褪黑素對大頭菜幼苗生長及鎘積累的影響①

姚 歡，王 鋌，劉 磊，歲立云，廖明安，林立金，任 緯

褪黑素對大頭菜幼苗生長及鎘積累的影響①

姚 歡1,2，王 鋌3，劉 磊3，歲立云3，廖明安1，林立金4*，任 緯5

(1 四川農業大學園藝學院，成都 611130；2 四川大學生命科學學院，成都 610064；3 成都市農林科學院，成都 611130；4 四川農業大學果蔬研究所，成都 611130；5 四川省內江市農業科學院玉米研究所，四川內江 641000)

通過盆栽試驗，研究了Cd污染條件下，不同濃度褪黑素噴施對大頭菜幼苗生長及Cd積累的影響。結果表明，濃度50、100和150 μmol/L的褪黑素增加了大頭菜幼苗的根長、根系體積、株高、塊根直徑和塊根長度，也增加了其根系、塊根、地上部分及可食用部分的生物量，而濃度為200 μmol/L的褪黑素則降低了大頭菜幼苗的這些指標。不同濃度的褪黑素處理均提高了大頭菜幼苗的光合色素(葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量及類胡蘿卜素)含量及抗氧化酶(SOD、POD和CAT)活性，并降低了大頭菜幼苗根系、塊根、地上部分和可食用部分的Cd含量。隨著褪黑素濃度的增加，大頭菜幼苗各器官的Cd含量呈降低的趨勢。因此，噴施褪黑素能夠促進大頭菜幼苗生長，降低其對Cd 的積累。

褪黑素；大頭菜；生長；鎘

伴隨我國工業的快速發展，農田重金屬的含量大大增加，導致農產品被重金屬污染，其中以Cd最為突出[1]。水稻、蔬菜等農產品被Cd污染后，直接威脅人體健康[2]。因此，通過一些措施降低土壤中的Cd含量或減少農作物對Cd 的積累，已成為未來農業安全生產研究的熱點和難點[3]。

褪黑素(N-乙酰-5-甲氧基色胺，Melatonin)是動植物體內普遍存在的一類重要的吲哚類化合物[4]。研究發現，植物體內的褪黑素具有多種生理功能，既有類似于生長素的生長調節作用，也有保護葉綠素、調節光周期及增強抗逆性的作用[5]。研究表明，褪黑素可以緩解重金屬、鹽離子、紫外輻射、溫度變化等逆境脅迫對植物的危害，有助于提高植物抵抗不良環境的能力[6]。在低溫脅迫條件下，褪黑素可提高菘藍種子的萌發，促進其幼苗的生長[7]。在鹽脅迫條件下，褪黑素能提高狼尾草種子的發芽勢和發芽率[8]。在Cd脅迫條件下，褪黑素可提高水稻種子的發芽率和發芽勢，促進水稻幼根和幼芽的生長[9]。因此，褪黑素可用于緩解逆境脅迫對植物造成的傷害。

大頭菜()作為居民日常食用蔬菜，營養豐富，具有潤肺、調理腸胃、治療便秘、排毒、解毒、明目、提高免疫力等保健功能[10]，全國各地均有不同的優勢栽培品種，生產面積較大[11]。然而，菜地土壤的Cd污染直接影響到大頭菜的安全生產[12-13]。由于土壤膠體對褪黑素有吸附作用，而土壤微生物也可能加速褪黑素的分解，加之土壤體積加大，土壤施用的效果可能較葉面噴施較差，且施用量較多[6]；大頭菜種子很小，一般采用育苗移栽方式進行栽培[10]。因此，本試驗將不同濃度的褪黑素溶液噴施在大頭菜幼苗上，研究其對大頭菜幼苗生長及Cd積累的影響，以期篩選出能降低大頭菜幼苗Cd積累及提升大頭菜幼苗生產效益的褪黑素濃度，為大頭菜安全生產提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

大頭菜為四川省成都市龍泉驛區當地長期種植的地方品種。

土壤為潮土，取自四川省成都市溫江區農田，其基本理化性質為：pH 6.29，有機質21.16 g/kg，全氮1.09 g/kg，全磷1.20 g/kg，全鉀22.21 g/kg，堿解氮68.12 mg/kg，有效磷16.22 mg/kg，速效鉀156.21 mg/kg，Cd全量0.10 mg/kg，有效態Cd含量0.028 mg/kg。

1.2 試驗設計

2015年10月，將土壤風干、壓碎，分別稱取3.0 kg裝于15 cm × 18 cm(高×直徑)的塑料盆內。將CdCl2·2.5H2O的水溶液加入土壤，使土壤Cd含量為10 mg/kg[14]，使Cd與土壤充分混勻，保持土壤濕潤，一個月后再將土壤混合一次。塑料盆放置于遮雨棚中。

2015年11月，將大頭菜種子均勻撒播于塑料盆中，每盆種植10粒，保持濕潤，待大頭菜幼苗長至3 ~ 4片真葉時勻苗，每盆保留生長一致的幼苗4株，并噴施濃度為0、50、100、150、200 μmol/L的褪黑激素溶液，每個褪黑素濃度重復3次，共計15盆。褪黑激素噴施后15 d，取生長部位一致的成熟大頭菜葉片測定其光合色素含量及抗氧化酶活性。光合色素(葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素)含量采用丙酮-乙醇混合(1︰1)提取法測定[15]?？寡趸?SOD、POD和CAT)活性按照《植物生理學實驗教程》[15]的方法進行測定。之后，整株收獲，用自來水將根系和地上部分清洗干凈，測定株高、根長、根基部直徑、塊根直徑、塊根長度、根系體積和生物量，根系體積采用排水法測定[15]。將植物烘干，粉碎，稱取1.000 g樣品加入硝酸-高氯酸(體積比為4︰1)消化至溶液透明，過濾，定容至50 ml，用iCAP 6300型ICP光譜儀(Thermo Scientific, USA)測定Cd含量[16]。

1.3 數據處理

采用SPSS進行數據統計分析。

2 結果與分析

2.1 大頭菜幼苗的形態指標

由表1可知，與對照比較，當褪黑素濃度在150 μmol/L以內時，大頭菜幼苗的根長、根系體積、株高、塊根直徑和塊根長度都有所增加。當褪黑素濃度為100 μmol/L時，大頭菜幼苗的各個形態指標均最大，其根長、根系體積、株高、塊根直徑和塊根長度較對照分別增加了47.8%、116.8%、8.28%、33.3% 和26.8%(<0.05)。當褪黑素濃度為200 μmol/L時，大頭菜幼苗的根長、根系體積、株高、塊根直徑和塊根長度均小于對照。

表1 大頭菜幼苗的形態指標

注：表中小寫字母不同表示各處理間差異達到顯著水平(<0.05)，下表同。

2.2 大頭菜幼苗的生物量

與對照相比較，濃度為50、100、150 μmol/L的褪黑素提高了根系、塊根、地上部分和可食用部分生物量(表2)。當褪黑素濃度為100 μmol/L時，大頭菜各個器官的生物量均最大，其根系、塊根、地上部分和可食用部分生物量較對照分別提高了80.8%、23.2%、39.5% 和36.85%(<0.05)。當褪黑素濃度為200 μmol/L時，大頭菜各個器官的生物量均低于對照。由此可見，濃度不高于150 μmol/L的褪黑素可促進大頭菜幼苗生長，其中100 μmol/L的褪黑素效果最佳。

2.3 大頭菜幼苗的光合色素含量

由表3可得，褪黑素處理的大頭菜幼苗的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量及類胡蘿卜素含量均高于對照。褪黑素濃度為50、100、150和200 μmol/L時，大頭菜幼苗的葉綠素總量較對照分別提高了12.9%、13.2%、34.5% 和9.70%，差異顯著(<0.05)；類胡蘿卜素含量較對照分別提高了13.5%、13.7%、50.3%和10.8%，差異均不顯著(>0.05)。從葉綠素a/b來看，隨著褪黑素濃度的增加，大頭菜幼苗的葉綠素a/b呈先降后增再降的趨勢，其大小順序為：150 μmol/L> 200 μmol/L>0 μmol/L>50 μmol/L>100 μmol/L。

表2 大頭菜幼苗的生物量

注：數據以鮮物質量計，可食用部分=塊根+地上部分，下表同。

表3 大頭菜幼苗的光合色素含量

2.4 大頭菜幼苗的抗氧化酶活性

從表4可知，隨著褪黑素濃度的增加，大頭菜幼苗的POD、SOD和CAT活性呈增加的趨勢。當褪黑素濃度為50、100、150和200 μmol/L時，大頭菜幼苗的POD活性較對照分別提高了1.28%、20.8%、26.5%和39.2%，除50 μmol/L處理外，其他處理與對照間差異顯著(<0.05)；SOD活性較對照分別提高了5.55%、11.1%、31.1% 和57.8%，差異均顯著(<0.05)；CAT活性較對照分別提高了5.33%、9.33%、13.0% 和33.3%，差異均顯著(<0.05)。由此可見，褪黑素可以提高大頭菜幼苗的抗氧化酶活性，且濃度為200 μmol/L時效果最好。

表4 大頭菜幼苗的抗氧化酶活性

2.5 大頭菜幼苗的鎘含量

褪黑素處理降低了大頭菜幼苗根系、塊根、地上部分和可食用部分的Cd含量(表5)。隨著褪黑素濃度的增加，大頭菜幼苗各器官的Cd含量呈降低的趨勢。當褪黑素濃度為200 μmol/L時，大頭菜幼苗根系、塊根、地上部分和可食用部分的Cd含量均最低，較對照分別降低了69.21%、46.34%、28.54% 和33.03%。通過對大頭菜幼苗含水量的測定表明，不同濃度褪黑素處理的大頭菜幼苗可食用部分的含水量沒有明顯差異，均約為98%，以此折算出大頭菜幼苗可食用部分鮮生物量Cd含量為0.058 ~ 0.087 mg/kg，其大小順序與干生物量Cd含量一致。按照《食品安全國家標準食品中污染物限量》(GB 2762—2017)的規定，新鮮葉菜蔬菜的Cd含量限量為0.2 mg/kg，新鮮塊根蔬菜的Cd含量限量為0.1 mg/kg。由此可見，在土壤Cd濃度為10 mg/kg條件下，大頭菜幼苗可食用部分Cd含量并未超標，而噴施褪黑素可降低大頭菜幼苗的Cd含量，并以200 μmol/L最好。

表5 大頭菜幼苗的Cd含量

注：數據以干物質量計。

3 討論

有研究表明，在脅迫條件下，施用一定濃度的褪黑素能夠緩解環境脅迫對植物產生的傷害，促進植物生長[7-9]。本試驗研究表明，濃度為50、100和150 μmol/L的褪黑素能夠促進Cd脅迫條件下的大頭菜幼苗生長，增加其根長、根系體積、株高、塊根直徑和塊根長度，也增加了其生物量。這與Tal等[17]、徐向東等[18]的研究類似，說明外源褪黑素可以緩解重金屬脅迫對植物帶來的傷害。然而，本試驗研究也表明，濃度為200 μmol/L的褪黑素抑制了大頭菜幼苗生長，降低其根長、根系體積、株高、塊根直徑、塊根長度和生物量，這也與Arnao和Hemandez-ruiz[19]的研究類似，即低濃度的褪黑素促進植物生長，高濃度的褪黑素對植物生長起抑制作用。

葉綠素是植物進行光合作用的重要物質，其含量高低直接影響植物的生長[20]。在重金屬脅迫下，植物體內的葉綠體膜結構受到破壞、葉綠素被降解，導致了其光合作用下降，進而導致生物量降低[21]。本試驗研究表明，褪黑素處理提高了大頭菜幼苗的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量及類胡蘿卜素含量，這可能與褪黑素防止植物葉綠素的降解有關[21-22]。此外，這也可能是褪黑素保護了葉綠體膜結構受到破壞，提高了參與光合反應酶的活性，從而使得大頭菜幼苗葉綠素含量提高，光合作用增強[21]。

在重金屬脅迫條件下，植物體內產生大量的活性氧自由基，從而抑制植物的生長[23]。而植物體內的抗氧化酶活性在一定程度上能夠分解活性氧自由基，保護植物免受傷害[24]。本試驗研究表明，不同濃度的褪黑素提高了大頭菜幼苗的抗氧化酶(SOD、POD和CAT)活性，且隨著褪黑素濃度的增加呈增加的趨勢。這說明褪黑素提高了大頭菜幼苗對Cd的抗性。同時，褪黑素處理降低了大頭菜幼苗根系、塊根、地上部分和可食用部分的Cd含量。隨著褪黑素濃度的增加，大頭菜幼苗各器官的Cd含量呈降低的趨勢。這可能是褪黑素處理提高了大頭菜幼苗抗性，降低了大頭菜幼苗對Cd的被動吸收，有利于Cd污染土壤上大頭菜的安全生產。

褪黑素作為一種新型生長調節物質，具有高效、環保的特點，它的開發和利用可以極大地促進園藝植物的健康生長[25]，提高園藝植物對重金屬的抗性，降低對重金屬的積累[26-27]。因此，褪黑素在促進園藝產業的健康發展方面具有較大的開發潛力。然而，目前，大部分試驗研究還停留在實驗室階段，且現有的褪黑素生產成本較高[25]，在生產上全面應用還有待進一步的試驗和研究出低成本的褪黑素生產技術。

[1] 徐良將, 張明禮, 楊浩. 土壤重金屬鎘污染的生物修復技術研究進展[J]. 南京師大學報(自然科學版), 2011, 34(1): 102–105

[2] 謝建治, 劉樹慶, 劉玉柱, 等. 保定市郊土壤重金屬污染對蔬菜營養品質的影響[J]. 農業環境保護, 2002, 21(4): 325–327

[3] 畢淑芹, 謝建治, 劉樹慶, 等. 土壤重金屬污染對植物產量及品質的影響研究[J]. 河北農業科學, 2006, 10(2): 107–110

[4] Wang P, Sun X, Chang C, et al. Delay in leaf senescence ofby long-term melatonin application is associated with its regulation of metabolic status and protein degradation[J]. Journal of Pineal Research, 2013, 55(4): 424–434

[5] Ramakrishna A, Giridhar P, Sankar K U, et al. Melatonin and serotonin profiles in beans of Coffea species[J]. Journal of Pineal Research, 2012, 52(4): 470–476

[6] 張貴友, 劉偉華, 戴堯仁. 植物中的褪黑激素及其功能[J]. 中草藥, 2003, 34(1): 87–89

[7] 潘紅艷, 張曉慶, 李婕, 等. 褪黑素對低溫脅迫后菘藍種子苗抗氧化性影響[J]. 西北大學學報: 自然科學版, 2013, 43(2): 238–242

[8] 張娜, 蔣慶, 李殿波, 等. 外源施加褪黑素對NaCl脅迫下狼尾草種子萌發及相關生理指標的影響[J]. 中國農業大學學報, 2014, 19(4): 54–60

[9] 劉仕翔, 黃益宗, 羅澤嬌, 等. 外源褪黑素處理對鎘脅迫下水稻種子萌發的影響[J]. 農業環境科學學報, 2016, 35(6): 1034–1041

[10] 陳旭, 雷開榮, 林清, 等. 芥菜種質資源分類研究進展[J]. 南方農業, 2007, 1(4): 88–90

[11] 曾利芳. 芥菜優質豐產栽培技術[J]. 現代農業科技, 2014(4): 94, 99

[12] 張慶利, 史學正, 黃標, 等. 南京城郊蔬菜基地土壤有效態鉛、鋅、銅和鎘的空間分異及其驅動因子研究[J]. 土壤, 2005, 37(1): 41–47

[13] 宋金茜, 朱權, 姜小三, 等. 基于GIS的農業土壤重金屬風險評價研究—— 以南京市八卦洲為例[J]. 土壤學報, 2017, 54(1): 81–91

[14] 湯福義, 林立金, 楊代宇, 等. 少花龍葵種間嫁接后代對小白菜生長及鎘積累的影響[J]. 土壤通報, 2016, 47(1): 207–212

[15] 熊慶娥. 植物生理學實驗教程[M]. 成都: 四川科學技術出版社, 2003

[16] 鮑士旦. 土壤農化分析[M]. 3版. 北京: 中國農業出版社, 2000

[17] Tal O, Haim A, Harel O, et al. Melatonin as an antioxidant and its semi-lunar rhythm in green macroalgasp. [J]. Journal of Experimental Botany, 2011, 62(6): 1903–1910

[18] 徐向東, 孫艷, 郭曉芹, 等. 高溫脅迫下外源褪黑素對黃瓜幼苗光合作用及葉綠素熒光的影響[J]. 核農學報, 2011, 25(1): 179–184

[19] Arnao M B, Hernandez-ruiz J. Melatonin promotes adventitious-and lateral root regeneration in etiolated hypocotyls ofL. [J]. Journal of Pineal Research, 2007, 42(2): 147–152

[20] 向洋, 丁志寶, 吳筱媚, 等. 植物生長調節劑對呼吸作用及光合作用等有關性狀的影響(Ⅲ)[J]. 長沙水電師院學報(自然科學版), 1997, 12(1): 106–109

[21] 楊丹慧. 重金屬離子對高等植物光合膜結構與功能的影響[J]. 植物學報, 1991, 8(3): 26–29

[22] 劉仕翔, 黃益宗, 羅澤嬌, 等. 外源褪黑素處理對鎘脅迫下水稻種子萌發的影響[J]. 農業環境科學學報, 2016, 35(6): 1034–1041

[23] 鄒強. 基于高光譜圖像技術的番茄葉片和植株抗氧化酶系統活性測定研究[D]. 杭州: 浙江大學, 2012

[24] 何學利. 植物體內的保護酶系統[J]. 現代農業科技, 2010(10): 37–38

[25] 鞏彪, 史慶華. 園藝作物褪黑素的研究進展[J]. 中國農業科學, 2017, 50(12): 2326–2337

[26] 唐懿, 任緯, 劉副剛, 等. 褪黑素浸種對豌豆幼苗生長及鎘積累的影響[J]. 土壤, 2018, 50(1): 109–114

[27] 黃佳璟, 林立金, 陳發波, 等. 噴施褪黑素對蘿卜生長及鎘積累的影響[J]. 四川農業大學學報, 2017, 35(3): 375–380

Effects of Melatonin on Growth and Cadmium Accumulation of

YAO Huan1,2, WANG Ting3,LIU Lei3, SUI Liyun3, LIAO Ming’an1, LIN Lijin4*, REN Wei5

(1 College of Horticulture, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China; 2 College of Life Sciences, Sichuan University, Chengdu 610064, China; 3 Chengdu Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Chengdu 611130, China; 4 Institute of Pomology and Olericulture, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China; 5 Institute of Maize Research, Neijiang Academy of Agricultural Sciences, Neijiang, Sichuan 641000, China)

A pot experiment was conducted to study the effects of different concentrations of melatonin on the growth and cadmium (Cd) accumulation ofunder Cd-contaminated condition. The concentrations of 50, 100 and 150 μmol/L melatonin increased the root length and volume, plant height, tuber diameter and length ofseedlings, and increased the biomass of roots, tubers, shoots and edible parts, while 150 μmol/L melatonin decreased these items. Different concentrations of melatonin improved the photosynthetic pigment (chlorophyll, chlorophyll, total chlorophyll and carotenoid) contents and antioxidant enzyme (SOD, POD and CAT) activities ofseedlings, while reduced Cd contents in roots, tubers, shoots and edible parts of plant seedlings. With the increase of melatonin concentration, Cd contents in the different organs ofseedlings showed the reducing trend. Therefore, the spraying of melatonin could promote the growth ofseedlings and reduce its accumulation of cadmium.

Melatonin;; Growth; Cadmium

四川省教育廳項目(17ZB0342)資助。

llj800924@qq.com)

姚歡(1997—)，女，四川遂寧人，碩士研究生，主要從事果樹生理生態研究。E-mail：272365026@qq.com

S482.8+91；X503；S631.5

A

10.13758/j.cnki.tr.2019.05.022