外源褪黑素对干旱胁迫下玉米幼苗根系发育及生理生化特性的影响

doi:10.11686/cyxb2022480

草业学报 ›› 2023, Vol. 32 ›› Issue (9): 143-159.DOI: 10.11686/cyxb2022480

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外源褪黑素对干旱胁迫下玉米幼苗根系发育及生理生化特性的影响

姜瑛¹(), 张辉红¹(), 魏畅¹, 徐正阳¹, 赵颖¹, 刘芳¹, 李鸽子², 张雪海², 柳海涛¹()

^1.河南农业大学资源与环境学院，河南郑州 450002
^2.河南农业大学农学院，省部共建小麦玉米作物学国家重点实验室，河南郑州 450046

收稿日期:2022-12-07 修回日期:2023-01-13 出版日期:2023-09-20 发布日期:2023-07-12
通讯作者: 柳海涛
作者简介:E-mail： liuhaitaoky@henau.edu.cn
姜瑛（1986-），女，河南信阳人，博士。 E-mail： JY27486@163.com
张辉红（1999-），男，河南周口人，在读硕士。E-mail： 1378394 9406@163.com。第一联系人：共同第一作者These authors contributed equally to this work.
基金资助:
国家自然科学基金青年基金(31901090);山东农业大学作物生物学国家重点实验室开放课题项目基金(2018KF05);河南省留学人员科研择优资助项目(30602340);河南农业大学青年英才专项基金项目(30500671);河南农业大学大学生创新训练计划项目(2022DC158)

Effects of exogenous melatonin on root development and physiological and biochemical characteristics of maize seedlings under drought stress

Ying JIANG¹(), Hui-hong ZHANG¹(), Chang WEI¹, Zheng-yang XU¹, Ying ZHAO¹, Fang LIU¹, Ge-zi LI², Xue-hai ZHANG², Hai-tao LIU¹()

^1.College of Resources and Environment，Henan Agricultural University，Zhengzhou 450002，China
^2.College of Agronomy，Henan Agricultural University，State Key Laboratory of Wheat and Maize Crop Science，Zhengzhou 450046，China

Received:2022-12-07 Revised:2023-01-13 Online:2023-09-20 Published:2023-07-12
Contact: Hai-tao LIU

摘要/Abstract

摘要：

为研究喷施外源褪黑素对玉米幼苗抗旱性的效果，探究褪黑素缓解干旱胁迫的作用机理。以玉米品种郑单985作为供试材料，采用水培试验，使用聚乙二醇（PEG-6000）模拟干旱胁迫，探究干旱胁迫下不同浓度（0、10、50、100 μmol·L^-1）褪黑素对玉米幼苗生长、根系构型及分级特征、光合特性、抗氧化能力和渗透调节物质含量等指标的影响，采用隶属函数值法对不同处理下玉米幼苗的抗旱性进行综合评价。结果表明：与不施褪黑素处理相比，喷施50 μmol·L^-1褪黑素效果最优，玉米幼苗的株高、地上部鲜重和干重、地下部鲜重和干重、茎耐受指数和根耐受指数均显著增加；玉米幼苗的总根长（RL）、根表面积（SA）、根体积（RV）和根尖数（RT）均显著增加，RL的Ⅰ级（RD 0~0.5 mm）、SA的Ⅰ和Ⅱ级（RD 0.5~1.0 mm）、RV的Ⅰ和Ⅱ级均显著提高，其中50 μmol·L^-1褪黑素处理中的根系Ⅰ级径级区间的RL和SA占该处理根系的总比例最高，达到82.40%和47.32%；地上部丙二醛（MDA）含量显著降低了20.17%；地上部可溶性蛋白含量增加至最大，地下部可溶性蛋白含量显著升高了49.14%；光合速率（P_n）和气孔导度（G_s）分别增加了85.83%和32.81%；地上部和地下部超氧化物歧化酶（SOD）活性、地上部过氧化物酶（POD）活性、地上部过氧化氢酶（CAT）活性和地上部抗坏血酸过氧化物酶（APX）活性均显著升高；干旱胁迫下4个处理的抗旱性强弱排序为50 μmol·L^-1（MT₅₀）>10 μmol·L^-1（MT₁₀）>100 μmol·L^-1（MT₁₀₀）>0 μmol·L^-1（MT₀），即MT₅₀处理的抗旱性最强。外源喷施50 μmol·Ｌ^-1褪黑素有效调节了玉米幼苗地上部和地下部的抗氧化酶活性和渗透调节能力，减少了MDA含量，提高了地上部的光合作用能力，调节了玉米幼苗地上部和地下部的可溶性蛋白含量、抗坏血酸（AsA）含量、谷胱甘肽（GSH）含量、SOD活性、POD活性、APX活性和CAT活性，提高了玉米幼苗地上部和地下部的生物量和伸长量，减轻了干旱胁迫对根系构型的影响，提高了玉米幼苗的抗旱性，为研究褪黑素缓解干旱胁迫的作用机理提供了理论依据。

关键词: 褪黑素, 玉米, 干旱胁迫, 根系构型, 生理生化特性

Abstract:

This research studied the effect of spraying exogenous melatonin on drought resistance of maize seedlings， and explored the mechanism of melatonin alleviation of drought stress in maize variety Zhengdan 985. A hydroponic experiment was conducted， using polyethylene glycol （PEG-6000） to simulate drought stress. The effects of melatonin at different concentrations （0， 10， 50， 100 μmol·L^-1； MT₀， MT₁₀， MT₅₀， MT₁₀₀， respectively） on the growth， root configuration and diameter characteristics， photosynthetic characteristics， antioxidant capacity and osmotic content of maize seedlings under drought stress were studied. Multivariate analysis of the maize seedling drought resistance under the various treatments was undertaken using the subordinate function value method. Compared with the treatment without melatonin， spraying 50 μmol·L^-1 melatonin had the best effect， and significantly increased plant height， aboveground fresh and dry weight， underground fresh and dry weight， stem tolerance index and root tolerance index of the seedlings. The total root length （RL）， root surface area （SA）， root volume （RV） and root tip number （RT） of maize seedlings were also increased significantly by melatonin application. The RL of the finest diameter category （0-0.5 mm） and the SA and RV of the second diameter category （0.5-1.0 mm）， were also significantly increased. Across the treatments， the proportions of total RL and SA （82.40% and 47.32%， respectively） in the （0-0.5 mm） diameter range were highest in the 50 μmol·L^-1 melatonin treatment. In this treatment， compared to the control， shoot malondialdehyde （MDA） levels were decreased by 20.17% （P<0.05）， shoot soluble protein content was maximized， the soluble protein content of underground parts was increased by 49.14%， and leaf photosynthetic rate （P_n） and stomatal conductance （G_s） were increased by 85.83% and 32.81%， respectively. The activities of superoxide dismutase （SOD）， peroxidase （POD）， catalase （CAT） and ascorbate peroxidase （APX） in shoots and underground organs were also significantly increased. The order of drought resistance of the four treatments under drought stress was MT₅₀>MT₁₀>MT₁₀₀>MT₀. Exogenous application of 50 μmol·L^-1 melatonin effectively regulated the activities of antioxidant enzymes and osmotic regulation in the aboveground and underground parts of maize seedlings， reduced the MDA content， increased the photosynthetic capacity， and beneficially regulated the soluble protein content， ascorbate （AsA） content， glutathione （GSH） content， SOD activity， POD activity， APX activity and CAT activity in the aboveground and underground parts of maize seedlings. The biomass and elongation of maize seedlings were increased， the detrimental effect of drought stress on root configuration was reduced， and the drought resistance of maize seedlings was improved. These results provide a theoretical basis for revealing the mechanism of melatonin alleviation of drought stress.

Key words: melatonin, maize, drought stress, root configuration, physiological and biochemical characteristics

姜瑛, 张辉红, 魏畅, 徐正阳, 赵颖, 刘芳, 李鸽子, 张雪海, 柳海涛. 外源褪黑素对干旱胁迫下玉米幼苗根系发育及生理生化特性的影响[J]. 草业学报, 2023, 32(9): 143-159.

Ying JIANG, Hui-hong ZHANG, Chang WEI, Zheng-yang XU, Ying ZHAO, Fang LIU, Ge-zi LI, Xue-hai ZHANG, Hai-tao LIU. Effects of exogenous melatonin on root development and physiological and biochemical characteristics of maize seedlings under drought stress[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2023, 32(9): 143-159.

图/表 13

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生长指标Growth index	CK	MT₀	MT₁₀	MT₅₀	MT₁₀₀
株高Plant height （cm）	40.90±0.50a	31.07±0.83c	29.83±1.68c	36.70±1.25b	31.00±1.25c
地上部鲜重Shoot fresh weight （g·plant^-1）	3.93±0.20a	1.34±0.12d	1.59±0.30cd	2.24±0.20b	1.73±0.13c
地上部干重Shoot dry weight （mg·plant^-1）	286.33±14.03a	123.23±15.46d	156.67±23.79c	264.20±6.41a	197.57±4.00b
主根长Main root length （cm）	32.03±2.25a	24.23±0.81bc	22.50±2.26c	25.70±1.18b	25.13±0.90bc
地下部鲜重Root fresh weight （g·plant^-1）	1.61±0.02a	0.81±0.06c	0.92±0.14c	1.12±0.04b	0.92±0.08c
地下部干重Root dry weight （mg·plant^-1）	100.47±6.30a	39.60±4.28d	65.27±7.13c	90.93±4.03ab	81.77±6.71b
根冠比Root/shoot	0.35±0.01b	0.32±0.02b	0.42±0.05a	0.34±0.02b	0.41±0.05a
茎耐受指数Shoot tolerance index （%）	-	0.43±0.05d	0.55±0.08c	0.92±0.02a	0.69±0.01b
根耐受指数Root tolerance index （%）	-	0.39±0.04c	0.65±0.07b	0.90±0.04a	0.81±0.07a

生长指标Growth index	CK	MT₀	MT₁₀	MT₅₀	MT₁₀₀
株高Plant height （cm）	40.90±0.50a	31.07±0.83c	29.83±1.68c	36.70±1.25b	31.00±1.25c
地上部鲜重Shoot fresh weight （g·plant^-1）	3.93±0.20a	1.34±0.12d	1.59±0.30cd	2.24±0.20b	1.73±0.13c
地上部干重Shoot dry weight （mg·plant^-1）	286.33±14.03a	123.23±15.46d	156.67±23.79c	264.20±6.41a	197.57±4.00b
主根长Main root length （cm）	32.03±2.25a	24.23±0.81bc	22.50±2.26c	25.70±1.18b	25.13±0.90bc
地下部鲜重Root fresh weight （g·plant^-1）	1.61±0.02a	0.81±0.06c	0.92±0.14c	1.12±0.04b	0.92±0.08c
地下部干重Root dry weight （mg·plant^-1）	100.47±6.30a	39.60±4.28d	65.27±7.13c	90.93±4.03ab	81.77±6.71b
根冠比Root/shoot	0.35±0.01b	0.32±0.02b	0.42±0.05a	0.34±0.02b	0.41±0.05a
茎耐受指数Shoot tolerance index （%）	-	0.43±0.05d	0.55±0.08c	0.92±0.02a	0.69±0.01b
根耐受指数Root tolerance index （%）	-	0.39±0.04c	0.65±0.07b	0.90±0.04a	0.81±0.07a

项目Item	CK	MT₀	MT₁₀	MT₅₀	MT₁₀₀
总根长Total root length （RL，cm）
总Total	1078.57±25.11a	350.76±21.23d	413.58±4.26d	643.92±63.89b	492.62±25.79c
Ⅰ	888.47±22.89a	234.81±28.05e	287.02±7.31d	494.90±34.68b	346.39±16.68c
Ⅱ	159.23±7.12a	98.03±11.25b	102.63±11.85b	118.21±27.44b	117.03±16.48b
Ⅲ	18.98±1.64a	9.62±1.93b	13.93±5.80ab	17.63±5.11a	16.69±1.29a
Ⅳ	11.56±4.17a	8.25±2.72a	9.99±2.50a	12.99±3.25a	12.30±2.72a
根表面积Root surface area （SA，cm²）
总Total	111.70±2.09a	49.61±1.12d	59.08±3.99cd	81.34±9.70b	71.28±8.97bc
Ⅰ	46.62±1.25a	14.23±2.16d	17.37±2.06d	29.25±2.87b	22.21±1.98c
Ⅱ	35.19±2.72a	20.63±2.19b	22.49±2.44b	26.72±5.90b	25.71±3.50b
Ⅲ	7.17±0.68a	3.63±0.77b	5.25±2.21ab	6.62±1.92a	6.29±0.53ab
Ⅳ	9.51±2.48a	6.38±1.73a	8.15±2.47a	10.00±2.83a	9.86±2.55a
根体积Root volume （RV，cm³）
总Total	0.92±0.05a	0.56±0.06c	0.67±0.09bc	0.82±0.12ab	0.83±0.17ab
Ⅰ	0.25±0.02a	0.09±0.01c	0.11±0.02c	0.17±0.03b	0.14±0.02b
Ⅱ	0.64±0.07a	0.36±0.04c	0.40±0.04bc	0.49±0.10b	0.46±0.06bc
Ⅲ	0.22±0.02a	0.11±0.02b	0.16±0.07ab	0.20±0.06a	0.19±0.02ab
Ⅳ	0.83±0.02a	0.47±0.10a	0.68±0.28a	0.72±0.20a	0.76±0.28a
根平均直径Root average diameter （RD， mm）	0.33±0.01b	0.45±0.04a	0.45±0.03a	0.40±0.01a	0.46±0.04a
根尖数Root tips （RT）	2138.67±319.14a	562.00±27.07c	615.67±95.63bc	1040.33±296.39b	819.00±259.05bc

项目Item	CK	MT₀	MT₁₀	MT₅₀	MT₁₀₀
总根长Total root length （RL，cm）
总Total	1078.57±25.11a	350.76±21.23d	413.58±4.26d	643.92±63.89b	492.62±25.79c
Ⅰ	888.47±22.89a	234.81±28.05e	287.02±7.31d	494.90±34.68b	346.39±16.68c
Ⅱ	159.23±7.12a	98.03±11.25b	102.63±11.85b	118.21±27.44b	117.03±16.48b
Ⅲ	18.98±1.64a	9.62±1.93b	13.93±5.80ab	17.63±5.11a	16.69±1.29a
Ⅳ	11.56±4.17a	8.25±2.72a	9.99±2.50a	12.99±3.25a	12.30±2.72a
根表面积Root surface area （SA，cm²）
总Total	111.70±2.09a	49.61±1.12d	59.08±3.99cd	81.34±9.70b	71.28±8.97bc
Ⅰ	46.62±1.25a	14.23±2.16d	17.37±2.06d	29.25±2.87b	22.21±1.98c
Ⅱ	35.19±2.72a	20.63±2.19b	22.49±2.44b	26.72±5.90b	25.71±3.50b
Ⅲ	7.17±0.68a	3.63±0.77b	5.25±2.21ab	6.62±1.92a	6.29±0.53ab
Ⅳ	9.51±2.48a	6.38±1.73a	8.15±2.47a	10.00±2.83a	9.86±2.55a
根体积Root volume （RV，cm³）
总Total	0.92±0.05a	0.56±0.06c	0.67±0.09bc	0.82±0.12ab	0.83±0.17ab
Ⅰ	0.25±0.02a	0.09±0.01c	0.11±0.02c	0.17±0.03b	0.14±0.02b
Ⅱ	0.64±0.07a	0.36±0.04c	0.40±0.04bc	0.49±0.10b	0.46±0.06bc
Ⅲ	0.22±0.02a	0.11±0.02b	0.16±0.07ab	0.20±0.06a	0.19±0.02ab
Ⅳ	0.83±0.02a	0.47±0.10a	0.68±0.28a	0.72±0.20a	0.76±0.28a
根平均直径Root average diameter （RD， mm）	0.33±0.01b	0.45±0.04a	0.45±0.03a	0.40±0.01a	0.46±0.04a
根尖数Root tips （RT）	2138.67±319.14a	562.00±27.07c	615.67±95.63bc	1040.33±296.39b	819.00±259.05bc

指标Indexes	RL	SA	RD	RV	RT	Ph	MRL	FW	DW
P_n	0.840**	0.813**	-0.776**	0.710**	0.783**	0.832**	0.725**	0.820**	0.849**
G_s	0.512	0.521*	-0.501	0.553*	0.437	0.595*	0.316	0.498	0.599*
C_i	-0.176	-0.242	0.093	-0.286	-0.131	-0.165	-0.086	-0.164	-0.376
T_r	0.493	0.487	-0.449	0.461	0.467	0.493	0.246	0.499	0.433
MDA	-0.858**	-0.833**	0.779**	-0.713**	-0.782**	-0.792**	-0.627*	-0.871**	-0.818**
AsA	-0.815**	-0.775**	0.770**	-0.642**	-0.782**	-0.728**	-0.646**	-0.809**	-0.718**
GSH	0.002	-0.062	-0.067	-0.177	0.110	-0.157	0.157	0.021	-0.363
SPC	-0.259	-0.178	0.202	-0.082	-0.288	-0.172	-0.369	-0.299	0.117
SOD	-0.161	-0.075	0.105	0.037	-0.252	-0.037	-0.364	-0.184	0.231
POD	-0.758**	-0.701**	0.675**	-0.634*	-0.729**	-0.659**	-0.701**	-0.770**	-0.452
CAT	-0.231	-0.155	0.159	-0.003	-0.335	-0.060	-0.392	-0.209	0.116
APX	-0.239	-0.072	0.503	-0.160	-0.255	-0.461	-0.336	-0.272	-0.023

外源褪黑素对干旱胁迫下玉米幼苗根系发育及生理生化特性的影响

Effects of exogenous melatonin on root development and physiological and biochemical characteristics of maize seedlings under drought stress

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编辑推荐

Metrics

处理 Treatment	MDA	AsA	GSH	SPC	SOD	POD	CAT	APX	平均值 Average value	排序Rank
MT₀	0.0366	0.8515	0.9185	0.3789	0.0426	0.6793	0.4053	0.1850	0.4372	4
MT₁₀	0.5375	0.3776	0.5756	0.7247	0.6555	0.8790	0.6472	0.7478	0.6431	2
MT₅₀	0.6105	0.3971	0.0808	0.9283	0.9917	0.8375	0.8764	0.4300	0.6440	1
MT₁₀₀	0.2036	0.6722	0.8218	0.5995	0.2570	0.7584	0.4429	0.9002	0.5820	3

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