褪黑素与6-苄基腺嘌呤通过调控生理生化性状及抗氧化调节改善番茄渍涝胁迫后的恢复能力

《Scientia Horticulturae》：Melatonin and 6-benzyladenine improve waterlogging stress recovery of tomato by modulating physio-biochemical traits and antioxidant regulation

　　

番茄（Solanum lycopersicum）是一种重要的营养作物，但对渍涝胁迫高度敏感。外源生物刺激素（bio-stimulants）有望成为减轻胁迫损伤并增强番茄胁迫后恢复能力的一种有效策略。因此，本试验采用析因设计，以考察6-苄基腺嘌呤和褪黑素在一周渍涝处理期间及胁迫后恢复阶段的单独缓解效应与联合缓解效应。渍涝导致地上部和根部生物量、光合色素以及光系统II（PSII）效率显著降低，同时伴随膜损伤、脂质过氧化及过氧化氢（H₂O₂）积累增加。叶面施用6-苄基腺嘌呤或褪黑素可通过提高抗氧化活性、稳定叶绿体及膜完整性并维持植株生长，显著缓解上述不利影响。值得注意的是，二者联合施用表现出加性效应，在恢复阶段几乎完全恢复了生物量、色素含量及叶绿素荧光特征。增强的酶促与非酶促抗氧化防御，以及改良的氧化还原稳态（redox homeostasis），共同构成了这种优异表现的基础。在单独处理条件下，褪黑素在酶促抗氧化性能方面表现更优，而6-苄基腺嘌呤在脯氨酸、多酚和黄酮合成的生化调控方面更具优势。研究结果表明，6-苄基腺嘌呤与褪黑素联合施用可触发协调性的保护反应，从而增强番茄的生理韧性并加速渍涝后的恢复过程。该策略在日益不可预测的气候条件下维持番茄生产力方面具有应用前景。

该论文发表于《Scientia Horticulturae》，围绕番茄渍涝胁迫及其恢复调控展开，重点评估外源6-苄基腺嘌呤（6-BA）与褪黑素对番茄生长、光合体系、膜稳定性、生理生化代谢以及抗氧化防御系统的影响。研究背景在于，番茄是重要的园艺与营养作物，但对渍涝极为敏感。随着气候变化导致强降雨、洪涝和短时积水事件频发，番茄周年生产面临更高的渍涝风险。渍涝会使根际形成低氧甚至缺氧环境，抑制正常有氧呼吸，诱导无氧代谢，进而破坏根系活性，降低水分和矿质营养吸收能力，并造成地上部生长受抑。更关键的是，渍涝可诱导活性氧（ROS，反应性氧物种）过量积累，导致叶绿体、类囊体膜和细胞膜发生氧化损伤，降低叶绿素含量、破坏光系统II（PSII，负责初级光化学反应的光系统）功能并削弱光合作用效率，最终造成产量损失。由于当地尚缺乏可直接应用的耐渍涝番茄品种，而抗逆育种又需要较长周期，因此筛选能够快速缓解渍涝伤害并促进恢复的外源调控策略具有现实意义。

基于上述问题，研究人员以孟加拉国农业研究所释放的高产品种“BARI Hybrid Tomato 8”为材料，系统比较了6-BA、褪黑素及其联合处理在渍涝期间和恢复阶段对番茄的缓解效果。研究结果显示，单独施用6-BA或褪黑素均能不同程度减轻渍涝造成的伤害，但联合施用表现最优，呈现明显加性效应。联合处理不仅显著改善地上部与根部鲜重，还提高叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素与类胡萝卜素含量，并使最小荧光（F₀）、最大荧光（F_m）和PSII最大光化学效率（F_v/F_m）更接近正常水平。同时，联合处理提高了生物膜稳定性，降低了丙二醛（MDA，膜脂过氧化产物）和H₂O₂积累，增强了总抗氧化活性以及过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）和抗坏血酸过氧化物酶（APX）活性。结果还表明，褪黑素在酶促抗氧化防御方面优于6-BA，而6-BA在脯氨酸、多酚和黄酮等次生代谢物调控上更具优势。由此说明，两种生物刺激素在作用机制上具有互补性，联合应用可通过协同维持氧化还原稳态、保护膜系统和光合装置，并加快番茄在渍涝后的生理恢复。

本研究的意义在于，提出了一种具有应用可行性的渍涝缓解与恢复促进策略。与单一外源调节剂相比，6-BA与褪黑素联合处理更能同时兼顾氧化损伤控制、光合系统保护和生长恢复，有助于在洪涝风险增加的背景下维持番茄生产稳定性。该研究从生理、生化和抗氧化层面为番茄渍涝逆境管理提供了实验依据，也为生物刺激素联合应用的园艺调控模式提供了支持。

研究所采用的主要技术方法可概括为以下几类。首先，以盆栽四重复试验建立完全随机析因设计，设置3种生长条件，即正常供水、持续1周渍涝和渍涝后恢复1周，并设置4种生物刺激素处理，即不施用、施用6-BA、施用褪黑素以及二者联合施用。供试材料来源为孟加拉国农业研究所选育的“BARI Hybrid Tomato 8”。其次，通过叶面喷施外源调节剂后实施渍涝处理，系统测定地上部与根部鲜重、光合色素含量和叶绿素荧光参数。再次，检测膜稳定性、MDA、H₂O₂、游离脯氨酸、总多酚、总黄酮、总抗氧化活性以及CAT、POD、APX等抗氧化酶活性。最后，采用Shapiro–Wilk检验、Levene检验、双因素方差分析（ANOVA）和Tukey’s HSD检验对处理效应及互作效应进行统计分析。

3.1. 所测参数的显著性水平
研究人员首先对全部指标进行了主效应和互作效应分析。结果表明，生长条件与生物刺激素处理对几乎所有测定参数均产生显著影响。除生物刺激素处理对F₀主效应不显著外，其余主效应大多达到P < 0.01水平；生长条件×生物刺激素处理的互作效应对大多数参数也显著。这说明番茄对渍涝和恢复的响应不仅取决于外源物质本身，也受到环境阶段与调控措施组合的共同影响，为后续比较不同处理效果提供了统计学依据。

3.2. 对生长参数的影响
研究结果显示，渍涝对番茄地上部和根部生物量造成显著抑制，且根部受害更重。未施用生物刺激素时，一周渍涝使地上部鲜重下降约47%，根鲜重下降约60%，表明根系是低氧伤害的主要部位。即使给予一周恢复期，未处理植株的自然恢复能力仍较有限，尤其是地上部恢复不足。与之相比，6-BA、褪黑素和联合处理均能提高渍涝阶段及恢复阶段的鲜重水平，其中联合处理效果最佳，恢复期地上部鲜重和根鲜重分别达到相对对照的约91%和99%。该结果说明外源调控可明显提高番茄渍涝后的生长恢复能力，而联合应用最有利于恢复生物量积累。

3.3. 对色素含量和叶绿素荧光参数的影响
渍涝显著降低了叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素和类胡萝卜素含量，提示叶绿体结构及光合色素系统受到抑制。未处理植株在渍涝后各类色素均显著下降，恢复期虽有一定回升，但幅度有限。施用6-BA或褪黑素后，色素水平明显改善，而联合处理在多数指标上表现最高。叶绿素荧光参数进一步证明了光合装置受损与恢复状况。渍涝使F₀升高，而F_m与F_v/F_m下降，反映PSII反应中心及能量转化效率受损。恢复阶段中，褪黑素和联合处理能有效降低F₀，提高F_m和F_v/F_m，其中联合处理使F_v/F_m恢复至接近正常水平。该部分结果说明，两种外源物质均可缓解渍涝对叶绿体和PSII的损害，联合应用对光合功能恢复尤为有利。

3.4. 对生理生化参数的影响
渍涝处理显著降低生物膜稳定性，并提高脂质过氧化水平，说明细胞膜系统受到明显氧化破坏。与此同时，H₂O₂、游离脯氨酸、总多酚和总黄酮含量在渍涝下升高，反映番茄启动了胁迫应答和抗氧化代谢重构。恢复阶段中，施用生物刺激素的植株表现出更高的膜稳定性、更低的MDA和H₂O₂水平，说明外源处理减轻了氧化伤害。联合处理在提高膜稳定性、降低H₂O₂积累方面最为突出。另一方面，6-BA和褪黑素均促进脯氨酸、多酚和黄酮积累，但6-BA在这些生化调控指标上总体更有优势。该结果提示，6-BA可能更偏向于通过渗透调节和次生代谢途径增强适应性，而褪黑素则更突出于氧化损伤控制。

3.5. 非酶促和酶促抗氧化活性的变化
在抗氧化系统方面，渍涝使总抗氧化活性升高，但CAT、POD和APX活性在未处理植株中反而下降，表明尽管植株尝试启动防御反应，但内源酶促清除系统不足以抵消ROS过量产生。恢复阶段中，生物刺激素处理显著促进CAT、POD和APX活性回升，并使总抗氧化活性与正常植株接近。联合处理对酶促抗氧化系统的提升最为显著，褪黑素单独处理的效果又优于6-BA单独处理。例如，在恢复阶段，联合处理使CAT和APX活性较未处理植株大幅提高，显示其在恢复氧化还原稳态方面最有效。由此可见，抗氧化系统重建是番茄渍涝后恢复的重要基础，而褪黑素在该过程中发挥更强作用。

讨论部分总结
论文讨论指出，渍涝首先通过根际低氧限制正常呼吸，随后诱发ROS过量生成，从而造成膜脂过氧化、叶绿体受损、色素降解和PSII效率下降，最终抑制地上部与根系生长。研究人员据此认为，缓解渍涝伤害的关键在于维持氧化还原稳态并保护膜系统与光合体系。试验结果表明，6-BA和褪黑素均可增强番茄的内源防御能力，但二者作用侧重不同：褪黑素更有利于提升CAT、POD和APX等酶促抗氧化活性，强化H₂O₂清除和膜系统保护；6-BA则更有利于促进脯氨酸、多酚和黄酮等次生代谢物积累，从而支持渗透调节、生化平衡维持及恢复过程。正是这种机制互补，使联合处理表现出优于单独处理的加性效应。讨论同时强调，尽管该研究已证明联合施用可显著提升渍涝缓解和恢复效果，但其细胞与分子信号机制尚未被直接解析，仍需进一步研究。

研究结论翻译
渍涝胁迫通过诱导氧化胁迫和叶绿体损伤，严重抑制了番茄的生长、光合作用和膜稳定性。尽管番茄植株本身具有一定恢复能力，但若缺乏外部干预，这种恢复并不足以支撑最佳生长表现。外源施用6-苄基腺嘌呤和褪黑素，尤其是二者联合施用，可显著增强胁迫缓解作用并促进胁迫后恢复。两种生物刺激素均可提高抗氧化防御能力、维持膜完整性、稳定叶绿素色素并恢复叶绿素荧光特征，从而在胁迫期间维持生长并在胁迫解除后加速恢复。其中，6-苄基腺嘌呤主要有利于生长维持，而褪黑素在氧化保护方面表现更优。因此，联合施用持续优于单独施用，体现出明显加性效应。该策略为在洪涝事件日益增多的背景下维持番茄生产力提供了一种有前景且具实践价值的方法，但在广泛推广前，仍需进一步开展分子层面的研究以全面阐明其信号调控机制。