Mitigating effects of exogenous melatonin on alfalfa under salt stress

doi:10.11686/cyxb2024400

Abstract

Abstract:

Salt stress severely restricts plant growth and poses a threat to sustainable agricultural development. Melatonin is a powerful antioxidant that plays an important role in the resistance of different plants to various stressful environments. This research was conducted using ‘Gongnong No.1’ alfalfa （Medicago sativa）， and the effect and regulation of physiological characteristics of alfalfa under 150 mmol·L^-1 NaCl stress when different concentrations of exogenous melatonin were applied， were investigated in hydroponically grown plants. It was found that external application of 50， 100 and 150 μmol·L^-1 melatonin alleviated various symptoms of physiological damage to alfalfa seedlings caused by salt stress. For example， under salt stress exogenous melatonin increased the content of osmotic adjustment substances such as free proline， soluble protein and soluble sugar， the hydroxyl radical scavenging rate was increased under salt stress， and the damage of malondialdehyde， hydrogen peroxide content and relative conductivity was reduced. Exogenous melatonin also increased the activity of antioxidant enzymes such as superoxide dismutase， catalase， peroxidase， glutathione S-transferase， glutathione reductase and the content of antioxidant such as ascorbic acid and reduced glutathione. Finally， exogenous melatonin increased the content of K⁺ and reduced the content of Na⁺ which acted to balance ionic homeostasis. However， 200 μmol·L^-1 melatonin caused osmotic stress， oxidative stress and ionic imbalance in alfalfa. Principal component analysis indicated that catalase activity， hydrogen peroxide content and K⁺∶Na⁺ could be used as key indicators for evaluating alfalfa for salt tolerance. The results of a multi-trait evaluation of 17 physiological indexes using an affiliation function methodology showed that 150 μmol·L^-1 melatonin treatment provided the most effective salt stress alleviation. A further insight from the results of this experiment was that melatonin enhances the resistance of alfalfa to salt stress in two ways： one is through direct pathways， such as direct scavenging of reactive oxygen species； the other is through indirect pathways， such as regulation of ionic homeostasis through the enhancement of metabolite content of the antioxidant enzyme system and osmoregulatory substances.

Key words: alfalfa, melatonin, salt stress, mitigating effects, comprehensive evaluation

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Figures/Tables 8

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处理 Treatment	霍格兰营养液 Hoagland’s nutrient solution （g·L^-1）	褪黑素 Melatonin （MT， μmol·L^-1）	处理 Treatment	霍格兰营养液 Hoagland’s nutrient solution （g·L^-1）	NaCl （mmol·L^-1）	褪黑素 Melatonin （MT， μmol·L^-1）
CK	1.96	0	N	1.96	150	0
MT₁	1.96	50	NM₁	1.96	150	50
MT₂	1.96	100	NM₂	1.96	150	100
MT₃	1.96	150	NM₃	1.96	150	150
MT₄	1.96	200	NM₄	1.96	150	200

处理 Treatment	霍格兰营养液 Hoagland’s nutrient solution （g·L^-1）	褪黑素 Melatonin （MT， μmol·L^-1）	处理 Treatment	霍格兰营养液 Hoagland’s nutrient solution （g·L^-1）	NaCl （mmol·L^-1）	褪黑素 Melatonin （MT， μmol·L^-1）
CK	1.96	0	N	1.96	150	0
MT₁	1.96	50	NM₁	1.96	150	50
MT₂	1.96	100	NM₂	1.96	150	100
MT₃	1.96	150	NM₃	1.96	150	150
MT₄	1.96	200	NM₄	1.96	150	200

生理指标 Physiological index	主成分1 PC1	主成分2 PC2	主成分3 PC3
过氧化氢酶Catalase	0.93	0.07	-0.14
丙二醛Malondialdehyde	0.92	0.19	-0.07
过氧化物酶Peroxidase	0.88	0.28	-0.17
可溶性糖Soluble sugar	0.86	0.14	-0.32
游离脯氨酸Free proline	0.78	0.46	-0.11
可溶性蛋白Soluble protein	0.76	-0.59	0.00
相对电导率Relative conductivity	0.62	0.61	-0.13
超氧化物歧化酶Superoxide dismutase	0.57	0.41	0.43
谷胱甘肽S-转移酶Glutathione S-transferase	0.52	0.33	0.28
还原型谷胱甘肽Glutathione reduced	0.43	-0.81	0.15
过氧化氢Hydrogen peroxide	-0.62	0.75	0.07
谷胱甘肽还原酶Glutathione reductase	0.49	0.73	0.00
抗坏血酸Ascorbic acid	0.57	-0.71	0.17
羟自由基清除率Hydroxyl free radical clearance rate	-0.66	0.71	0.10
钾离子K^＋	0.54	-0.70	0.24
钠离子Na^＋	0.55	0.64	0.09
K^＋/Na^＋	0.20	0.23	0.84
贡献率Contribution rate （%）	44.69	29.74	7.57
累计贡献率Cumulative contribution rate （%）	44.69	74.43	82.00

生理指标 Physiological index	主成分1 PC1	主成分2 PC2	主成分3 PC3
过氧化氢酶Catalase	0.93	0.07	-0.14
丙二醛Malondialdehyde	0.92	0.19	-0.07
过氧化物酶Peroxidase	0.88	0.28	-0.17
可溶性糖Soluble sugar	0.86	0.14	-0.32
游离脯氨酸Free proline	0.78	0.46	-0.11
可溶性蛋白Soluble protein	0.76	-0.59	0.00
相对电导率Relative conductivity	0.62	0.61	-0.13
超氧化物歧化酶Superoxide dismutase	0.57	0.41	0.43
谷胱甘肽S-转移酶Glutathione S-transferase	0.52	0.33	0.28
还原型谷胱甘肽Glutathione reduced	0.43	-0.81	0.15
过氧化氢Hydrogen peroxide	-0.62	0.75	0.07
谷胱甘肽还原酶Glutathione reductase	0.49	0.73	0.00
抗坏血酸Ascorbic acid	0.57	-0.71	0.17
羟自由基清除率Hydroxyl free radical clearance rate	-0.66	0.71	0.10
钾离子K^＋	0.54	-0.70	0.24
钠离子Na^＋	0.55	0.64	0.09
K^＋/Na^＋	0.20	0.23	0.84
贡献率Contribution rate （%）	44.69	29.74	7.57
累计贡献率Cumulative contribution rate （%）	44.69	74.43	82.00

指标Index	CK	MT₁	MT₂	MT₃	MT₄	N	NM₁	NM₂	NM₃	NM₄
过氧化氢酶Catalase	0.00	0.21	0.41	0.49	0.08	0.16	0.59	0.87	1.00	0.35
丙二醛Malondialdehyde	0.10	0.07	0.00	0.03	0.89	1.00	0.68	0.48	0.31	0.98
过氧化物酶Peroxidase	0.09	0.00	0.50	0.88	0.27	0.25	0.50	1.00	1.00	0.34
可溶性糖Soluble sugar	0.00	0.47	0.78	1.00	0.27	0.55	0.66	1.00	0.91	0.46
游离脯氨酸Free proline	0.00	0.12	0.47	0.66	0.24	0.59	0.78	1.00	0.93	0.33
可溶性蛋白Soluble protein	0.01	0.04	0.10	0.23	0.00	0.65	0.75	0.90	1.00	0.48
相对电导率Relative conductivity	0.06	0.06	0.04	0.00	0.57	1.00	0.64	0.57	0.50	0.74
超氧化物歧化酶Superoxide dismutase	0.03	0.00	0.61	0.97	0.90	0.31	0.10	0.26	1.00	0.61
谷胱甘肽S-转移酶Glutathione S-transferase	0.00	0.28	0.58	0.71	0.67	0.21	0.69	0.65	1.00	0.68
还原型谷胱甘肽Glutathione reduced	0.00	0.17	0.71	0.81	1.00	0.46	0.74	0.97	0.79	0.48
过氧化氢Hydrogen peroxide	0.22	0.20	0.04	0.00	1.00	0.93	0.78	0.53	0.46	0.68
谷胱甘肽还原酶Glutathione reductase	0.00	0.02	0.23	0.34	0.41	0.50	0.74	0.89	1.00	0.52
抗坏血酸Ascorbic acid	0.00	0.24	0.33	0.37	0.25	0.44	0.77	1.00	0.87	0.63
羟自由基清除率Hydroxyl free radical clearance rate	0.00	0.02	0.06	0.12	0.39	0.44	0.75	1.00	0.89	0.45
钾离子K^＋	0.44	0.68	0.89	1.00	0.19	0.00	0.12	0.25	0.27	0.03
钠离子Na^＋	0.15	0.08	0.02	0.00	0.66	1.00	0.43	0.20	0.21	0.56
K^＋/Na^＋	0.43	0.65	0.87	1.00	0.11	0.00	0.14	0.29	0.30	0.07
D值D value	0.09	0.19	0.39	0.51	0.47	0.50	0.58	0.70	0.73	0.49
排名Ranking	10	9	8	4	7	5	3	2	1	6