摘要
世界人口增长给粮食生产带来了巨大的压力，据估计到 2050 年世界主要耕地的50%将发生盐碱化，同期水稻的产量必须翻倍以满足不断增长的人口需求，但20%的水稻种植区存在严重的盐分相关问题，这对水稻生产构成了极大威胁。另一方面盐碱地种植水稻能明显降低土壤盐分并提高有机质含量；盐碱地改种水稻还具有方法简便、不影响农业生产和改良效果显著等优点，这也使得水稻成为盐碱地改良的先锋作物。 水稻为盐敏感作物，其苗期对盐分十分敏感；同时水稻苗期株高较矮，对水分管理要求严格，移栽后需进行浅水灌溉，田间难以实施大水压盐等水利措施，往往会导致盐胁迫的发生。盐胁迫会影响苗期水稻生理生化活动，导致生长受阻、分蘖减少，进而影响成熟期穗数并降低产量，因此提高水稻苗期耐盐性十分重要。使用外源物质调控植物耐盐性受到了广泛的关注，褪黑素（Melatonin，MT）参与了植物对生长发育的调控过程，并在植物胁迫响应过程中扮演着重要的角色。我们前期研究发现，使用MT对苗期水稻进行处理可以缓解盐胁迫并提高盐碱地水稻产量，但具体调控机制不甚明确。 本研究以常规粳稻宁粳7号为试验材料，设置了不同浓度的MT处理及MT合成抑制剂处理，并对水稻施以150mM NaCl胁迫，通过对盐胁迫下水稻生长、光合作用、抗氧化系统以及离子稳态的相关指标测定，综合性的阐述了MT调控水稻苗期耐盐性的生理机制。主要研究结果如下： 1. MT对盐胁迫下水稻幼苗光合作用的调控及机理 MT 促进了盐胁迫下水稻的生长，对干重、鲜重及相对含水量表现出提高作用；MT也降低了盐胁迫下水稻幼苗的死亡率，提高了水稻幼苗的盐耐受指数。盐胁迫抑制了水稻的光合作用，表现为气体交换受阻、光合色素含量下降、光合关键酶活下降、光合产物积累下降。MT处理提高了盐胁迫下水稻的干物质积累、蔗糖和淀粉含量。这主要是由于 MT 缓解了盐胁迫对气体交换的抑制，增强了光能的吸收和传递；MT也提高了盐胁迫下水稻光合色素的含量及光合关键酶核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶及其活化酶的活性。此外，MT通过提高总抗氧化能力来维持低活性氧状态，并通过促进叶黄素循环、增加叶黄素的库容来耗散多余的光能，这有利于保护盐胁迫下的光合系统。各处理浓度中200μM对盐胁迫抑制光合的缓解作用最显著。这些结果阐述了MT提高盐胁迫下水稻光合能力的机制。 2. MT调控水稻抗氧化机制以应对持续的盐胁迫 盐胁迫对水稻造成了氧化损伤，随着盐胁迫时间的增加，膜脂过氧化产物硫代巴比妥酸反应物及各类活性氧持续积累。MT能减轻盐胁迫造成的水稻细胞膜损伤。在整个盐胁迫期间，MT处理后的水稻过氧化氢、超氧阴离子及羟基积累量较低。在胁迫初期（1-3d），MT处理后的水稻抗氧化酶（超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶、抗坏血酸过氧化物酶、谷胱甘肽还原酶）活性显著提高，而在胁迫后期（5、7d），抗氧化剂（脯氨酸、甜菜碱、黄酮、总酚）含量显著提高。在整个盐胁迫期间，MT对抗坏血酸-谷胱甘肽循环的调节作用较弱。通过上述调控过程，MT 对盐胁迫下水稻ROS含量的降低作用在短时间内（1-7d）不随胁迫时间的延长而减弱。MT提高了水稻在持续盐胁迫下的抗氧化能力，并且MT诱导后水稻表现出不同的抗氧化策略。 3. MT提高了盐胁迫下水稻的离子稳态 盐胁迫下水稻植株 Na+含量增加、K+含量下降，离子稳态被破坏。MT抑制了盐胁迫引起的Na+含量增加和K+含量降低，提高了K+/Na+比值。MT提高了盐胁迫下水稻对K+的选择性吸收指数，表明MT处理提高了水稻吸收K+和排出Na+的能力。根系Na+/K+流速的测定结果也证实了这一点，MT处理的水稻在盐胁迫后表现出强于对照的根系Na+外流和K+内流。MT对盐胁迫下水稻的Ca2+、Mg2+等离子含量没有表现出调控作用，但对Cl-含量表现出显著的下调作用。 4. MT通过介导一氧化氮调控盐胁迫下水稻根系离子流 MT处理后的水稻根系中作为信号分子的一氧化氮含量增加，过氧化氢含量下降；且MT处理后的水稻根系离子流对一氧化氮和过氧化氢的响应更为敏感，表现为受到一氧化氮和过氧化氢冲击后Na+外流和K+内流增强。MT能提高一氧化氮合酶活性且MT处理后多胺含量也有所提高，进而提高了盐胁迫下水稻幼苗一氧化氮含量。药理研究表明，一氧化氮作为必要的下游信号分子参与了MT对水稻Na+/K+稳态的调控。在盐胁迫下，MT通过介导一氧化氮提高了水稻根系质膜和液泡膜的质子泵活性，并提高了根系 ATP 含量；因此 Na+的外流和 K+的内流被促进。当内源性一氧化氮被清除时，MT对K+/Na+稳态的调节被阻断。这些结果提出了MT调控盐胁迫下水稻Na+/K+离子稳态的新机制。 总之，本研究通过施用MT促进了盐胁迫下苗期水稻的生长，阐明了MT提高盐胁迫下水稻光合能力以及抗氧化能力的生理机制，并阐明了MT通过介导一氧化氮调控盐胁迫下水稻离子稳态的机制。这些研究阐述了MT调控水稻耐盐性的机理，为盐胁迫下水稻栽培提供了技术指导和理论依据。
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