全 文 ：西北大学学报(自然科学版)
2013 年 4 月，第 43 卷第 2 期，Apr．，2013，Vol． 43，No． 2
Journal of Northwest University (Natural Science Edition)
收稿日期:2013-04-11
基金项目:国家自然科学基金资助项目(31201534) ;陕西省教育厅基金资助项目(11JS083，11JK0630)
作者简介:潘红艳，女，山西太原人，从事药用植物生物技术研究。
通讯作者:步怀宇，女，河北保定人，从事植物生物技术研究。
·生命科学与医药学·
褪黑素对低温胁迫后菘蓝种子苗抗氧化性影响
潘红艳，张晓庆，李 婕，赵 佳，步怀宇
(西北大学 西部资源生物与现代生物技术教育部重点实验室 /陕西省生物技术重点实验室，陕西 西安 710069)
摘要:目的 以低温胁迫处理的菘蓝种子为起始材料，研究外源褪黑素对萌发种子苗的生长及抗氧
化性的影响。方法 褪黑素处理低温浸种菘蓝种子，测定萌发的种子幼苗中丙二醛含量以及相关
抗氧化酶活性;测定植株根长和 IAA含量。结果 10 ～ 500 μmol /L适宜浓度的外源褪黑素可降低
低温处理后菘蓝幼苗中的丙二醛含量，增强过氧化氢酶和过氧化物酶活性，增加内源激素 IAA 的
含量并促进幼苗根的伸长。其中 500 μmol /L褪黑素作用最显著，随着其浓度的进一步升高，褪黑
素植物保护作用减弱。结论 外源褪黑素处理菘蓝种子能降低膜脂过氧化水平，提高抗氧化酶的
活性，减轻冷胁迫对幼苗生长过程中的氧化损伤，并且褪黑素可能通过影响植物体内 IAA水平，刺
激植物根生长。
关 键 词:褪黑素;菘蓝;低温胁迫;抗氧化性;IAA
中图分类号:Q948． 1 文献标识码:A 文章编号:1000-274Ⅹ(2013)02-0238-05
Effects of exogenous melatonin on antioxidant activities
in Isatis indigotica fort． seedlings after low temperature stress
PAN Hong-yan，ZHANG Xiao-qing，LI Jie，ZHAO Jia，BU Huai-yu
(Key Laboratory of Resource Biology and Biotechnology in Western China，Ministry of Education，
Shaanxi Provincial Key Laboratory of Biotechnology，Northwest University，Xian 710069，China)
Abstract:Aim Melatonin mediates many physiological processes in plants． Its role in regulating the growth and
the response to oxidative stress of Isatis indigotica Fort． seedlings after low temperature stress were investigated．
Methods Exogenous melatonin was applied to the seeds of Isatis indigotica Fort． under 4℃ and its effects on the
antioxidant activity，roots growth and endogenousindole-3-aceticacid (IAA)levels of the seedlings were investiga-
ted． Results The results showed that 10 ～ 500 μmol /L exogenous melatonin could significantly decrease the con-
tent of malonaldehyde(MDA) ，meanwhile enhance the activities of catalase(CAT)and peroxidase(POD)of the
seedlings，which prevented the plants from oxidative damage under low temperature stress． In addition，for primed
seeds treated with 500 μmol /L melatonin before chill stressed，a relative auxinic activity of melatonin by elevating
the endogenous levels of free IAA was observed，and the root growth in seedlings were therefore stimulated． Conclu-
sion These results indicate that melatonin plays an important role in regulating antioxidant activities and stimula-
ting root growth after treatment with low temperature．
Key words:melatonin;Isatis indigotica Fort．;low temperature stress;antioxidant;IAA
DOI:10.16152/j.cnki.xdxbzr.2013.02.012
褪黑素(melatonin，N-乙酰基-5-甲氧基 －色胺)
是色氨酸的吲哚衍生物，最早发现于牛松果体［1］，
在体内通过清除活性氧和自由基而具有强抗氧化作
用［2］。直到 1995 年，才在高等植物中测定发现褪
黑素［3］。目前研究表明，100 余种药用植物和食用
作物中普遍存在褪黑素［4 － 5］。植物中的褪黑素可作
为一种抗氧化剂以及植物保护剂，在抵御氧化胁迫
和恶劣环境伤害方面起作用，如高温［6］，UV 辐
射［7］，以及重金属污染［8］等。同时，褪黑素与吲哚
乙酸 IAA 具有相同的合成前体色氨酸，表现出与
IAA相类似的植物生长调节作用，刺激生长［9］。
低温胁迫可造成植物细胞结构的氧化损伤，而
种子对极端环境及其导致的氧化损伤高度敏感，预
浸种处理种子可增强种子萌发力和幼苗活力［10］。
本实验在低温条件下用不同浓度的外源褪黑素处理
菘蓝种子，测定萌发的种苗中丙二醛(malonalde-
hyde，MDA)含量以及过氧化物酶(peroxidase，POD)
和过氧化氢酶(catalase，CAT)的活性;测定外源褪
黑素对植株根长的影响以及 IAA 含量，以期研究褪
黑素在菘蓝种子抗氧化过程中的作用，探讨外源褪
黑素引起的内源游离 IAA 含量变化对植物生长的
影响。
1 材料与方法
1． 1 材料处理
菘蓝种子去掉果皮，经 70%(体积分数)乙醇浸
泡 50 s，再用 0. 1%(mg /mL)HgCl2 消毒 12 min，无
菌水震荡清洗 5 次，最后用无菌滤纸吸干水分。
褪黑素配制成浓度为 0，10，100，500，800，1 000
μmol /L的水溶液。
采用 4 种方法处理菘蓝种子:① 上述灭菌处理
种子先浸泡在不同浓度褪黑素溶液中 25℃预处理
48 h，然后置于 4℃水中 48 h。② 种子经褪黑素溶
液浸泡的同时置于 4℃低温下处理 48 h，然后于
25℃水中 48 h。③ 种子先在 4℃水中低温处理 48
h，然后 25℃浸泡于褪黑素溶液中处理 48 h。④ 不
经冷处理的对照，25℃下种子浸泡在褪黑素中处理
48 h，后于水中 48 h。上述处理均在黑暗中进行。
将上述处理的种子播种到铺有水润纱布的塑料
方盒(10 cm ×10 cm)中 25℃下萌发培养，以种子种
皮破裂，胚根伸出视为种子萌发。起始实验 7 d 后
取菘蓝萌发幼苗用液氮速冻并保存在超低温冰箱
中，测定MDA含量、POD和 CAT活性以及 IAA含量
和植株的根长。实验重复 3 次。
1． 2 方 法
1． 2． 1 丙二醛(MDA)含量的测定 MDA 含量的
测定用硫代巴比妥酸法［11］。
1． 2． 2 过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活
性的测定 酶液的粗提:依照 Beauchamp C 等人的
方法，加以改进［12］。称取 0. 2 g 鲜重植物样品于预
冷的研钵中，加入 100 mmol /L 磷酸盐缓冲液 5 mL
匀浆，4 000 r /min 离心 15 min 收集上清液，所得残
渣再用磷酸缓冲液提取 1 次，合并两次上清液得酶
液样品。
POD活性测定采用愈创木酚法［13］。CAT 活性
测定采用紫外分光光度法［14］。
1． 2． 3 内源激素 IAA 的测定 高效液相色谱法测
定内源 IAA的浓度。
称取 0. 5 g 植物样品，4℃下研磨并用 4 mL 甲
醇浸提 12 h。过滤，残渣再用 2. 5 mL 80%(体积分
数)的甲醇浸提 2 ～ 3 h，再次过滤，合并两次滤液。
滤液用石油醚脱色至无色。取水相减压蒸馏浓缩，
0. 1 mol /L HCl调 pH 2. 8 ～ 3 后，用乙酸乙酯萃取 3
次，上层有机相减压浓缩蒸干。最后用 8 mL 100%
的重蒸甲醇溶解，经 0. 22 μm 超滤膜过滤。测定
时，取 20 μL滤液注入高效液相色谱系统［15］。
1． 3 统计分析
所得数据进行单因素方差分析(ANOVA)并以
P ＜ 0. 05 为标准，用最小显著极差法(LSD)进行差
异显著性检验。
2 结 果
2． 1 外源褪黑素对低温胁迫菘蓝种子苗 MDA 含
量的影响
MDA作为膜脂过氧化程度的指标，可以表示细
胞膜脂过氧化程度和植物对逆境条件反应的强弱。
图 1 所示，4 种不同的方法处理菘蓝种子后，同一处
理方法中不同浓度的褪黑素溶液对幼苗中 MDA 含
量的影响均表现出相同的变化趋势，其含量首先随
褪黑素浓度的增加显著降低(P ＜ 0. 05) ，最低值出
现在浓度为 500 μmol /L。此时，4 种处理测定的
MDA含量相比同组未经褪黑素处理的对照分别降
低 33. 8%，41. 3%，35. 7%和 37. 5%，差异显著。而
后，随着褪黑素浓度的增加，MDA含量也逐渐升高。
比较相同浓度褪黑素处理菘蓝结果发现，经冷处理
与未经冷处理的第 4 种对照方法相比，幼苗中 MDA
量没有表现显著差异。如同为 500 μmol /L 褪黑素
处理时，前 3 种冷处理方法中幼苗 MDA的含量是对
—932—第 2 期 潘红艳等:褪黑素对低温胁迫后菘蓝种子苗抗氧化性影响
照 1. 24 倍，1. 20 倍和 1. 11 倍，差异不显著。
适宜浓度褪黑素的使用，使得冷处理后种子苗
MDA含量显著减少，而与未经冷处理的对照没有明
显差异，表明褪黑素在一定浓度范围内可以降低低
温胁迫后幼苗膜脂过氧化水平，缓解低温对细胞膜
产生的损伤。
图 1 低温胁迫下外源褪黑素对菘蓝种子苗 MDA 含量
的影响
Fig． 1 Effect of exogenous melatonin on accumulation of
MDA in Isatis indigotica Fort． seedlings under low
temperature stress
2． 2 外源褪黑素对低温胁迫菘蓝种子苗 POD 和
CAT活性的影响
从实验结果可以看出，在未经冷处理的第 4 组
菘蓝种子苗中，测定的 POD 和 CAT 活性均随着外
源褪黑素处理浓度的升高而增加，其活性最高值也
出现在 500 μmol /L时，而后呈现下降趋势，与 MDA
的情况一致(图 2，3)。由此可以看出，在正常生理
状态下，适当浓度褪黑素可以提高幼苗中的相关抗
氧化酶活性。
不同冷处理方法结合 500 μmol /L 褪黑素处理
后，测定的幼苗 POD 活性与同组对照相比，分别增
加了 69. 0%，74. 8%和 43. 4%;CAT 活性分别增加
了 148. 5%，416. 1%和 280. 0%。其中第 2 种方法
即在低温胁迫条件下同时用褪黑素溶液处理后的菘
蓝幼苗较之其他两组冷处理方法 POD 和 CAT 活性
变化更明显，在 10 μmol /L褪黑素与同组对照相比，
就显著增加了幼苗中 POD活性。在 500 μmol /L 褪
黑素时，也是第 2 种方法有最高的 CAT活性。说明
用这种方法处理对菘蓝幼苗有很好的保护作用。
低温胁迫下，POD和 CAT能够清除 H2O2，使膜
系统免受伤害。以上结果表明，10 ～ 1 000 μmol /L
范围内外源褪黑素有助于提高低温胁迫下菘蓝种子
苗中的 POD和 CAT 活性，增强清除的 H2O2 能力，
从而提高胁迫耐受力。
2．3 外源褪黑素对低温胁迫菘蓝种子苗根长的影响
所有处理实验组中，不同浓度外源褪黑素对植
株根生长表现出相对一致的趋势，即低浓度褪黑素
的增加使植株根长增长，并且差异显著，进而随着褪
黑素浓度的增加，根长出现下降的趋势，说明低浓度
褪黑素对植株根的伸长具有促进作用，高浓度褪黑
素对植物生长有抑制作用。其中方法 1 和方法 4
中，最大根长出现在浓度为 500 μmol /L 时，分别为
3. 28 cm和 3. 46 cm，而方法 2 和方法 3 的最大值出
现在 100 μmol /L，为 3. 62 cm 和 3. 64 cm。同时可
—042— 西北大学学报(自然科学版) 第 43 卷
以看出，冷处理和未经冷处理最大根长没有明显差
异。
2． 4 外源褪黑素对低温胁迫菘蓝种子苗内源 IAA
的影响
根据图 4 的数据显示，在同一处理方法中菘蓝
幼苗体内 IAA 含量随着褪黑素浓度的增加显示递
增趋势，方法 1 和 4 处理过的样品 IAA 最高含量出
现在褪黑素浓度为 500 μmol /L，而在方法 2 和 3 中
是在 100 μmol /L时达到最高。并且在褪黑素浓度
为 500 μmol /L 时，方法 1 和方法 4 中 IAA 含量分
别比对照组增加 78. 9%和 131. 5%，达到 32. 3 ng /g
图 4 低温胁迫下外源褪黑素对菘蓝种子苗 IAA 水
平的影响
Fig． 4 Effect of exogenous melatonin on endogenous
IAA levels in Isatis indigotica Fort． seedlings
under low temperature stress
和 56. 4 ng /g，而褪黑素浓度为 100 μmol /L时，方法
2 和 3 中 IAA 含量则分别比对照组增加 35. 2%和
4. 3%。之后随着褪黑素浓度的增加，IAA 含量出现
明显的下降趋势。由此可以看出，低浓度的褪黑素
促进 IAA的合成，高浓度时抑制。这个结果与上述
褪黑素对根长影响的结果基本一致，推测褪黑素可
能通过调节内源激素 IAA 的合成影响植物根的伸
长。
3 讨 论
正常条件下，植物体内的氧自由基在抗氧化酶
系和抗氧化物质的调控下保持动态平衡。植物在逆
境条件下，活性氧代谢平衡被打破，导致大量活性氧
积累、膜脂过氧化和细胞膜结构完整性的损伤［16］。
同样，低温胁迫会导致植物严重的氧化损伤。4℃低
温下，白曼陀罗幼嫩花芽［17］和芦荟［18］的褪黑素含
量均高于对照组，这些现象表明，褪黑素可能与植物
抵御低温损害有关。本实验研究了不同浓度褪黑素
对低温胁迫后菘蓝种子苗生理指标变化。
丙二醛是衡量膜脂过氧化水平的一个重要指
标［19］。菘蓝种子经过低温胁迫处理后，与没有经过
低温处理的第 4 种方法相比，其幼苗中 MDA含量有
不同程度的升高，说明低温对幼苗的正常生长造成
了损伤。用适当浓度外源褪黑素处理的菘蓝幼苗
MDA含量显著降低，减轻了植株膜脂过氧化程度，
其结果与冷处理下黄瓜种子的萌发一致，外源褪黑
素处理的黄瓜胚轴中膜脂过氧化水平显著降低［10］，
说明褪黑素具有抗氧化特性，能够减轻低温处理过
程对植物组织的氧化损伤。
POD与 CAT都是重要的抗氧化酶，可有效分解
活性氧，因此可以保护植物免受氧化损伤［20］。本实
验中，低温胁迫下褪黑素处理的菘蓝幼苗比对照组
POD和 CAT 的活性显著提高，其中在 500 μmol /L
时活性达最高。这与文献报导的褪黑素在植物中具
有抗氧化特性，可增强超氧化物酶等抗氧化物酶活
性结果一致［21］。如 Yan Zhao 等用外源褪黑素处理
低温保存的大花红景天愈伤组织，POD与 CAT的活
性显著提高，表明褪黑素可以通过提高抗氧化酶的
活性来保护植物细胞免受低温贮藏过程中造成的氧
化损伤［22］。
褪黑素和 IAA的合成都以色氨酸为前体，结构
上的关联导致褪黑素可能转变成 IAA 或 IAA 的激
活剂，促进根的形成［9］。实验中，低温胁迫下不同
浓度褪黑素处理植物后，IAA 的含量以及不定根的
生长发生了明显变化。低浓度褪黑素促进了 IAA
合成并且促进根的伸长，而 500 μmol /L以上浓度抑
制 IAA 合成的同时对根的伸长也表现出抑制作用。
内源褪黑素能够促进根的再生，在生理响应上与
IAA有很大的相似性，其最大激活效果可达 IAA 的
22% ～63%［23］。推测褪黑素与 IAA 对生根的促进
作用都可能是通过激活 H-ATPase，降低了细胞间的
pH使细胞间松散，进而促进细胞延伸。另外，褪黑
素与钙调蛋白系统关系紧密［24］，可能通过刺激微管
蛋白的解聚和装配，来调节细胞骨架结构。生理浓
度的褪黑素通过钙调蛋白促进微管蛋白聚合，实现
其促进生长的作用;高浓度时引起微管蛋白的解聚，
破坏纺锤体结构，抑制植物生长［25］。本实验以及褪
黑素处理芥菜幼苗实验中都证实［26］，外源褪黑素浓
度的适量增加导致 IAA 含量的增加，从而促进植物
根的伸长。然而，褪黑素是作为一种独立的植物生
长调节剂，还是通过在体内转化为内源性 IAA 进而
调节植物的生长，还需要更多的实验进一步验证。
—142—第 2 期 潘红艳等:褪黑素对低温胁迫后菘蓝种子苗抗氧化性影响
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(编 辑 陈镱文)
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