褪黑素与茉莉酸甲酯协同缓解油菜干旱胁迫：生理与生化机制

《Plant Signaling & Behavior》：Synergistic application of melatonin and methyl jasmonate mitigates drought-induced oxidative and photosynthetic impairment in Brassica napus

本研究探讨了外源褪黑素(MT)与茉莉酸甲酯(MJ)协同调控甘蓝型油菜应答干旱胁迫的生理生化机制。结果证实，MT与MJ组合处理可最有效地维持光合性能、增强抗氧化系统(如POD活性提升216%)、降低氧化损伤指标(H2O2、MDA)，并显著促进生物量积累(根干重增加405%)，为开发植物生长调节剂协同应用以提高作物抗旱性提供了关键理论依据。

　　

1. 引言

干旱胁迫是全球范围内限制作物生长和产量的最主要非生物胁迫之一。对于甘蓝型油菜(Brassica napusL.)这一重要的油料作物而言，干旱会导致光合效率下降、活性氧(ROS)积累以及严重的氧化损伤，最终造成显著减产。为应对这一挑战，利用植物生长调节剂来增强作物的抗逆性已成为研究热点。其中，褪黑素(MT)和茉莉酸甲酯(MJ)因其在调节植物抗逆生理中的潜在作用而备受关注。MT是一种源于色氨酸的吲哚胺，兼具抗氧化和信号分子功能；MJ则是茉莉酸的挥发性衍生物，参与调控多种胁迫响应。本研究旨在系统评估MT和MJ单独及组合应用对缓解油菜干旱胁迫的生理与生化效应，并探讨其潜在的协同作用机制。

2. 材料与方法

本研究在洛雷斯坦大学的研究温室中进行盆栽实验，采用完全随机设计。油菜(RGS品种)种子经消毒后播种，在受控环境(光周期14小时/10小时，昼/夜温25±1°C/17±1°C)下培养。幼苗期后，使用半强度霍格兰营养液灌溉。在第四周，使用15%聚乙二醇6000(PEG-6000)溶液模拟干旱胁迫。实验设置了八个处理组，包括对照(无胁迫无激素)、单独干旱胁迫、单独MT/MJ处理、干旱胁迫下单独或组合施用MT/MJ等。在胁迫处理后，分别测量了生长参数、光合特性、氧化应激标志物、相容性溶质以及抗氧化酶和非酶抗氧化物的活性。

3. 结果

3.1. 生长参数与相对含水量

干旱胁迫导致油菜地上部和根部的鲜重、干重及长度显著下降。外源施用MT和MJ，特别是在组合处理下，能有效缓解这种抑制作用。与干旱胁迫对照组相比，MT+MJ组合处理使地上部鲜重、干重和长度分别增加了92.33%、80.25%和22.66%；使根部鲜重、干重和长度分别增加了138.11%、405%和33.99%，表现出最强的促进效果。

在相对含水量(RWC)方面，MT和MJ单独处理在正常和胁迫条件下均降低了RWC，而MT+MJ组合处理则使其高于对照组。

3.2. 光合特性

干旱胁迫显著降低了叶绿素a(33.72%)、叶绿素b(54.59%)和类胡萝卜素(23.2%)的含量，并严重抑制了净光合速率(Pn，降低82.22%)、气孔导度(C，降低83.16%)、光系统II最大量子效率(Fv/Fm)以及胞间CO₂浓度(Ci，降低26.95%)。外源施加MT和MJ，尤其是组合处理，有效逆转了这些下降趋势。MT+MJ组合处理使Pn提升了71.45%，气孔导度提升了76.25%，并获得了最高的Fv/Fm值与Ci值。

3.3. 膜透性与氧化损伤

干旱胁迫诱导了严重的氧化损伤和膜脂过氧化，表现为活性氧(ROS)增加43.96%，过氧化氢(H₂O₂)增加54.79%，丙二醛(MDA)含量增加144.6%，以及电解质渗漏(EL)激增514%。MT和MJ处理均能减轻这种损伤，其中MJ在清除ROS和H₂O₂、降低MDA和EL方面效果尤为突出。例如，MJ处理使ROS和H₂O₂含量分别降低了210.32%和47.25%。

3.4. 相容性溶质与抗氧化系统

干旱胁迫下，脯氨酸含量增加了23.67%。然而，外源MT和MJ的应用，尤其是组合处理，显著降低了脯氨酸含量(MT+MJ处理降低86.183%)，这表明植物可能通过其他机制维持了水分平衡，减轻了渗透胁迫。

在抗氧化防御方面，干旱胁迫显著诱导了超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)和过氧化氢酶(CAT)的活性，其中POD活性增幅最大(216%)。所有激素处理在干旱下都进一步增强了这些酶的活性，MT+MJ组合处理对SOD、POD和APX的诱导作用最强，而MJ单独处理对CAT的诱导效果最好。在非胁迫条件下，MT和MJ单独施用降低了酚类和黄酮类化合物含量，但其组合应用则提高了它们的水平。在干旱胁迫下，所有激素处理都促进了酚类和黄酮的积累，其中MT处理诱导了最高的含量。

3.5. 相关性分析

皮尔逊相关性分析的热图显示，光合参数、生长指标与酶促及非酶促抗氧化剂之间存在显著正相关，而这些有益性状与氧化剂和膜损伤指标浓度之间则呈负相关。这综合表明，MT和MJ通过增强抗氧化系统，减轻氧化损伤，从而维持了光合作用和生长。

4. 讨论

本研究表明，MT和MJ通过互补且协同的机制有效缓解了油菜的干旱胁迫。MT在保护光合功能(如稳定PSII和叶绿素)和提升非酶抗氧化剂(酚类、黄酮)方面表现突出。MJ则更有效地诱导了酶促抗氧化系统(尤其是CAT)，表现出更强的直接ROS清除能力。两者的协同应用整合了这些优势，形成了更全面的防御体系：MT维持“生产力”(光合作用)，而MJ强化“清除力”(抗氧化)，共同作用使得植物在干旱下能保持更强的生长和生理功能。

有趣的是，激素处理显著降低了干旱胁迫下通常作为渗透调节物质积累的脯氨酸含量。这可能意味着，由于MT和MJ有效缓解了氧化和水分胁迫，植物无需大量合成脯氨酸来进行渗透调节，从而将代谢资源重新分配给生长过程。

综上所述，MT和MJ的叶面联合施用通过协同增强抗氧化防御、保护光合机构、促进生物量积累，特别是根系发育，为甘蓝型油菜提供了更高水平的抗旱性。这一策略为开发基于植物生长调节剂的可持续农业实践，以应对气候变化下的水资源短缺问题，提供了有力的生理学依据。未来的研究需要在田间条件下验证此效果，并深入探索MT与MJ信号通路之间的分子互作机制。