外源褪黑素在黄瓜生长及抗碱胁迫中的多重作用：解锁农业新潜能

《BMC Plant Biology》：Multiple functions of exogenous melatonin in cucumber seed germination, seedling establishment, and alkali stress resistance

为探究外源褪黑素（MT）对黄瓜生长和抗碱胁迫的影响，研究发现其能促进种子萌发等，为农业应用提供理论依据。

　　### 研究背景：盐碱地中的 “绿色困境” 与探索之光
在全球气候变化的大背景下，盐碱地面积不断扩大，植物们正面临着越来越严峻的生存挑战。盐碱胁迫就像植物生长路上的 “拦路虎”，其中碱胁迫由于会提升土壤 pH 值，对植物的伤害尤其大。它不仅会干扰植物根系对水分和养分的吸收，还会破坏植物细胞内的离子平衡，严重阻碍植物的生长发育，导致农作物减产。

黄瓜作为全球广泛种植的重要经济作物，对碱胁迫非常敏感。在盐碱地中，黄瓜的种子发芽和幼苗生长常常受到极大抑制，这严重影响了黄瓜的产量和质量。如何帮助黄瓜在盐碱地中茁壮成长，成为了农业领域亟待解决的难题。

为了攻克这一难题，赣南师范大学生命科学学院的研究人员展开了深入研究。他们将目光聚焦于褪黑素（Melatonin，MT），一种在动植物体内都广泛存在的小分子吲哚胺。已有研究表明，MT 在植物生长发育和应对逆境胁迫中发挥着重要作用，但它对黄瓜早期幼苗生长和抗碱胁迫能力的影响还不明确。因此，这项研究对于提升黄瓜在盐碱地的种植效益具有重要的理论和实践意义，相关成果发表在《BMC Plant Biology》上。

研究方法：探寻科学真相的 “钥匙”

研究人员采用了一系列科学严谨的实验方法来揭开外源 MT 对黄瓜影响的神秘面纱。在种子萌发实验中，他们将黄瓜种子（‘新金燕 4 号’）浸泡在不同浓度的 MT 溶液中，观察种子的发芽率、胚根长度和鲜重等指标。对于幼苗生长实验，先将黄瓜种子萌发并种植，待幼苗长出第一片真叶后，用不同浓度的 MT 处理，测量幼苗的各项生长指标，以确定 MT 促进黄瓜幼苗生长的最佳浓度。

在碱胁迫实验中，研究人员设置了多个处理组，包括对照组（CK）、MT 处理组、碱胁迫组（SB）和 MT 与碱胁迫共同处理组（SB - MT）。通过测量黄瓜幼苗的存活率、茎直径、生物量、丙二醛（MDA）含量、电解质渗漏率等指标，研究 MT 对黄瓜幼苗抗碱胁迫能力的影响。同时，运用实时荧光定量 PCR（qRT - PCR）技术分析相关基因的表达水平，采用电感耦合等离子体质谱（ICPMS）测定离子含量，利用酶联免疫吸附测定（ELISA）试剂盒检测相关酶的活性，以此来深入探究 MT 作用的分子机制。

研究结果：MT 的 “神奇力量” 初现

1. MT 促进黄瓜种子萌发和幼苗生长：研究发现，MT 对黄瓜种子萌发和幼苗生长的影响具有浓度依赖性。低浓度的 MT（如 1、5 μM）能够促进种子萌发，在处理 10 - 16 小时后，1 μM 和 5 μM MT 处理组的种子发芽率明显高于对照组；而高浓度的 MT（100、200、400 μM）则会抑制种子萌发。在幼苗生长方面，低浓度 MT（≤20 μM）能促进侧根、叶片、地上部分和根系的生长，其中 5 μM MT 的促进效果最为显著；高浓度 MT（≥50 μM）则会抑制根系伸长，不过 100 和 200 μM MT 会使黄瓜幼苗茎加粗和伸长，但茎基部形态异常。
2. MT 提高黄瓜幼苗的抗碱胁迫能力：碱胁迫对黄瓜幼苗的生长具有严重的抑制作用，随着胁迫时间的延长，幼苗生长受抑制程度加剧，甚至导致植株死亡。然而，外源 MT 的施加显著缓解了碱胁迫对黄瓜幼苗的伤害。MT 处理组的黄瓜幼苗存活率、茎直径以及地上部分和根系的鲜重、干重都明显增加，同时，电解质渗漏率和 MDA 含量显著降低，这表明 MT 能够有效提高黄瓜幼苗的抗碱胁迫能力。
3. MT 促进黄瓜在碱胁迫下渗透物质的合成：碱胁迫会促使黄瓜植株体内脯氨酸和可溶性糖等渗透调节物质迅速积累。在碱胁迫第 8 天，MT 处理的黄瓜（SB - MT 组）中这些物质的含量显著高于仅受碱胁迫的黄瓜（SB 组），说明 MT 在黄瓜应对碱胁迫时调节渗透平衡的过程中发挥了重要作用。
4. MT 调节黄瓜在碱胁迫下的活性氧（ROS）解毒：碱胁迫会导致黄瓜植株体内 O₂^-和 H₂O₂等 ROS 大量积累，而外源 MT 的施加显著降低了这些 ROS 的产生。同时，MT 处理还显著提高了超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）和脱氢抗坏血酸还原酶（DHAR）等抗氧化酶的活性，表明 MT 能够增强黄瓜在碱胁迫下的抗氧化能力，有效清除 ROS，减轻氧化损伤。
5. MT 调节黄瓜在碱胁迫下的离子稳态：正常生长条件下，黄瓜叶片和根中 Na⁺含量较低，K⁺含量较高，MT 处理对其影响不显著。但在碱胁迫下，黄瓜叶片和根中的 Na⁺含量显著增加，K⁺含量显著降低。而 MT 处理（SB - MT 组）能够显著降低 Na⁺含量，增加 K⁺含量，降低 Na⁺/K⁺比值，维持离子平衡。此外，MT 还能显著提高质膜 H⁺-ATPase（PM - H⁺-ATPase）和液泡膜 H⁺-ATPase（V - H⁺-ATPase）的活性，进一步证明了 MT 在调节离子稳态中的重要作用。
6. MT 调节黄瓜在碱胁迫下的应激相关基因表达：研究人员分析了多种盐碱胁迫相关基因和昼夜节律相关基因的表达情况。结果发现，外源 MT 在正常条件和碱胁迫下均能促进部分基因（如 CsKEA、CsVHA、CsHKT 等）的表达。在碱胁迫下，与 SB 组相比，SB - MT 组中更多基因（如 CsVHA、CsHKT、CsRVE 等）的表达显著上调，表明 MT 可以通过调节基因表达来增强黄瓜的抗碱胁迫能力。
7. MT 促进黄瓜在碱胁迫下内源性 MT 的合成：实验结果显示，外源 MT 的施加能够增强黄瓜体内内源性 MT 的合成。在处理第 8 天，MT 处理组的 MT 含量明显高于对照组。同时，碱胁迫会刺激黄瓜内源性 MT 的合成，但严重的碱胁迫又会导致内源性 MT 水平下降。而在碱胁迫下施加外源 MT（SB - MT 组），能够显著提高内源性 MT 的含量，并且上调 MT 合成相关基因（如 CsASMT、CsCOMT、CsTDC、CsSNAT）的表达。

研究结论与讨论：开启农业应用新大门

综合以上研究结果，外源 MT 在黄瓜种子萌发、幼苗生长和抗碱胁迫过程中发挥着重要作用。它通过调节渗透调节物质的合成、增强抗氧化能力、维持离子稳态、促进内源性 MT 的合成以及调节应激相关基因的表达等多种途径，促进黄瓜种子萌发和幼苗的生长发育，显著提高黄瓜幼苗的抗碱胁迫能力。

然而，目前对于 MT 调节黄瓜生长和抗碱胁迫的具体分子机制仍有待进一步深入研究。比如，MT 与植物激素之间的相互作用关系，以及 MT 调控相关基因表达的具体信号通路等问题，都需要更多的研究来解答。但即便如此，这项研究依然为 MT 在黄瓜育苗和盐碱地农业生产中的应用提供了坚实的理论基础。未来，有望通过合理施用 MT，提高黄瓜在盐碱地的产量和质量，为农业可持续发展开辟新的道路。