外源褪黑素缓解甜高粱幼苗干旱胁迫的生理效应

doi:10.11686/cyxb2022340

草业学报 ›› 2023, Vol. 32 ›› Issue (7): 206-215.DOI: 10.11686/cyxb2022340

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外源褪黑素缓解甜高粱幼苗干旱胁迫的生理效应

梁佳¹^,²(), 胡朝阳³, 谢志明¹^,², 马刘峰¹^,², 陈芸¹^,², 方志刚¹^,²()

^1.喀什大学生命与地理科学学院，新疆喀什 844006
^2.新疆帕米尔高原生物资源与生态重点实验室，新疆喀什 844006
^3.江西农业大学生物科学与生物工程学院，江西南昌 330045

收稿日期:2022-08-26 修回日期:2022-10-20 出版日期:2023-07-20 发布日期:2023-05-26
通讯作者: 方志刚
作者简介:E-mail： fangyi20@126.com
梁佳（1994-），女，四川遂宁人，硕士。E-mail： ljia0920@126.com
基金资助:
新疆维吾尔自治区高校科研计划自然科学项目(XJEDU2019Y038);新疆维吾尔自治区面上项目(2022D010A232)

Exogenous melatonin alleviates the physiological effects of drought stress in sweet sorghum seedlings

Jia LIANG¹^,²(), Zhao-yang HU³, Zhi-ming XIE¹^,², Liu-feng MA¹^,², Yun CHEN¹^,², Zhi-gang FANG¹^,²()

^1.College of Life and Geographic Sciences，Kashi University，Kashi 844006，China
^2.Xinjiang Key Laboratory of Biological Resources and Ecology of Pamir Plateau，Kashi 844006，China
^3.College of Bioscience and Bioengineering，Jiangxi Agricultural University，Nanchang 330045，China

Received:2022-08-26 Revised:2022-10-20 Online:2023-07-20 Published:2023-05-26
Contact: Zhi-gang FANG

摘要/Abstract

摘要：

为探究外源褪黑素缓解甜高粱幼苗干旱胁迫可能的生理机制，以甜高粱品种‘大力士’为材料，采用盆栽试验方法，分析自然干旱条件下，叶面喷施褪黑素（100 μmol·L^-1）对甜高粱幼苗生长及生理特性的影响。结果表明，干旱胁迫导致植株地上部水分失衡，叶绿体结构受损，细胞产生氧化胁迫，显著抑制甜高粱幼苗的生长。喷施褪黑素可显著降低甜高粱叶片丙二醛（MDA）含量，积累更多的可溶性蛋白和脯氨酸，提高叶片含水量，使叶绿体基粒片层排列有序，光合色素含量升高；喷施褪黑素还能显著提高叶片过氧化物酶（POD）和硝酸还原酶活性。综合上述，喷施100 μmol·L^-1褪黑素能进一步激发干旱环境中甜高粱叶片抗氧化系统的保护作用，通过渗透调节，维持植株水分平衡，改善叶绿体结构，提高光合色素含量，协同增强氮代谢，促进植株生长，从而缓解干旱对甜高粱幼苗的伤害。

关键词: 甜高粱, 干旱胁迫, 褪黑素, 生理机制

Abstract:

In order to explore the possible physiological mechanism of exogenous melatonin alleviation of drought stress in sweet sorghum seedlings， a pot experiment was set up to investigate the effects of spraying melatonin （100 μmol·L^-1） on the growth and physiological characteristics of ‘Dalish’ sweet sorghum seedlings under natural drought conditions. It was found that drought stress resulted in water imbalance in plant shoots， damaged the chloroplast structure and produced intracellular oxidative stress， which significantly inhibited the growth of the sweet sorghum seedlings. Spraying 100 μmol·L^-1melatonin significantly reduced the malondialdehyde content in leaves， facilitated increased accumulation of soluble protein and proline， increased the water content of leaves， promoted orderly arrangement of the granula lamellae of chloroplast， and increased the content of photosynthetic pigment. Spraying melatonin also significantly increased the activities of peroxidase and nitrate reductase in leaves. In conclusion， spraying 100 μmol·L^-1 melatonin enhanced the protective effect of antioxidant systems in sweet sorghum leaves under drought conditions， which helped to maintain plant water balance， improve chloroplast structure and increase the photosynthetic pigment content through osmotic regulation and synergistically enhanced nitrogen metabolism. At the same time， exogenous melatonin enhanced nitrogen metabolism and promoted the plant growth， resulting in alleviation of drought damage to sweet sorghum seedlings.

Key words: sweet sorghum, drought stress, melatonin, physiological mechanism

梁佳, 胡朝阳, 谢志明, 马刘峰, 陈芸, 方志刚. 外源褪黑素缓解甜高粱幼苗干旱胁迫的生理效应[J]. 草业学报, 2023, 32(7): 206-215.

Jia LIANG, Zhao-yang HU, Zhi-ming XIE, Liu-feng MA, Yun CHEN, Zhi-gang FANG. Exogenous melatonin alleviates the physiological effects of drought stress in sweet sorghum seedlings[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2023, 32(7): 206-215.

图/表 8

表1 外源褪黑素对干旱胁迫下甜高粱幼苗生长的影响

Table 1 Effects of exogenous melatonin on growth of sweet sorghum seedlings under drought stress

处理 Treatment	株高 Plant height （cm）	茎粗 Stem diameter （mm）	叶面积 Leaf area （cm²）	地上部干重 Shoot dry weight （g·plant^-1）	根系干重 Root dry weight （g·plant^-1）
CK	97.83±3.95a	4.46±0.29a	23.12±0.97a	0.49±0.07ab	0.10±0.02ab
D	73.83±6.52b	3.59±0.35c	15.05±1.36b	0.42±0.05b	0.06±0.02b
CK+MT	98.01±2.31a	4.45±0.15ab	24.60±1.57a	0.49±0.04a	0.11±0.01a
D+MT	85.65±10.60ab	3.91±0.24bc	22.40±1.98a	0.48±0.13ab	0.08±0.03ab

图1 外源褪黑素对干旱胁迫下甜高粱幼苗叶片相对含水量的影响CK：对照；D：干旱胁迫；CK+MT：正常供水条件下喷施100 μmol·L-1的褪黑素；D+MT：干旱胁迫条件下喷施100 μmol·L-1的褪黑素。数据为3次重复的平均值±标准差。不同小写字母表示不同处理在0.05水平差异显著。下同。CK： Control； D： Drought stress； CK+MT： Spraying 100 μmol·L-1 melatonin under normal water supply； D+MT： Spraying 100 μmol·L-1 melatonin under drought stress. Data were mean±standard deviation for three replicates. Different lowercase letters indicate significant differences at the 0.05 level. The same below.

Fig.1 Effects of exogenous melatonin on leaf relative water content of sweet sorghum seedlings under drought stress

表2 外源褪黑素对干旱胁迫下甜高粱幼苗叶绿素与类胡萝卜素含量及其比值的影响

Table 2 Effects of exogenous melatonin on chlorophyll and carotenoid contents and their ratios in sweet sorghum seedlings under drought stress

项目 Item	处理 Treatment
项目 Item	CK	D	CK+MT	D+MT
叶绿素a Chlorophyll a （Chl a）	10.09±0.47a	5.69±0.36c	9.19±0.23b	8.92±0.48b
叶绿素b Chlorophyll b （Chl b）	4.00±0.52a	2.72±0.38b	4.00±0.53a	3.55±0.42ab
总叶绿素Total chlorophyll （T-Chl）	14.10±0.72a	8.42±0.41c	13.20±0.71ab	12.47±0.14b
类胡萝卜素Carotenoid （Car）	1.66±0.11a	0.85±0.12c	1.41±0.48ab	1.02±0.10bc
Chl a/Chl b	2.55±0.37a	2.12±0.36a	2.32±0.26a	2.55±0.41a
T-Chl/Car	8.57±0.98a	9.96±1.44a	10.20±3.78a	12.30±1.42a

图2 外源褪黑素对干旱胁迫下甜高粱幼苗叶片中叶绿体超微结构的影响A~B：对照（CK）； C~D：干旱胁迫（D）处理； E~F：正常供水条件下喷施 100 μmol·L-1褪黑素（CK+MT）处理；G~H：干旱条件下，喷施 100 μmol·L-1褪黑素（D+MT）处理。A-B： Control （CK）； C-D： Drought stress （D） treatment； E-F： Spraying 100 μmol·L-1 melatonin under normal water supply （CK+MT） treatment； G-H： Spraying 100 μmol·L-1 melatonin under drought stress （D+MT） treatment. Chl： Chloroplast； GL： Grana lamella； St： Starch grain； Pi： Osmophilic granules.

Fig.2 Effects of exogenous melatonin on chloroplast ultrastructure in leaves of sweet sorghum seedlings under drought stress

图3 外源褪黑素对干旱胁迫下甜高粱幼苗MDA含量与相对电导率的影响

Fig.3 Effects of exogenous melatonin on MDA contents and relative conductivity of sweet sorghum seedlings under drought stress

图4 外源褪黑素对干旱胁迫下甜高粱幼苗渗透调节物质的影响

Fig.4 Effects of exogenous melatonin on osmotic adjustment substances of sweet sorghum seedlings under drought stress

图5 外源褪黑素对干旱胁迫下甜高粱幼苗硝酸还原酶活性的影响

Fig.5 Effects of exogenous melatonin on nitrate reductase activity of sweet sorghum seedlings under drought stress

图6 外源褪黑素对干旱胁迫下甜高粱幼苗抗氧化酶活性的影响

Fig.6 Effects of exogenous melatonin on antioxidant enzyme activities of sweet sorghum seedlings under drought stress

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外源褪黑素缓解甜高粱幼苗干旱胁迫的生理效应

Exogenous melatonin alleviates the physiological effects of drought stress in sweet sorghum seedlings

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