得到验证。本研究发现，干旱胁迫导致菊花幼苗的地上、地下生物量均严重降低，而外源褪黑素处理后幼苗地上、地下生物量均有不同程度的增加。

根系是植物吸收矿质营养和最先感应养分含量变化的器官，同时也是遭受干旱胁迫最直接的部位。根系活力是反映植物根系吸收功能、合成能力、氧化还原能力以及生长发育情况的综合指标。本研究发现，根系总投影面积和总表面积均随着褪黑素浓度的增加逐渐增大，且除100μmol/L MT处理外，其余褪黑素浓度处理菊花幼苗的根冠比显著增加，但干旱胁迫下100μmol/LMT处理菊花幼苗的根系活力值最高。以上结果表明，外源MT对干旱胁迫下植物生长策略的改变具有一定的解除作用，能有效缓解干旱胁迫对菊花幼苗生长的抑制作用，保持植物正常的营养输送。李冬等在烟草（Nicotiana tabacum）上的研究发现，干旱胁迫下外源喷施褪黑素降低了根冠比：叶君等在小麦的研究中发现，干旱胁迫下外源根施MT也能显著降低小麦（Triticum aesti-vum）幼苗的根冠比。本试验结果与其一致，说明对不同作物而言，褪黑索均可以不同程度缓解逆境胁迫的抑制作用。推测其原因可能在于MT具有和生长素相同的前体物质及相似的生理功能，会通过诱导生长素的合成来促进植物内源油菜素内酯（BR）的生成，以此来增强对植物体内生理代谢活动的调节作用，保护根系结构不受破坏，提高根系对水分和养分的吸收利用，抵御干旱胁迫对植株造成的损伤。

植物叶绿素荧光参数是研究和评价逆境下植物光合作用的重要参考指标，可以直接反映植物生长、病害及受胁迫的情况。植物在正常生长条件下，叶绿素吸收的光能主要通过三种途径来消耗：一是用于促进光化学反应，包括电子传递和光合磷酸化；二是转变为热耗散；三是叶绿素荧光发射，三者是相互竞争的关系。干旱会抑制植物的光合能力以及叶绿素荧光的正常运行，致使ETR、Fv/Fm、Fv/Fo等叶绿素荧光指标大幅下降，同时吸收的光能会以热的形式散失，从而降低光能利用效率。研究表明，干旱胁迫导致玉米叶片PSⅡ的电子传递速率（ETRⅡ）和PS Ⅰ的电子传递速率（ETR Ⅰ）明显降低，适宜浓度褪黑素处理后，提高了光能利用效率和电子传递速率，同时显著降低玉米叶片的NPQ。本试验结果显示，干旱胁迫导致Fv/Fm、Fv/Fo、qP、NPQ和ETR降低，致使过量的光能无法用于光化学反应，最终以热的形式散失，降低了植物光能利用效率。喷施100μmol/L MT有利于缓解干旱胁迫对PSⅡ反应中心活性和电子传递过程的伤害和抑制，并提高植株对光能的转化效率以及光合电子传递能力，进而促进光合色素的积累，增强菊花幼苗的光合作用。可见喷施适宜浓度的褪黑素不仅缓解了干旱胁迫对菊花幼苗PSⅡ结构和功能的损伤，而且促进菊花幼苗的恢复性生长，这与前人关于褪黑素缓解干旱胁迫下光合机构损伤的研究结果一致。

综上所述，干旱胁迫致使菊花幼苗的生物量、根系活力、Fv/Fm值显著降低，根冠比显著升高，生长受到严重影响。叶面喷施不同浓度外源褪黑素，可缓减干旱对菊花幼苗根系形态的伤害及其生物量的减少幅度，减轻干旱胁迫引起的叶片光合系统损伤，有效提高光合效率，从而保障幼苗叶片光合作用正常进行。因此，利用外源褪黑素缓减干旱胁迫带来的危害，是增强菊花幼苗抗旱性的一种重要途径。本试验条件下，以100μmol/L褪黑素处理效果最佳。

基金项目：宁夏回族自治区重点研发计划项目“彩菊切花种苗快繁及精细化栽培技术集成示范”（2022BBF03035）；宁夏回族自治区重点研发计划（引才专项）项目“CmJAZ调控园林小菊抗旱性分子机理研究”（2022BSB03062）