外源褪黑素對低溫脅迫下玉米幼苗生長和生理特性的影響

侯雯，杜卓，王麗，李林，張凱，路運才

（黑龍江大學現代農業與生態環境學院，哈爾濱 150080）

0 引言

玉米（Zea maysL.）祖先起源于熱帶、亞熱帶地區，為低溫敏感型作物[1]。東北春玉米種植區常因低溫冷害等氣象因子，造成粉種、爛種，致使田間出苗率偏低，最終使產量大幅減少[2]。因此提高玉米抗低溫能力，實現減災保產具有重要意義。低溫作為一種常見的非生物脅迫因子，是我國春玉米主產區主要的氣象災害[3-4]，包括冷害和凍害兩種。低溫脅迫會造成植物體代謝過程受阻，造成植株萎蔫、生長緩慢，葉片變黃及植物體內水分平衡遭到破壞[5]。在低溫條件下，光能向化學能轉化的過程受阻，吸收的光能大于轉化的化學能，致使光能過剩[6]，會使活性氧增多，同時低溫也會使光合作用受阻，主要是對光反應與暗反應產生影響[7-8]，葉綠素合成受阻。在低溫條件下，會導致細胞膜透性增大，可溶性糖與蛋白為調節細胞滲透平衡含量升高[9]。為提高其抗低溫能力，除了選育抗耐低溫脅迫品種，使用外源物質也是可行的方法之一。

褪黑素是色氨酸的吲哚衍生物，自1995 年于高等植物中發現褪黑素，褪黑素在植物方面的研究就大量開展[10]，它能夠促進植物生長代謝，加快萌發，調節光周期，調節產量，具有增產、延緩遲葉片衰老等功能[11-12]。褪黑素在植物抵御干旱、高溫、寒害、鹽漬、氧化脅迫、重金屬等逆境脅迫中發揮重要的作用[10]。在玉米上，對褪黑素在耐熱性[13]、干旱脅迫[14-15]、耐鹽性[16-17]、抗氧化活性[18-19]及種子萌發與幼苗生長的物質代謝作用[20-21]進行了相關研究。但對低溫脅迫的研究較少[19]。本研究設置不同濃度褪黑素噴施玉米幼苗葉片，旨在探討外源褪黑素對低溫脅迫下玉米幼苗的影響，為玉米抗逆減災提供依據和途徑。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料玉米種子為‘鄭單958’。褪黑素試劑購自Macklin公司（CAS號：73-31-4）。

1.2 試驗處理

供試材料在實驗室內進行盆栽種植，在玉米幼苗生長至三葉一心，設置葉面噴施褪黑素4個處理水平，以葉面噴施清水作為對照組（CK），3次重復。其中褪黑素濃度為10、50、100、500μmol/L，分別以M1、M2、M3、M4表示，連續噴施3 d 后放入人工氣候培養箱中進行低溫脅迫培養，設置溫度為10℃，一級光照處理9 h，黑暗條件處理15 h，培養3 d、5 d、7 d后分別取相應植株進行測定。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 相對含水量

玉米幼苗在低溫條件下培養0 d、3 d、5 d、7 d后，各處理分別選取3株均勻一致的植株，用直尺測量玉米幼苗植株基部至頂部為株高（cm）；剪下3 株幼苗葉片用水沖洗干凈后，用濾紙擦干水分，使用分析天平稱其葉片鮮重，然后將葉片放入鼓風干燥箱中，80℃烘至恒重，稱量干重，計算葉片相對含水量（%）。

1.3.2 生化指標

⑴葉綠素值（SPAD）測定：低溫培養0 d、3 d、5 d、7 d 后，取玉米幼苗植株3 株，使用手持葉綠素儀測定SPAD 值，重復3 次。⑵過氧化物酶活性測定：本試驗過氧化物酶活性的測定參照趙平[22]的方法并加以改進進行。⑶可溶性糖含量測定：在低溫條件下培養0 d、3 d、5 d、7 d 后，取玉米幼苗葉片，采用蒽酮比色法測定可溶性糖含量[23]，重復3次。

1.4 數據分析

利用Excel進行數據整理并畫圖，方差分析用SPSS 17.0進行差異顯著性分析（P＜0.05）；本試驗中圖與表中的數據分析，均為3次重復試驗結果的平均值。

2 結果與分析

2.1 外源褪黑素對低溫脅迫下玉米幼苗生長特性的影響

如表1 所示，對照組（CK）與其他處理組相比，單獨進行低溫脅迫處理的玉米幼苗生長明顯受到抑制，葉面噴施不同濃度褪黑素則有效緩解了玉米幼苗受到的損傷。葉面噴施褪黑素3 d 后低溫處理0 d，各組處理玉米幼苗株高無顯著差異；低溫脅迫處理不同天數，CK 與M1、M2、M3、M4 處理均存在顯著差異。低溫脅迫處理3 d 后，M1、M2、M3、M4 處理比對照組(CK)分別增加了9.11%、6.21%、17.49%、15.01%，M1 與M2、M3 與M4處理之間差異不顯著，其它處理之間差異顯著；低溫脅迫處理5 d后，M1、M2、M3、M4處理比對照組(CK)分別增加了9.43%、17.34%、21.50%、15.21%，M2與M4處理差異不顯著，其它處理之間差異顯著。低溫脅迫處理7 d 后，M1、M2、M3、M4 處理比對照組(CK)分別增加了3.84%、13.66%、13.94%、9.54%，M2 與M3處理差異不顯著，其它處理之間差異顯著。

表1 外源褪黑素對低溫脅迫下玉米幼苗株高的影響Table 1 Effects of exogenous melatonin on plant height of maize seedlings under cold stress

表2 外源褪黑素對低溫脅迫下玉米幼苗葉片含水量的影響Table 2 Effects of exogenous melatonin on leaf water content of maize seedlings under cold stress

如表2 所示，經過不同天數的低溫脅迫，葉片相對含水量隨著低溫脅迫天數的增加，總體呈緩慢下降趨勢，但不同處理組玉米幼苗葉片相對含水量之間并無明顯差異，在低溫脅迫0 d、3 d、5 d 后，相對含水量差異不顯著，低溫脅迫7 d后，M2處理與對照間差異顯著，對照組與M1、M3、M4處理間無顯著差異。

2.2 外源褪黑素對低溫脅迫下玉米幼苗葉綠素SPAD值的影響

如圖1所示，玉米幼苗葉綠素SPAD 值，隨著低溫脅迫天數的增加，總體呈下降趨勢。在低溫脅迫3 d后，M1 和M4 處理與對照組差異不顯著，M2 和M3 與對照組相比SPAD 值分別增加了16.60%、9.94%，與對照組相比，差異顯著。在低溫脅迫5 d 后，M1 與M4 處理差異顯著，M1 處理比M4 處理增加了9.02%，對照組與M1、M2、M3 處理差異不顯著。在低溫脅迫7 d 后SPAD 值總體呈下降趨勢，M1、M2、M3 和M4 處理無顯著差異，與對照組(CK)相比差異顯著。

圖1 外源褪黑素對不同天數低溫脅迫下玉米幼苗葉綠素SPAD值的影響Fig.1 Effects of exogenous melatonin on chlorophyll SPAD of maize seedlings under different days of low temperature stress

2.3 外源褪黑素對低溫脅迫下玉米幼苗過氧化物酶活性的影響

如圖2 所示，隨著低溫脅迫天數的增加過氧化物酶活性持續升高。在低溫脅迫0 d 后，M1、M3 與對照組（CK）之間無顯著差異，與M2、M4差異顯著。在低溫脅迫3 d后，M1、M2、M3、M4和對照組過氧化物酶活性差異顯著，分別比對照組增加了32.54%、32.54%、65.87%、42.85%。在低溫脅迫5 d 后，M1、M2 和對照組差異顯著，分別升高了23.63%、13.50%，M4相比對照組也升高了8.86%。在低溫脅迫7 d后，M3與對照組間存在顯著差異，升高了10.44%，M1、M2與對照組對比分別增加了4.67%、0.55%，但并無顯著差異。

圖2 外源褪黑素對不同天數低溫脅迫下玉米幼苗過氧化物酶活性的影響Fig.2 Effects of melatonin on peroxidase activity of maize seedlings under different days of low temperature stress

2.4 外源褪黑素對低溫脅迫下玉米幼苗可溶性糖含量的影響

如圖3所示，隨著低溫脅迫天數不斷增加，玉米幼苗各處理的可溶性糖含量總體呈上升的趨勢。當低溫脅迫3 d后，M3處理的可溶性糖含量比對照組(CK)下降了5.46%，但并無顯著差異。當低溫脅迫5 d后，M3處理的可溶性糖含量比對照組（CK）下降了9.90%，二者之間差異顯著，M1 處理與其它4 組處理有顯著差異。在低溫脅迫7 d 后，5 個處理組，可溶性糖含量明顯增加，對照組（CK）可溶性糖含量高于其它4 組處理，與其它4組處理有顯著差異。

圖3 外源褪黑素對不同天數低溫脅迫下玉米幼苗可溶性糖的影響Fig.3 Effects of exogenous melatonin on soluble sugar of maize seedlings under different days of low temperature stress

3 討論

植物在生長過程中會受到各種各樣的環境脅迫，如高溫、干旱、低溫、澇漬等，低溫脅迫會影響其生長代謝，使植物受到傷害，導致植物的正常生長受到抑制[2]。本研究結果表明，玉米的株高隨著低溫脅迫天數的增加，噴施褪黑素處理組成緩慢上升趨勢，進行褪黑素處理有效地緩解了低溫對玉米幼苗生長的抑制作用，這與吳雪霞等[24]研究褪黑素對低溫下茄子生長的結果和高青海等[25]在低溫弱光下研究褪黑素對黃瓜幼苗生長的結果一致。低溫脅迫會影響光合作用葉綠素合成減少，造成葉片黃化，在本試驗中，葉片SPAD 值也呈逐漸升高趨勢，說明褪黑素提高了葉綠素的合成，而葉綠素在光合作用中發揮著重要的作用，因此葉面噴施褪黑素改善了低溫下光合作用受損情況，提高了光反應與暗反應效率，試驗結果與徐向東等[26]在高溫脅迫下施加褪黑素探究黃瓜光合作用的結果一致。

過氧化物酶是代謝過程中必不可少的參與者，過氧化物酶能夠清除活性氧，減少膜損傷。本試驗結果發現，隨著低溫脅迫天數的增加，過氧化物酶活性持續上升，且葉面噴施褪黑素處理組的過氧化物酶活性明顯高于對照組，與丁飛[27]在研究褪黑素緩解低溫對番茄的影響的結果一致，與張娜[28]在研究褪黑素緩解滲透脅迫下黃瓜幼苗過氧化物酶的研究結論一致。在遭遇低溫時，植物體內可溶性糖含量升高，維持滲透勢穩定進而維持水分平衡，本研究中，隨著低溫脅迫天數的增加，可溶性糖含量不斷上升，低溫脅迫3 d、5 d 后可溶性糖上升緩慢，低溫脅迫7 d后可溶性糖含量上升加快。劉洋[29]在研究褪黑素對鹽脅迫下菊花的生理特性的影響有類似結論。

4 結論

綜上所述，葉面噴施外源褪黑素提高了低溫脅迫下玉米幼苗SPAD 值，葉綠素含量升高，提高了植株的光合效率，同時也緩解了低溫脅迫對幼苗生長的損傷；通過提高過氧化物酶活性，增強了植株抗氧化能力，從而延緩了葉片衰老萎蔫，有利于玉米的生長。綜上可知，葉面噴施外源褪黑素有利于緩解低溫脅迫對玉米生長的影響，在一定程度上起到了減災防災的作用。