外源褪黑素对干旱胁迫下园林小菊生长及生理的影响

Effects of exogenous melatonin on growth and physiology of garden chrysanthemum under drought stress

摘要

目的 探究外源褪黑素（Melatonin，MT）对干旱胁迫下园林小菊的缓解作用及适宜浓度，为干旱和半干旱地区种植园林小菊提供理论支持和参考价值。 方法 以园林小菊绚秋凝红为试材，使用20%PEG作为干旱胁迫渗透剂，通过叶面喷施不同浓度MT（50、100、150、200 μmol/L），研究MT对干旱胁迫下园林小菊幼苗生长及生理指标的影响。 结果 干旱胁迫条件下，外源喷施100 μmol/L MT可有效缓解干旱胁迫对园林小菊幼苗造成的伤害。园林小菊幼苗叶绿素含量、叶片相对含水量较PEG处理分别增加37.4%、69.1%，相对电导率（REC）和丙二醛含量（MDA）分别降低55.7%和42.8%，过氧化氢（H₂O₂）增加75.0%，脯氨酸（Pro）增加60.6%，超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物歧化酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）活性分别是PEG处理的1.9倍、2倍、3.2倍。通过主成分分析结果可知，外源MT对园林小菊叶绿素含量、叶片相对含水量和地上部鲜质量产生较大影响。 结论 外源喷施100 μmol/L MT能够有效缓解干旱胁迫对园林小菊绚秋凝红所造成的伤害，提高扦插幼苗的耐旱性。

Abstract

Objective The study aimed at exploring the alleviation effect of exogenous melatonin (MT) on garden chrysanthemum under drought stress and screening its suitable concentration，providing reference for planting garden chrysanthemum in arid and semi-arid areas. Method With the garden chrysanthemum Xuanqiu ninghong as the test material and the 20% PEG as a drought stress penetrant，the different concentrations of MT (50，100,150,200 μmol/L) were sprayed on the leaves to study the its effects on the growth and physiological indexes of chrysanthemum seedlings under drought stress. Result Under the drought stress conditions，the exogenously spraying of 100 μmol/L MT could effectively alleviate the damage caused by drought stress to the garden chrysanthemum seedlings.Compared with the PEG treatment，the chlorophyll content and relative water content of the leaves increased by 37.4% and 69.1%，respectively，and the relative conductivity (REC) and malonaldehyde content (MDA) decreased by 55.7% and 42.8%，respectively.Hydrogen peroxide (H₂O₂) increased by 75.0%，and proline (Pro) by 60.6%.The activities of superoxide dismutase (SOD)，peroxidase (POD)，catalase (CAT) were 1.9，2，and 3.2 times of PEG treatment.The results of the Principal Component Analysis showed that exogenous MT mainly had a great influence on the chlorophyll content and relative water content of leaves，and on the fresh weight of shoots of garden chrysanthemum. Conclusion This study showed that the exogenously spraying of 100 μmol/L MT could effectively alleviate the damage to the garden chrysanthemum Xuanqiu ninghong caused by drought stress，improving the drought tolerance of the cutting seedlings.

Graphical abstract

关键词

园林小菊 / 外源褪黑素 / PEG干旱胁迫 / 生理指标

Key words

garden chrysanthemum / exogenous melatonin / PEG drought stress / physiological index

Author summay

罗艳，硕士研究生。E-mail：[e-mail]

菊花（Chrysanthemum morifolium Ramat.）为我国十大传统名花，根据其应用方式可分为切花菊、盆栽菊、园林小菊等^［1-2］。园林小菊是经长期人工杂交育种所得，其花色艳丽、植株低矮、株型紧凑，是理想的园林造景花卉^［3］。然而在实际生产过程中往往会遭受多种非生物胁迫，其中干旱作为重要的胁迫因子，严重影响了其生长发育、品质、产量以及地理分布^［4］。褪黑素（Melatonin，MT）作为一种重要的新型植物激素，在植物生理调节、增强植物抗逆性方面起着非常重要的作用^［5］。近年来，MT在甘蓝^［6］、黄瓜^［7］、苹果^［8］、烟草^［9］等多种植物中已被广泛用于增强多种抗逆性。在菊花中，也有MT增强地被菊和茶菊的研究报道，但关干旱胁迫下MT对园林小菊生长发育的调控及影响效应未见报道。

针对干旱严重限制园林小菊生长栽培的问题，只有明确外源褪黑素对园林小菊幼苗生长生理方面的影响，才能更好的将其应用于实际栽培中，为干旱和半干旱地区种植园林小菊提供理论支持和参考价值。

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母株，取长3.0 cm的插穗进行扦插，幼苗扦插培养一个月后，挑选生长状况良好、大小一致的90株扦插苗为试验材料。

1.2 试验方法

1.2.1 PEG胁迫浓度筛选

干旱胁迫对植物的生长发育有着抑制的作用，在大量研究中均有所证实。本研究中为了筛选出PEG模拟干旱胁迫浓度，对绚秋凝红幼苗进行不同浓度PEG（10%、15%、20%、25%）处理，以CK（H₂O）作为对照，每个处理3次重复，每次重复3株扦插苗，每3 d处理一次，每次浇水CK和 PEG处理均为100 mL，共处理12 d。处理结束后，进行采样及叶片相对含水量和叶绿素含量的测定，以此筛选出PEG的胁迫浓度。

1.2.2 外源褪黑素最佳浓度筛选

试验共设6个处理，S₀：CK（H₂O）；S₁：PEG；S₂：50 μmol/L^{MT+PEG；S₃：100 μmol/LMT+PEG；S₄：150 μmol/L MT+PEG；S₅：200 μmol/LMT+PEG。将不同浓度的MT用叶喷的方式分别处理3 d，在植株叶片的正反面用手持喷雾器均匀喷洒，以确保叶面不滴流（第1、2、3 天各喷1次，总共3次），然后转入PEG胁迫浓度进行干旱胁迫处理，以CK（H₂O）作为对照，每个处理3株植株，3次重复。通过生长指标、相对电导率及叶绿素含量等生理指标的测定来确定MT最佳浓度。}

1.2.3 指标测定

地上部全株鲜质量：采用精度为0.1 mg的电子天平，对不同处理的园林小菊进行地上部鲜质量的称量。

叶绿素含量的测定（SPAD）：使用便携式叶绿素仪测定干旱胁迫下园林小菊叶片叶绿素含量。

叶片相对含水量：参照刘辉^［10］的饱和称质量法测定。

相对电导率（REC）：参照高俊凤^［11］的方法进行测定。

丙二醛（MDA）：参照赵世杰等^［12］的方法进行测定。

过氧化氢含量（H₂O₂）：使用过氧化氢（H₂O₂）含量检测试剂盒（Solarbio）说明书进行测定和计算。

超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）活性测定：参照高俊凤^［11］的试验方法。

过氧化氢酶（CAT）活性测定：参照李合生^［13］的方法测定。

脯氨酸含量测定：使用脯氨酸（Pro）含量检测试剂盒（Solarbio）说明书进行测定和计算。

可溶性糖含量测定：采用蒽酮比色法。

可溶性蛋白含量测定：采用考马斯亮蓝G-250法。

1.3 数据分析

数据采用SPSS 20.0软件进行单因素方差分析和Duncan检测。GraphPad Prism 9.1.2软件进行制图。

2 结果与分析

2.1 PEG胁迫浓度筛选

由图1和表1可知，绚秋凝红幼苗随着PEG浓度的增加，出现不同程度的萎蔫，且叶片相对含水量和叶绿素含量呈显著（P<0.05）下降趋势。绚秋凝红幼苗在CK（H₂O）处理中的叶片相对含水量和叶绿素含量最高，当PEG浓度增加至25%时，此时叶片相对含水量和叶绿素含量分别降至为40.5%和24.6 SPAD。对4个PEG浓度处理进行复水，10%、15%和20%PEG处理的幼苗均可恢复正常生长，25%PEG处理的幼苗永久死亡。因此确定20%PEG为本试验的模拟干旱胁迫浓度。

2.2 最适褪黑素浓度筛选

2.2.1 不同浓度MT对干旱胁迫下园林小菊幼苗光合色素和水分状况的影响

由图2可以看出，S₁（PEG）与S₀（CK）处理相比，呈现明显萎蔫现象，而外源喷施MT后，萎蔫现象有所缓解。如图3所示，干旱胁迫下，园林小菊幼苗叶片的叶绿素含量（图3-A）、地上部鲜质量（图3-B）、相对含水量（图3-C）均显著低于对照（S₀）。外源喷施MT后，随着MT浓度的增加，叶绿素含量、地上部鲜质量和相对含水量均呈现先上升后下降的变化趋势，但依然低于对照。当MT浓度为100 μmol/L（S₃）时，叶绿素含量均高于其他浓度处理，较PEG处理提高了37.4%；地上部鲜质量显著高于其他浓度处理，是PEG处理的2.2倍；相对含水量高于其他浓度处理，较PEG处理提高了69.1%。以上结果表明喷施100 μmol/L（S₃）的MT对干旱胁迫下园林小菊幼苗叶片的叶绿素含量、地上部鲜质量、相对含水量的下降有一定的保护作用。

2.2.2 不同浓度MT对干旱胁迫下园林小菊幼苗质膜相对透性与膜质过氧化的影响

如图4所示，在干旱胁迫下，叶片的相对电导率（REC）和丙二醛含量（MDA）均显著高于其他处理，且随着MT浓度的增加，REC和MDA含量呈现上升-下降-再上升的变化趋势。就REC而言（图4-A），干旱胁迫下，外源喷施不同浓度MT后REC含量均有所下降，当MT浓度为100 μmol/L（S₃）时，园林小菊幼苗叶片中REC较其他浓度处理分别降低了73.5%、50.2%和55.8%，较PEG处理降低了55.7%；就MDA含量（图4-B）而言，在MT浓度为100 μmol/L（S₃）时，幼苗叶片中MDA含量较其他浓度处理的园林小菊分别下降了50.6%、23.8%、49.7%，较PEG处理降低了42.8%，说明外源MT处理在短时间内抑制了植物体内MDA含量的上升。因此，喷施100 μmol/L MT（S₃）对干旱胁迫下园林小菊幼苗REC和MDA含量的抑制效果最为明显。

2.2.3 不同浓度MT对干旱胁迫下园林小菊幼苗活性氧和抗氧化系统的影响

如图5所示，在干旱胁迫下，园林小菊幼苗叶片的过氧化氢含量（H₂O₂）、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）及过氧化氢酶（CAT）均受到抑制，酶活性显著下降。就H₂O₂含量（图5-A）而言，总体呈现先上升后下降的趋势，不同MT浓度处理的H₂O₂含量与PEG处理相比差异显著，当MT浓度为100 μmol/L（S₃）时，幼苗叶片中H₂O₂含量达到最大值，为5.6 μmol/g，较PEG处理提高了75.0%；SOD（图5-B）也呈现出先上升后下降的趋势，与CK相比，其他MT浓度处理的SOD含量分别上升了3.4%、8.5%、12.7%；当MT浓度为100 μmol/L（S₃）时，幼苗叶片中POD（图5-C）含量达到最大值，为95.3 mg/g，较其他处理分别增加了40.5%、27.2%、7.4%，是PEG处理的2.5倍；CAT（图5-D）含量同样呈现出先上升后下降的趋势，当MT浓度为100 μmol/L（S₃）时，CAT含量达到最大值为28.4 mg/g，是PEG处理的3.3倍。综上所述，干旱胁迫下施用100 μmol/L MT（S₃）可以提高园林小菊幼苗叶片内抗氧化酶活性及增加抗氧化物质含量，从而提高园林小菊幼苗的抗旱能力。

2.2.4 不同浓度MT 对干旱胁迫下幼苗有机渗透调节物质的影响

如图6所示，干旱胁迫下可溶性蛋白含量（SP）、可溶性糖含量（SS）、脯氨酸（Pro）均受到了不同程度的抑制，外源喷施MT后SP、SS、Pro的变化趋势均呈现先上升后下降的趋势。当MT浓度为100 μmol/L （S₃）时，幼苗叶片中SP含量（图6-A）达到最大值为20.7 mg/g，是PEG处理的2.0倍；喷施不同浓度MT时SS含量（图6-B）与PEG处理相比差异显著，当MT浓度为100 μmol/L（S₃）时，其叶片SS含量是PEG处理的3.2倍；当MT浓度为100 μmol/L（S₃）时，幼苗叶片中Pro含量（图6-C）显著低于其他MT浓度处理，且较PEG处理降低了60.6%。因此说明喷施适宜浓度的MT能够增强植物对干旱胁迫的抵抗能力。

2.2.5 干旱胁迫下不同浓度外源MT处理园林小菊幼苗生理指标的主成分分析

如表2所示：对各生理指标进行主成分分析，选取特征值大于1的成分为本研究的主成分。其中，前2个主成分的特征值分别为7.51、3.45，贡献率分别为62.55%、28.92%，累计贡献率达到91.26%。其中叶绿素含量的评分系数最高为0.961，其次为叶片相对含水量（0.943）、地上部鲜质量（0.933）、丙二醛含量（0.887）等。

2.2.6 干旱胁迫下不同浓度外源MT处理园林小菊幼苗的主成分分析

由表3可知，S₃（100 µmol/L MT+PEG）处理的综合评分最高为3.86，S₁（PEG）处理的综合评分最低为-2.01；各处理综合得分由高到低排序为S₃（100 µmol/L MT+PEG）>S₀（CK）> S₂（50 µmol/L MT+PEG）>S₄（150 µmol/L MT+PEG）>S₅（200 µmol/L MT+PEG）>S₁（PEG）。由此可知，喷施100 µmol/L MT是缓解干旱胁迫伤害的最佳浓度。

3 讨论

干旱胁迫对植物的生长发育、光合作用、氧化胁迫、水分散失、渗透调节、激素代谢和信号转导都有不同程度的影响，需要采取多种适应和缓解策略来应对干旱压力^［14］。褪黑素被认为与多种逆境胁迫有关^［15］。在本研究中，园林小菊幼苗受到干旱胁迫后，其生长受到明显抑制。然而，叶面喷施褪黑激素减轻了干旱胁迫造成的植株萎蔫，与未施用褪黑激素的植株相比，经处理的植株具有更高的相对含水量和植株鲜重。尉欣荣等^［16］在黑麦草幼苗的干旱胁迫研究中发现，胁迫处理后，喷施100 µmol/L MT后植株鲜重均有不同程度的增加；张盼盼^［17］在褪黑素对PEG胁迫下生菜研究影响中发现，干旱胁迫下施用MT，可以有效增加生菜叶片相对含水量。

有研究表明，当植物受到环境胁迫后，首先伤害细胞膜并导致膜脂过氧化，相对电导率增大的同时积累膜脂过氧化产物丙二醛（MDA）^［18-19］。本研究中，干旱胁迫下叶面喷施MT均能不同程度的降低相对电导率和MDA的积累，说明MT可以减轻干旱胁迫下细胞膜的损伤，从而缓解干旱胁迫对园林小菊幼苗造成的伤害。高安静在苦荞幼苗中的研究结果表明，在干旱胁迫下外源MT能够显著抑制苦荞麦幼苗体内MDA的积累^［20］，本研究与之结果相似。

正常环境生长的植物其体内活性氧的产生与清除处于动态平衡，环境胁迫会打破这种平衡，使植株体内的活性氧含量增加，进而抑制其正常生长^［21-23］。SOD、POD、CAT 是酶促系统中重要的抗氧化酶，可以有效清除堆积的活性进而缓解逆境胁迫所造成的损伤^［24］。本研究中，叶面喷施不同浓度的褪黑素均能有效降低叶片中活性氧含量，说明MT能够在一定程度上抑制活性氧的积累。这与邹京南^［25］ 等研究结果一致，其研究表明外源褪黑素提高了干旱胁迫下大豆叶片中抗氧化酶活性和抗氧剂含量，减少活性氧的积累，促进植物的生长。

在干旱胁迫状态下，植物会通过生理调节产生渗透调节物质来缓解伤害。SS、SP、Pro 是重要的渗透调节物质且能够提高植物抗渗透胁迫的能力^［26］。本研究外源喷施褪黑素后，显著增加了植物中渗透调节物质的含量，有效的维持了植物的渗透平衡。前人的研究中也有类似报道，例如邹京南等^［27］在大豆干旱胁迫研究中，喷施褪黑素提高了大豆叶片可溶性蛋白，可溶性糖和脯氨酸的含量，有减少氧化损伤的作用。因此，基于目前的研究结果以及前人的研究报道，很明显褪黑激素具有较好的缓解园林小菊干旱胁迫潜力。

4 结论

干旱胁迫下适宜浓度的褪黑素通过缓解幼苗叶片水分的流失，减少叶片相对含水量及叶绿素含量的损失，抑制叶片体内丙二醛含量的上升和质膜的相对透性，提高抗氧化酶活性，降低干旱胁迫下园林小菊体内活性氧的产生，改善干旱胁迫下园林小菊的渗透调节能力，维持渗透压的平衡来缓解干旱胁迫对植物的伤害，且褪黑素浓度以100 µmol/L效果最佳。

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基金资助

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)