褪黑素预处理对多年生黑麦草抗旱性的影响

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1、褪黑素预处理对多年生黑麦草抗旱性的影响李本峰;杜红梅 【摘要】以多年生黑麦草盆栽植株为材料，采用干旱胁迫前3d预处理的方法，研究 了0、25、50、75. 100 pmol/L褪黑素溶液对多年生黑麦草抗旱性的影响，并分 析了其可能的生理机制.结果表明,25、50、75 tmol/L的褪黑素溶液预处理，具有提 高多年生黑麦草抗旱性的作用，这可能与褪黑素处理后,叶片相对含水量增加，电解质 外渗减少,Fv/Fm值下降速率以及叶绿素和类胡萝卜素分解速率减缓有关;而100 pmol/L褪黑素溶液预处理则降低了多年生黑麦草的抗旱性.研究结果对于提高多年 生黑麦草的抗旱性,以及褪黑素在植物上的应用，具有一定

2、的指导意义.【期刊名称】上海交通大学学报(农业科学版) 【年(卷)，期】2018(036)003 【总页数】6页(P21-26) 【关键词】褪黑素;多年生黑麦草;干旱;叶片衰老 【作者】李本峰;杜红梅【作者单位】上海交通大学农业与生物学院，上海200240;上海交通大学农业与生物学院，上海200240【正文语种】中文【中图分类】S688.4多年生黑麦草(Lolium perenne)是一种冷季型草坪草，因其分蘖多、生长快、植株 密集，在世界范围内广受欢迎,广泛用于运动场和庭院草坪的建植。但是与其他冷季 型草坪草相比，多年生黑麦草抗旱性差，需水量大。这是限制多年生黑麦草应用和推 广的重要问题。褪

3、黑素(melatonin,MT)又称松果体素，是一种吲哚类色胺小分子物质，分子式为 C13N2H16O2,分子量232,化学名称为N-乙酰-5-甲氧基色胺。1995年科学家首 次在番茄(Lycopersicon esculentum)、黄瓜(Cucumis sativus)等 9 种可食用植 物中检测到褪黑素1。现已证明褪黑素在植物体内具有调节植物生长维持细胞膜 稳定性抑制叶绿素分解,抗氧化等作用。褪黑素提高植物对非生物胁迫的抗性已在 部分植物中证实2-3。Zhang等利用不同浓度的褪黑素溶液处理离体的多年生黑 麦草叶片，发现所有浓度的褪黑素处理均显著减缓了叶片中叶绿素的分解速率，下调 了叶绿

4、素降解相关基因的表达，缓解了叶片的衰老进程，有效抑制了叶绿素的分解4。 而关于褪黑素对多年生黑麦草抗旱性的影响，目前未见报道。本研究以多年生黑麦 草为材料,在干旱胁迫前3 d,通过浇灌不同浓度的褪黑素溶液进行预处理的方法，研 究了不同浓度褪黑素溶液预处理对多年生黑麦草抗旱性的影响。结果对于多年生黑 麦草抗旱性的提高,以及褪黑素在农业上的应用，具有重要的意义。1材料与方法1.1实验材料及生长条件选用黑麦草品种百灵鸟(千粒重为2.3 g)。将草种播种于直径16 cm,深14 cm, 底部带有出水口的塑料花盆中，每盆播种1 g,播种基质为体积比为2:1的园土和河 沙，每立方米基质混入1 kg的复合肥

5、(N：P：K=15:6.5:8.3)。发芽后,置于上海交 通大学农业与生物学院农业工程训练中心的温室大棚内培育60 d,温室温度为白天 15 25 C,夜晚10 15 C相对湿度为60% 80%。生长过程中,每周修剪2次修 剪高度为6 cm,浇水2次每周浇1次1/2 Hoaglands营养液。然后移至上海交 通大学农业与生物学院智能人工气候室(杭州求是人工环境有限公司,中国)内，适应7 d后开始实验处理，人工气候室内条件为:(255)/(201)1(昼温/夜温)，相对湿度 60%,光周期14 h,光照强度320 pmol/m2/so1.2实验方法及测定项目选取长势一致的黑麦草，随机分为6组，每

6、组4盆，在干旱处理前,分别以0、25、50、 75. 100 pmol/L褪黑素溶液连续浇灌3 d后,开始干旱处理。另外一组用同样体 积的去离子水处理3 d,3 d后进行正常的灌水，作为对照。干旱处理7 d后复水。在干旱处理的0、3、5、7 d和复水后的第1天即F1d,取样测定相关指标。1.2.1褪黑素溶液的配制称取0.232 g褪黑素，溶解至5 mL 100%的酒精中，再加入去离子水，定容至250 mL,配成4 mmol/L的褪黑素母液，再用去离子水稀释成25、50、75和100 pmol/L的褪黑素溶液。同时加入体积0.05%浓度的吐温-20。1.2.2草坪质量草坪质量(turf qual

7、ity,TQ)用来评价草坪草的总体质量表现5,具体从草坪草颜色、 均一性、密度和质地来评定，采用9分制。0分代表植物死亡,9分代表完全正常,6 分代表植物质量可以接受。1.2.3光化学效率光化学效率(photochemical chemical efficiency),即光系统II最大光化学量子产 量它是可变荧光与最大荧光的比值，用Fv/Fm来表示。将材料放在暗室中暗适应 30 min后，采用双通道调制叶绿素荧光仪(Dual-PAM-100,德国WALZ公司)的荧 光成像系统，利用Dual PAM软件对整盆植株进行荧光成像,取所有像素点的均值作 为该盆植株的Fv/Fm值,每个处理测量4盆。1.

8、2.4叶绿素含量、叶片相对含水量和电解质外渗的测定叶绿素含量的测定，参考Arnon的方法，计算叶绿素总量和类胡萝卜素含量6。叶 片的相对含水量(relative water content,RWC)采用 Barrs 和 Weatherley 的方法 测定7。电解质外渗(electrolyte leakage,EL)按照Blum和Ebercon的方法测定 8。1.3数据统计及分析试验采用随机区组设计，每个处理至少4盆，每盆为1个重复。上述生理指标的测定 均重复4次。应用SPSS软件，在P=0.05的水平上，采用Fishers最小显著差数 法，对试验结果进行统计分析。文章中的图采用SigmaPlo

9、t 13.0软件绘制。2结果与分析2.1褪黑素预处理对干旱胁迫条件下多年生黑麦草TQ的影响如表1所示，从3 d开始，所有干旱处理组的TQ均出现了显著性下降，其中100 pmol/L褪黑素处理的多年生黑麦草TQ下降速率最快，显著的低于其他干旱处理组。 而25、50. 75 pmol/L的褪黑素处理，显著减缓了黑麦草TQ的下降。在7 d时， 所有干旱处理组均降低到6以下。复水1 d后所有干旱处理组的TQ均大于6，但0、 100 pmol/L的褪黑素处理组TQ显著低于25、50. 75顷ol/L。表1褪黑素预处理对多年生黑麦草草坪质量的影响Tab.1 The effects of melatonin

10、 pretreatment on turf quality of perennial ryegrass (Lolium perenne)褪黑素溶液浓度/(pmol-L-1)Concentration of melatonin 草坪质量 Turf quality0 d3 d 5 d7 dF1 dCk8.90.1 a8.90.1 a8.70.2 a8.80.2 a8.90.1 a08.80.1 a7.80.5 c5.60.3 c4.60.3 c7.10.3 c258.90.0 a8.60.1 b5.90.3 b4.90.3 b7.40.3 b509.00.0 a8.40.2 b6.10.3 b5.

11、50.3 b7.30.1 b758.90.1 a8.50.2 b6.30.3 b5.10.3 b7.30.1 b1009.00.0 a5.60.3 d3.30.5 d2.30.5 d7.00.1 d注:同一列数字后，不同小写字母表示同一时间不同浓度处理在P=0.05水平下差异 显著,下同。Note:Different lower-case lettersat the same line indicate significantdifference at the 0.05 level between different concentrations at the same treatment p

12、eriod.The same as below.2.2褪黑素溶液预处理对干旱胁迫条件下多年生黑麦草叶片RWC的影响由表2可以看出，在3d时,0、75. 100 pmol/L褪黑素预处理叶片的RWC显著下 降100 pmol/L褪黑素处理的RWC显著低于其他干旱处理组。随着干旱处理时间 的延长叶片的RWC显著下降。在5 d时，与0 pmol/L处理组相比,25、50、75 pmol/L的褪黑素处理显著增加了多年生黑麦草叶片的RWC。同时,75 pmol/L的 褪黑素处理的RWC显著低于25和50 pmol/L处理组。而100 pmol/L的褪黑素 处理显著降低了叶片的RWC。7 d时,各处理组的

13、RWC的变化趋势和5 d时基本 致，而75 pmol/L处理组的RWC和0 pmol/L处理组相比，差异不显著。复水1 d后,叶片的RWC快速上升。干旱处理组,25、50. 75 pmol/L褪黑素处理组的 RWC显著高于0 pmol/L对照。而100 pmol/L处理组的RWC显著低于其他处 理。表2褪黑素预处理对多年生黑麦草叶片相对含水量的影响Tab.2 The effects of melatonin pretreatment on relative water content of leaves in perennial ryegrass (Lolium perenne)褪黑素溶液浓

14、度/(pmol-L-1)Concentration of melatonin 相对含水量/% Relative water content0 d3 d 5 d7 dF1 dCk92.40.4 a93.70.9 a93.92.5 a93.01.4 a93.72.1a092.01.2 a90.53.0 b61.34.0 d28.62.0 c81.02.9 c2593.90.7 a94.30.5 a73.32.3 b34.43.8 b86.02.3 b5092.91.7 a94.91.1 a74.93.9 b33.03.5 b87.71.8 b7593.51.9 a90.91.9 b67.22.6

15、c29.01.9 bc84.21.4 bc10092.93.6 a60.43.6 c44.34.4 e22.32.4 d68.53.6 d2.3褪黑素预处理对干旱胁迫条件下多年生黑麦草细胞膜稳定性的影响细胞膜稳定性可以通过测定叶片的电解质外渗来表示8。由表3可以看出，在干旱 处理3 d时与常规灌溉组相比,0和100 pmol/L褪黑素处理组叶片的EL值显著增 加,25、50、75 pmol/L褪黑素处理组叶片的EL值未出现显著的变化。在5 d时， 在干旱处理条件下，与0 pmol/L处理组相比,25、50. 75 pmol/L浓度褪黑素处理 显著降低了叶片的EL值而100 pmol/L褪黑素处

16、理显著增加了叶片的EL值。随 着干旱处理时间的延长在7 d时各干旱处理组的EL值持续上升,25、50、75 pmol/L褪黑素处理的EL值显著低于干旱对照处理,100 pmol/L褪黑素处理的EL 值仍显著高于对照。复水1 d后,叶片的EL值下降，各处理与对照相比的差异显著 性变化，和干旱处理7 d 一致。表3褪黑素预处理对多年生黑麦草叶片电解质外渗的影响Tab.3 The effects of melatonin pretreatment on electrolyte leakage of leaves in perennial ryegrass (Lolium perenne)褪黑素溶液浓

17、 度/(pmol-L-1)Concentration of melatonin 电解质外渗/% Electrolyte leakage0 d3 d5 d7 dF1 dCk10.70.5 a10.80.7 bc8.80.7 e10.70.5 d10.80.7 d010.30.5 a14.40.9 a18.61.1 b26.01.7 b24.83.4 b2510.90.4 a12.01.8 b13.40.8 c22.23.6 c18.21.8 c5010.01.0 a10.50.2 c11.20.9 d21.62.7 c18.12.1 c7511.21.1 a10.00.3 c11.71.2 cd

18、21.20.6 c18.31.9 c10010.90.6 a14.60.6 a38.63.5 a47.15.6 a38.32.9 a2.4褪黑素预处理对干旱胁迫条件下多年生黑麦草叶片衰老的影响干旱胁迫使植物根系吸水能力减弱,叶片水势降低，气孔关闭，导致植物光合能力下降。 而光化学效率、叶绿素和类胡萝卜素含量是衡量植物光合能力大小的重要指标。2.4.1褪黑素预处理对多年生黑麦草叶片光化学效率的影响由表4可以看出，在干旱处理3 d后,各处理的Fv/Fm开始下降而所有褪黑素处理 组的Fv/Fm大于未添加褪黑素的对照组。干旱处理5 d时,25、50. 75 pmol/L 浓度处理组叶片的Fv/Fm值显

19、著要高于0 pmol/L处理，而100 pmol/L褪黑素处 理组的Fv/Fm显著低于对照。在7 d时,25、50、75 pmol/L浓度处理组叶片的 Fv/Fm值显著高于0 pmol/L褪黑素处理组，而100 pmol/L浓度处理组的Fv/Fm 显著低于对照组。复水1 d后所有组的Fv/Fm值均增加，不同处理之间的变化趋势 与干旱处理过程一致。表4褪黑素预处理对多年生黑麦草叶片光化学效率的影响Tab.4 The effects of melatonin pretreatment on photochemical efficiency of leaves in perennial ryegra

20、ss (Lolium perenne)褪黑素溶液浓 度/(pmol-L-l)Concentration of melatonin 光化学效率 Photochemical efficiency0 d3 d5 d7 dFl dCk0.7220.007 a0.7140.007 a0.7200.006 a0.7210.001 a0.7210.001 a00.7180.005 a0.6620.004 c0.6380.011 d0.4250.015 d0.5760.021d250.7240.006 a0.6850.012 b0.6800.009 c0.4340.018 c0.6020.024 bc500.

21、7230.008 a0.6920.006 b0.6930.014 bc0.4600.012 b0.6160.009 b750.7240.009 a0.6950.014 b0.7030.013 b0.4570.016 b0.5900.014 c1000.7200.006 a0.6830.009 b0.5950.015 e0.3250.033 e0.5390.018 e2.4.2褪黑素预处理对多年生黑麦草叶片叶绿素含量的影响由表5结果表明，干旱处理3 d后,多年生黑麦草叶片的叶绿素含量开始下降，而适宜 浓度的褪黑素处理(25和50 pmol/L),延缓了多年生黑麦草叶片的叶绿素降解。在 5 d时,

22、25、50、75. 100 pmol/L褪黑素处理组黑麦草叶片的叶绿素含量显著高 于0 pmol/L处理组。7 d时,干旱处理组叶片的叶绿素含量显著低于灌溉组。25、 50. 75 pmol/L褪黑素处理组叶片的叶绿素含量和0 pmol/L处理组差异不显著， 而100 pmol/L褪黑素处理显著降低了叶片的叶绿素含量。复水处理对多年生黑麦 草叶片的叶绿素含量影响不大。2.4.5褪黑素预处理对多年生黑麦草叶片类胡萝卜素含量的影响由表6可以看出在3 d时所有组别黑麦草叶片的类胡萝卜素含量差异不显著。在 5 d时，干旱处理组，除添加100 pmol/L褪黑素处理组的类胡萝卜素含量与灌溉组 差异不显著

23、外，其他组的类胡萝卜素含量都显著下降，而与0 pmol/L处理组相比,25、 50. 75 pmol/L褪黑素处理显著抑制了类胡萝卜素含量的下降。添加100 pmol/L褪黑素处理组较高的类胡萝卜素含量，可能和5 d时该组处理叶片严重失水 有关(表1)。在7 d时,0、25、50. 75 pmol/L处理组类胡萝卜素含量之间差异不 显著,但显著高于100 pmol/L褪黑素处理组。复水1 d后,类胡萝卜素含量趋势与 干旱处理7 d 一致。表5褪黑素预处理对多年生黑麦草叶片叶绿素含量的影响Tab.5 The effects of melatonin pretreatment on content

24、s of total chlorophyll in perennial ryegrass (Lolium perenne)褪黑素溶液浓 度/(pmol-L-1)Concentration of melatonin 叶绿素含量/(mg-g-1) Contents of total chlorophyll0 d3 d5 d7 dF1 dCk14.370.02 a14.130.18 ab15.780.03 a14.160.49 a14.120.18 a014.210.30 a13.090.87 c12.560.28 e9.890.71 b10.110.56 b2514.500.85 a14.260.

25、55 a14.260.52 bc9.690.46 b9.740.87 b5014.190.42 a14.380.99 a13.560.61 cd9.420.68 b9.280.49 b7513.820.61 a13.270.53 bc12.960.12 d9.670.71 b9.320.76 b10014.120.28 a12.820.11 c14.560.63 b7.930.38 c7.930.75 c 表6褪黑素预处理对多年生黑麦草叶片类胡萝卜素含量的影响Tab.6 The effects of melatonin pretreatment on contents of carotenoi

26、ds in perennial ryegrass (Lolium perenne)褪黑素溶液浓 度/(pmol-L-1)Concentration of melatonin 类胡萝卜素含量/(mg-g-1) Contents of carotenoids 0 d3 d5 d7 dF1 dCk3.180.14a3.180.04 a3.490.05 a3.110.12 a3.540.57 a03.090.18 a2.970.17 a2.630.11 c2.290.12 b2.490.19 b253.200.19 a3.220.10 a3.080.17 b2.190.19 b2.340.19 b50

27、3.370.15 a3.290.26 a2.910.31 b2.250.16 b2.310.14 b753.030.19a2.990.26 a2.990.07 b2.090.23 b2.290.19 b1003.050.16 a3.010.20 a3.410.14 a1.840.09 c1.830.25 c 3结论与讨论TQ是草坪好坏的重要衡量标准，同时也是草坪抵御非生物胁迫抗性的重要指标5。 本文的研究结果表明，一定浓度的褪黑素溶液预处理有利于提高多年生黑麦草的抗 旱性,加快干旱胁迫后的复水速度，而高浓度的褪黑素溶液预处理则降低了多年生黑 麦草的抗旱性。叶片的RWC是衡量植物遭受干旱胁迫的重

28、要生理指标之一。在干 旱胁迫条件下，根系吸水能力减弱，叶片失水萎焉,RWC下降。随着干旱胁迫时间的 延长,多年生黑麦草叶片的RWC呈现持续下降的趋势，而25、50. 75 pmol/L的 褪黑素溶液处理延缓了叶片RWC的下降。100 pmol/L褪黑素处理则加快了叶片 RWC的下降。植物受到逆境胁迫时，细胞膜破裂，导致细胞内的离子外渗，叶片的相对电导率升高9。 在本实验中，随着干旱的进行,各处理组的相对电导率都持续上升，而一定浓度的褪黑 素处理延缓了相对电导率的上升速率，维持了细胞膜的稳定性,高浓度的褪黑素处理 则加快了相对电导率的上升速率,因此一定浓度的褪黑素处理有利于维持多年生黑 麦草在干

29、旱胁迫条件下细胞膜的稳定性。Zhang等在褪黑素处理离体的黑麦草叶 片中也发现,外卜源褪黑素处理可以有效的保护多年生黑麦草叶片细胞膜的稳定性，这 可能与褪黑素处理后,抗氧化相关酶活性的提高有关4。而有关褪黑素预处理后,多 年生黑麦草的抗旱性提高是否与叶片抗氧化能力增强有关，还需要进一步的证实。 Fv/Fm值是PSII最大光量子产量，反映了 PSII光能转换效率，也能有效地反映植物 受到干旱胁迫的程度。在本实验中，一定浓度范围内的褪黑素溶液预处理，显著缓解 了干旱胁迫条件下多年生黑麦草Fv/Fm值的下降速率，而高浓度的褪黑素溶液预处 理则加剧了多年生黑麦草叶片Fv/Fm值的下降。这表明，一定浓度

30、范围内的褪黑素 溶液能够提高干旱胁迫条件下多年生黑麦草叶片的光能转化效率，而高浓度的褪黑 素溶液处理则有相反的作用。徐向东等发现疗卜施不同浓度的褪黑素溶液可以抑制 高温胁迫条件下黄瓜叶片的初始荧光值(F0),提高最大荧光值(Fm),进而提高叶片的 光合转化效率，提高光合能力，高浓度的褪黑素处理则有相反作用10。这与本研究 的结论一致。叶绿素能够吸收光能转化成化学能，是植物进行光合作用的重要色素。类胡萝卜素 主要存在于叶绿体中的光合系统I和II的蛋白复合体中,其作用是淬灭过剩的光能。 干旱胁迫导致植物体内活性氧积累,进而加速体内与光合作用密切相关的叶绿素和 类胡萝卜素的分解,导致植物衰老和死亡。

31、在本实验中，发现25、50、75 pmol/L 处理组延缓了干旱胁迫条件下多年生黑麦草叶绿素和类胡萝卜素含量的下降速率， 而100 pmol/L处理加快了叶绿素和类胡萝卜素的分解。在干旱处理5 d时100 pmol/L褪黑素处理组，叶绿素含量和类胡萝卜素含量相对较高，这可能是由于在干 旱进一步加深的过程中，叶绿素和类胡萝卜素的分解速率小于叶片含水量的下降速 率导致的。Arnao等在大麦(Hordeum vulgare)叶片的离体实验中也发现,一定浓 度的褪黑素处理可以延缓黑暗条件下大麦叶片叶绿素的分解,而高浓度的褪黑素则 有相反的作用11。这可能与褪黑素处理减缓了叶片的氧化胁迫，同时降低了与叶

32、 绿素降解相关酶活性以及基因的表达有关。100 pmol/L褪黑素降低了多年生黑麦 草对干旱胁迫的抗性，可能是高浓度的褪黑素,对多年生黑麦草产生了毒害作用，具体 的机理还有等进一步分析。综上所述,25 75 pmol/L浓度范围的褪黑素溶液预处理可以提高多年生黑麦草的 抗旱性。而褪黑素预处理后多年生黑麦草抗旱性的提高，可能和叶片的持水能力增 加细胞膜的稳定性增强以及叶片的光合能力增加有关。参考文献：【相关文献】1 徐芳,周海鹏，郭早霞，等.植物褪黑素及其抗逆性研究J.基因组学与应用生物学,2013,32(2):260- 266.2 Wang P,Yin L,Liang D,et al.Dela

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