外源褪黑素對非生物脅迫下植物生長發育的影響

田雨菁，胡雅琦

（內蒙古大學 生命科學學院，內蒙古呼和浩特 010030）

全球變暖不斷加劇，土地干旱問題日益嚴重，且由于地球生態不斷遭到破壞，土地鹽堿化也尤為嚴重。在緩解植物逆境脅迫研究中，褪黑素（MT）的應用越來越廣泛，它可以有效緩解植物低溫脅迫[1]、鹽脅迫[2]和干旱脅迫[3]等非生物脅迫傷害。褪黑素主要是哺乳動物松果體合成分泌的一種物質，是一種胺類激素，具有調節機體晝夜規律、調控性激素分泌、提高免疫功能和抗機體氧化等多種生理功能。現階段，科研工作者們對不同非生物脅迫下茄子、油菜、大豆等植物施加外源褪黑素進行了研究，結果表明，適量的褪黑素可以增加植物的抗逆性，讓其擁有更廣闊的生存空間，對于惡劣條件下植物的正常發育具有重大影響。褪黑素作為一種胺類激素，很容易被吸收，作用在植物上也不會經過食物鏈富集而對人體產生不良影響，是一種提高植物抗逆性的綠色途徑。

褪黑素在植物體中具有多重生理功能，主要通過對植物抗氧化酶活性的升高，降低活性氧和過氧化物含量，清除活性氧自由基等來減輕氧化損傷，提高植物的抗逆性。具體可從以下4個方面分析褪黑素對植物抗逆性能的影響。

1 施加外源褪黑素對抗氧化酶的影響

超氧化物歧化酶（S0D）、過氧化物酶（POD）、抗壞血酸過氧化物酶（APX）和過氧化氫酶（CAT）是植物體內主要的抗氧化酶，可以維持植物體內的氧化平衡。SOD是一種于生物體中產生的活性酶類，可以消除植物體在新陳代謝過程中產生的有害物質。最近研究結果表明[4]，在干旱、高溫或者鹽堿的不利條件下，對植物采用浸種、葉面噴施、根施的方法，對植物施加外源褪黑素可以使植物抗氧化酶活性顯著提高。當環境條件對植物生長不利時，隨著對植物施加外源褪黑素濃度的升高，SOD的活性先升高后降低，說明低濃度的外源褪黑素的施加可以有效提高植物體內的SOD活性。而據目前研究結果來看，通過根施的方法產生的效果更好。POD活性也反映植物的生長發育特性，其活性變化趨勢與SOD較為一致，但變化幅度比SOD大，而且低濃度的外源褪黑素可以使POD活性增強，但是濃度較高時也會抑制POD的活性。正常條件下，葉面噴施褪黑素，CAT活性提高，而在植物生長的不利條件下施加褪黑素，CAT活性升高更明顯，APX活性變化與CAT相同。

植物在正常條件下生長，能夠維持活性氧（ROS）的平衡，干旱脅迫、鹽脅迫等非生物脅迫可以破壞細胞穩態并導致ROS過量積累，進一步導致自由基大量積累并啟動膜脂過氧化作用，使膜透性增大，破壞膜結構，造成氧化損傷。

干旱脅迫增加了抗氧化酶活性，但隨著脅迫時間變長，抗氧化酶活性降低，是因為ROS過度積累后使得細胞結構損傷，酶相關蛋白發生降解。褪黑素能增強干旱脅迫下SOD、POD、CAT和APX活性，這有助于緩解ROS過度積累，維持細胞內正常氧化還原平衡和植株正常生長發育。

當植物處于鹽脅迫時，體內會產生大量活性氧（ROS），造成植物膜相變和膜結構破壞，質膜及各種細胞器的內膜系統會膨脹或破損。經過MT處理的植物幼苗的膜透性增幅顯著降低。這可能是由于MT預處理有效地降低了ROS的產生速率，緩解了活性氧對細胞膜的傷害。鹽脅迫會使得酚類合成途徑中基因水平的上調，而且鹽脅迫敏感的品種與抗鹽品種上調幅度不同。研究證實，酚類物質具有在逆境下作為抗氧化劑清除活性氧的作用。外源MT預處理則可以有效提高植物幼苗體內總酚、總黃酮、總黃烷醇含量，從而增強清除活性氧能力，抑制脂質過氧化。

2 施加外源褪黑素對丙二醛（MDA）的影響

丙二醛（MDA）是膜脂過氧化最終分解產物，對許多生物大分子物質如核酸、蛋白質、脂類、碳水化合物和酶等具有很強的破壞性，對細胞產生毒性作用，能打破細胞自身的協調平衡[5]。其含量的變化能反映出環境對于植物損害程度的大小及植物應對外界環境刺激的劇烈程度。

MDA是反映植物細胞膜脂過氧化作用的重要指標。當植物生長處于不利條件時，MDA含量顯著升高，對植物傷害極大，而施加外源MT可以有效減少MDA的產生。但是MT不能完全消除脅迫條件下MDA的產生，且當MT濃度過高時會降低MT對MDA的緩解效果。研究表明[6]，在植物生長的不同階段，褪黑素對MDA的降低效果不同，在植物幼苗階段效果最明顯。

低溫脅迫使植物產生大量自由基、活性氧，引起植物細胞膜透性增大，胞內電解質外滲，出現膜脂過氧化，蛋白質活性降低甚至喪失，從而導致植物代謝紊亂。適宜濃度的MT可以一定程度上降低過氧化氫的含量，并減緩O2產生的速率，降低了MDA的含量，從而降低了低溫脅迫造成的脂質過氧化程度，維持了膜的穩定性，能夠對低溫脅迫下植物幼苗的細胞膜起到保護作用。

3 施加外源褪黑素對葉綠素含量的影響

在植物生長受到不利因素的脅迫時，葉綠素的含量會明顯下降，其中葉綠素總量、葉綠素a和葉綠素b含量均顯著降低，從而降低植物的光合作用，不利于植物的生長發育。研究表明[7]，褪黑素對于受到脅迫的植物的葉綠素含量均有顯著提高，但是在施加褪黑素時應注意根據植物以及脅迫條件的不同，對褪黑素的濃度加以控制。大多數實驗中均發現適宜濃度的褪黑素可以提高葉綠素含量，但是高濃褪黑素會對植物生長產生抑制作用。

褪黑素對葉綠素的影響主要表現在2個方面：（1）褪黑素通過提高葉片內葉綠素的含量來緩解不利條件對植物的影響；（2）當植物處于不利條件下生長時，褪黑素也可以減緩植物葉綠素的降解速度以達到保護植物的目的。褪黑素通過這兩方面的作用可以有效提高植物的抗性。褪黑素可通過調控葉綠素的含量影響光合作用，但是其調節機制尚不清楚，具體是褪黑素直接影響了葉綠素合成、降解過程的相關酶，還是通過調控其他內源激素含量等間接方式影響了葉綠素的合成，仍有待進一步研究。

4 施加外源褪黑素對種子萌發的影響

目前，部分研究外源褪黑素的實驗中采取了浸種的辦法施加褪黑素，即用褪黑素和水混合成一定濃度來浸泡種子，并觀察一定濃度褪黑素下種子發芽率以及胚根長度。植物生長在不利條件下，種子的干物質質量和鮮物質質量均會下降，而通過施加外源褪黑素，可以發現種子的干物質質量和鮮物質質量顯著提高,表明適宜濃度褪黑素能夠促進植物種子內部營養物質的積累，從而為后期種子萌發提供了生物量積累，進而提高發芽率。此外，外界非生物脅迫抑制植物胚根生長，而外源褪黑素施加之后，胚根長度呈現先增加后減少的趨勢，證明低濃度的褪黑素可以緩解脅迫帶來的抑制作用，促進胚根生長。

5 結語

外源褪黑素的施加方式主要有葉施、根施，建議使用根施效果更佳，因為褪黑素本身為內源代謝產物，能被生物降解。使用時應注意褪黑素濃度，一般高濃度褪黑素會產生抑制效果，而且植物的品種和生長階段都會對褪黑素用量造成不同的影響。根據不同植物施加不同濃度的褪黑素對植物生長發育具有積極作用。隨著研究的不斷深入，褪黑素更多的使用價值會被發現，因此，在不同非生物脅迫下植物的生長研究具有十分廣闊的前景。