褪黑素處理對干旱脅迫下玉米種子萌發的影響

嚴加坤，周 奇，劉 莉

（榆林學院生命科學學院，陜西榆林 719000）

植物的生長和發育除了需要一定的營養物質、水、無機鹽和糖類、脂類、蛋白質等有機物，還需要一種微量但作用重大的物質，即植物激素[1]。植物激素伴隨著植物從種子萌發到幼苗到成熟一直到死亡的全過程。植物激素可以分為酸堿性植物激素、油菜素甾醇、植物多肽3類。植物的葉、根、芽等生長都要受到植物激素的作用[2-3]。

玉米作為糧食、動物飼料、發酵酒精的能源物質被人們大量種植，但是由于受各種因素限制，玉米發芽率不高，影響農民收入[4]。玉米萌發受到多種因素影響，種子胚是否完整以及播種土壤的礦物質含量、溫度、水分等對萌發都有影響。研究同時發現，不同激素對于玉米萌發的影響存在明顯差異。

研究表明，植物激素在干旱條件下可以促進種子萌發、提高玉米等植物苗期的抗旱性[5]。1958年，褪黑素（melatonin，MT）從牛的松果體中被提取出來，1963年才被正式確認為是一種激素。20世紀90年代后，人們在許多植物中發現了褪黑素的蹤影，藥用植物含量較高[6]。褪黑素是一種類似于IAA的生長調節子，可以促進植物側根和不定根的產生，可以明顯提高側根的數目[7]。研究表明，褪黑素可作為抵御超氧化的第一防線。可能是由于褪黑素提高了植物抗氧化酶活性，從而保持活性氧的平衡，提高植物的抗逆性。褪黑素能夠有效提高植物耐干旱能力，其主要作用機理是通過提高活性氧清除酶系以及抗氧化物質的含量來清除干旱脅迫引起的氧化脅迫，從而達到增強植物干旱的抵御能力[8]。目前關于褪黑素對于玉米種子萌發影響的研究還較少。

本試驗以廣泛種植的鄭單958玉米種子為對象，研究不同濃度褪黑素浸種處理對15%PEG-6000模擬干旱脅迫環境下玉米種子萌發的影響，以期篩選出褪黑素最適合的浸種濃度，提高玉米種子萌發率，為旱地玉米種植提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試玉米種子鄭單958購自河南秋樂科技股份有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 MT溶液配制 MT溶液浸種液濃度分別為0（CK），5，50，100，300 μmol/L，每個濃度 8 次重復。

1.2.2 玉米種子處理 挑選種胚發育完整成熟的玉米種子，先用自來水沖洗4～5次，洗去玉米種子包衣。用0.1%的NaClO浸泡10 min消毒。用蒸餾水沖洗已消毒的種子3～5次。先用吸水紙吸去明顯的水分，然后將種子放陰涼處自然晾干。將已風干的種子浸入相應濃度梯度的MT溶液中24 h。取15粒浸種完成的玉米種子放入鋪有雙層濾紙的貼好標簽的培養皿（直徑8.0 cm）中，在每個培養皿中分別加入5 mL15%的PEG-6000溶液，8次重復，然后置于智能光照培養箱（無光）中進行培養，25℃觀察萌發情況。

培養期間每天觀察并記錄數據，且補充適量聚乙二醇溶液保持濕潤并持續脅迫。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 種子形態指標測定 玉米種子發芽率、發芽勢、發芽指數及活力指數參照劉志洋等[9]的方法完成。萌發后7d測定幼苗的芽長、主根長，統計側根數。

1.3.2 幼苗生理指標測定 脯氨酸含量測定采用磺基水楊酸法[10]，氧自由基含量測定參考李鐘光等[11]的方法，MDA的測定采用硫代巴比妥酸法[12]。

1.4 數據處理

所有的數據均使用3次重復試驗結果的平均值；采用Excel和SPSS23.0軟件進行數據分析與處理，并繪制圖表和折線圖。

2 結果與分析

2.1 MT浸種對干旱脅迫下玉米種子萌發的影響

2.1.1 MT浸種對干旱脅迫下玉米種子萌發期發芽率和發芽勢的影響 由表1可知，干旱脅迫下，玉米種子發芽率隨MT浸種濃度的增加呈先上升后下降的變化趨勢；5～50 μmol/L MT浸種處理的發芽率和發芽勢均高于CK，其中，50μmol/LMT浸種處理的玉米發芽率和發芽勢最好；300 μmol/L MT浸種處理的發芽率和發芽勢顯著低于CK，發芽受到抑制。

表1 MT浸種對干旱脅迫下玉米發芽率和發芽勢的影響

2.1.2 MT浸種對玉米種子萌發期發芽指數和活力指數的影響 從表2可以看出，15%的PEG-6000模擬干旱脅迫下，隨MT浸種濃度的增加玉米種子發芽指數和活力指數出現先上升后下降的變化趨勢，其中，50 μmol/L MT浸種處理的玉米種子發芽指數和活力指數最高；300 μmol/L MT浸種處理的玉米種子發芽指數和活力指數最低。

表2 MT浸種對玉米種子發芽指數和發芽活力的影響

2.1.3 MT浸種對玉米種子萌發期單株胚根鮮質量的影響 從表3可以看出，15%的PEG-6000模擬干旱脅迫下，MT濃度在0～50 μmol/L時，隨MT濃度的增加，單株胚根鮮質量呈上升趨勢，MT浸種處理的玉米種子萌發期單株胚根鮮質量在MT濃度為 50 μmol/L 時達最大值；在 50～300 μmol/L 范圍內呈下降趨勢。

2.2 MT 浸種對玉米幼苗生長的影響

從表4可以看出，MT浸種對于干旱脅迫下的玉米種子萌發包括芽長、主根長、側根數都有一定的影響。MT濃度為50 μmol/L時主根最長，側根數最多，根系表面積由于側根數最多也達到最大值。

表3 MT浸種單株胚根鮮質量變化

表4 MT浸種對玉米種子萌發后7 d形態特征的影響

2.2.1 MT浸種對玉米幼苗中氧自由基含量的影響

從圖1可以看出，當MT濃度為50 μmol/L時，玉米幼苗中的氧自由基含量達到最大值，比CK高17%；5 μmol/LMT浸種時氧自由基含量較CK降低最明顯。說明MT浸種時，5 μmol/L濃度對氧自由基的形成具有抑制作用，高濃度的MT會導致氧自由基的累積。

2.2.2 MT浸種對玉米幼苗MDA含量的影響 由圖2可以看出，干旱脅迫下，隨著MT濃度的增加玉米幼苗中MDA的含量呈先下降后上升的變化趨勢，其中，CK玉米幼苗中的MDA含量最高；當浸種濃度大于50 μmol/L時，MDA含量又會隨浸種濃度增加而增加。

2.2.3 MT浸種對玉米幼苗中脯氨酸含量的影響由圖3可知，干旱脅迫下玉米幼苗中的脯氨酸含量會隨MT濃度的增大而出現先增大后減小的變化趨勢，當MT浸種濃度為50 μmol/L時，幼苗中脯氨酸含量達到峰值；之后繼續增加MT濃度脯氨酸含量反而會減小。

3 結論與討論

褪黑素可提高植物的抗逆性在多種植物上都有發現[13-15]。褪黑素能緩解干旱脅迫對于紫蘇幼苗根系生長的抑制[16]，外施MT可提高黃瓜、小麥等對干旱的抵御能力[17-19]。本試驗研究MT對于干旱脅迫下玉米萌發的影響，結果說明，MT浸種對于玉米萌發的萌發率、發芽勢、發芽指數、活力指數變化趨勢相同，均呈現先上升后下降的變化趨勢。總之，MT能在低濃度促進玉米種子的萌發，當達到一個峰值后促進效果會明顯減弱，50 μmol/L MT浸種后的玉米種子萌發效果最好。

本研究中，氧自由基在MT濃度超過50 μmol/L后，開始出現下降趨勢。前人研究發現，氧自由基在達到一定閾值前對植物具有一定的刺激作用[20]。因此推測，本研究中雖然MT處理提高了氧自由基含量，但是并沒有達到閾值，因此，并沒有毒害作用；而MT處理顯著降低了MDA含量，并且有效提高了脯氨酸含量，因而，能夠提高玉米的抗逆性。而褪黑素通過提高抗氧化系統活性來降低水分脅迫的膜損傷，從而降低MDA累積也已經得到證實[15]。綜上認為，外源施加褪黑素能夠有效改善水分脅迫帶來的膜傷害，減少MDA的積累，從而提高玉米萌發率。