小麦作为重要粮食作物之一，因其丰富的营养价值、高质的产量和出色的口感，被广大消费者喜爱。可用于制作面条、馒头和饺子等主食，也可用于制作各种特色小吃，如饼干、凉皮和面筋等，其经过发酵后，还可制成白酒、啤酒以及其他燃料，废弃的酒糟也可用来喂鱼，促进渔业发展，增加渔民收入。因此，确保小麦的高产、优质和稳定生产，对于推动相关产业的可持续发展具有重要意义[1]。土壤中重金属的积累，可能影响作物的正常生长。因此，降低重金属污染土壤对作物的毒害作用是当前的研究热点之一。
在农田重金属污染中，镉（Cd）污染较为突出[2-3]。部分污染来自化学药剂施用，城镇废水和垃圾处理，以及矿区开采等[4-5]。在小麦生长发育过程中，Cd作为一种微量元素，具有较强的亲水性，易被小麦根系吸收并积累。聂梦杰[6]研究发现，当Cd的含量超出适宜范围时，会对小麦的生长产生不同程度的抑制作用，引发小麦叶绿素含量下降等生理代谢紊乱现象。随着Cd浓度的上升，小麦产量和品质受到影响，可能会导致小麦死亡。Cd胁迫除了对小麦生长有抑制作用外，相关学者对Cd对其他植物的生长影响展开研究。如张涵等[7]采用水培法，探究不同浓度Cd胁迫对洋葱根系生长的影响，结果表明，Cd浓度越高对洋葱根系生长的抑制作用越强，与李阳等[8]探究不同浓度Cd胁迫对南瓜、黄瓜和油菜幼苗的生理性状的影响结果相似。解决重金属污染相关研究，已经成为环境生态学和其他领域的一个重要内容。
褪黑素（Melatonin，MT）也称松果体色素，首次发现于牛的松果中[9]。MT在动物研究领域中备受关注，其不仅能够改善睡眠，还具有延缓衰老等作用，被认为是一种新型的植物激素[10]。李波等[10]研究植物体中的MT发现，其作为植物生长调控物质，存在于植物的各个部位，在多种植物生理代谢过程中发挥重要作用，如促进种子萌发、延缓叶片衰老及增强植物逆境胁迫的耐受性等。随着对MT各个方面研究的深入，发现其能够提高小麦对细菌感染的抵抗，促进种子根系的生长，以及麦苗株高增长[11]。MT的外源性应用可以通过调节内源性MT的生物合成和抗氧化酶的活性来提高植物耐受性，如左月桃[12]研究发现，施加MT可以明显提高盐碱胁迫条件下小黑麦种子的发芽率、发芽指数和发芽势，增加幼苗植物体积和干物质量，提高根系可溶性蛋白和可溶性糖含量，增强超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）、过氧化物酶（Peroxidase，POD）和过氧化氢酶活性，降低膜脂的过氧化程度和维持细胞膜结构的完整性，有效缓解盐胁迫对植物的影响。
目前，关于MT对重金属胁迫下植物种子萌发和幼苗生长发育方面的影响研究较多，而关于Cd胁迫下MT对小麦幼苗生长的影响研究较少。基于此，本次试验以小麦品种涡麦99作为试验材料，采用水培法，研究不同浓度MT对Cd胁迫下小麦幼苗生长的影响，测定其株高、鲜重、干重、叶绿素含量、SOD活性、POD活性以及丙二醛（Malondialdehyde， MDA）含量，探究Cd胁迫下较适宜的MT喷施浓度，为相关研究提供参考。
1 材料与方法
1.1 试验材料
小麦品种涡麦99作为本次试验材料。试验于2023年11月—2024年3月在信阳农林学院农学院2A304实验室完成。
1.2 试验试剂
5%次氯酸钠、褪黑素（MT）、蒸馏水、氯化镉（CdCl2，分析纯）、霍格兰氏营养液、磷酸缓冲液（0.2 mol/L）、磷酸缓冲液（0.05 mol/L）、甲硫氨酸溶液、EDTA-2 Na溶液、核黄素溶液、氮蓝四唑溶液、氯化钙、二氧化硅、三氯乙酸、酶液、硫代巴比妥酸（TBA）、PBS（pH 6.0）、PBS（pH 7.8）、愈创木酚、过氧化氢、PBS和浓硫酸，以上试剂均为分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司。
1.3 试验器材
发芽盒、移液枪、人工气候箱、漂浮板、镊子、剪刀、PCR板、滤纸、尺子、离心机、水浴锅、称量纸、制冰机、比色皿、试管、容量瓶、铝盒、分光光度仪、移液管、烘箱、试管架、叶绿素含量测定仪、烧杯、高压蒸汽灭菌锅、分析天平和废液桶等。
1.4 试验方法
利用水培方法，试验设置4个处理，每个处理3次重复。CK为100 µmol/L Cd胁迫条件下，叶面喷施蒸馏水；T1为100 µmol/L Cd胁迫条件下，叶面喷施10 µmol/L MT溶液；T2为100 µmol/L Cd胁迫条件下，叶面喷施100 µmol/L MT溶液；T3为100 µmol/L Cd胁迫条件下，叶面喷施1 000 µmol/L MT溶液。
首先选取籽粒饱满、大小一致的小麦种子作为试验材料，然后用5%次氯酸钠溶液浸种20 min，用无菌蒸馏水冲洗数次，直至种子表面没有残留的次氯酸钠溶液。将清洗后的种子用30 ℃左右温水浸泡，然后放入25 ℃烘箱中浸种1 d。取出种子，将其均匀摆放在铺有2层滤纸的培养皿上，将培养皿置于25 ℃的烘箱中进行催芽，待种子露白后，把种子放入装有PCR板的发芽盒中。在发芽盒中加入蒸馏水，使PCR板在发芽盒中漂浮为宜，并把发芽盒移到昼夜时长为12 h/12 h，光照强度4 500 lx，空气相对湿度70%的人工培养箱内进行培养。前期用蒸馏水，7 d后用1/2的营养液培养7 d，然后用正常浓度的营养液进行培养，营养液需2 d换一次。待幼苗长到两叶一心后，对幼苗进行100 µmol/L Cd胁迫处理，同时叶面喷施不同浓度的外源MT，培养7 d后取样并测定相关指标。
1.5 测定指标和方法
1.6 数据分析
利用Excel 2019软件对数据进行归纳整理并作图，运用SPSS软件进行差异性分析。
2 结果与分析
2.1 小麦幼苗生长指标
2.1.1 株高
由表1可知，小麦幼苗在100 µmol/L Cd胁迫下，叶面喷施不同浓度的的MT，CK的株高最矮（20.32 cm），与CK相比，T1、T2和T3株高分别增加2.92、3.5和1.04 cm；与T3相比，T1、T2株高分别增加1.88、2.46 cm。T1、T2和T3的株高与CK组间差异具有统计学意义（P<0.05），T1、T2的株高与T3组间差异具有统计学意义（P<0.05），T1与T2组间差异无统计学意义（P>0.05）。综上，小麦幼苗株高随MT浓度增加呈先升高后下降的趋势，其中叶面喷施100 µmol/L的MT对Cd胁迫下小麦株高的促进作用最好。
表1 Cd胁迫下不同浓度的MT对幼苗生长的影响 |
| 处理 | 株高/cm | 鲜重/g | 干重/g | 叶绿素（SPAD值） |
|---|---|---|---|---|
| CK | 20.32±0.8 c | 2.24±0.07 c | 0.23±0.02 b | 24.08±0.26 c |
| T1 | 23.24±0.5 a | 2.58±0.10 b | 0.28±0.01 a | 24.44±0.10 bc |
| T2 | 23.82±0.1 a | 2.78±0.06 a | 0.27±0.03 ab | 25.96±0.13 a |
| T3 | 21.36±0.5 b | 2.31±0.04 c | 0.24±0.01 ab | 24.60±0.36 b |
|
2.1.2 鲜重
由表1可知，小麦幼苗在100 µmol/L Cd胁迫下，叶面喷施不同浓度的的MT，与CK相比，T1、T2和T3鲜重分别增加0.34、0.54和0.07 g。T1、T2鲜重与CK组间差异具有统计学意义（P<0.05），T3鲜重与CK组间差异无统计学意义（P>0.05），T1、T2鲜重明显高于T3（P<0.05），T2鲜重最高（2.78 g）。综上，鲜重随MT浓度的增加呈先增后减的趋势，其中MT的浓度为100 µmol/L时，对Cd胁迫下小麦幼苗鲜重促进效果最好。
2.1.3 干重
由表1可知，小麦幼苗在100 µmol/L Cd胁迫下，叶面喷施不同浓度的的MT，CK的干重最低（0.23 g）；与CK相比，T1、T2和T3干重分别增加0.05、0.04和0.01 g。T2、T3干重与CK组间差异无统计学意义（P>0.05），T1干重与CK组间差异具有统计学意义（P<0.05）。综上，低浓度的MT更有利于促进Cd胁迫下小麦幼苗的干重增加，浓度越高，对Cd胁迫下幼苗干重的影响越不明显，其中叶面喷施10 µmol/L的MT对Cd胁迫下小麦幼苗干重的促进效果最佳。
2.1.4 叶绿素含量
由表1可知，小麦幼苗在100 µmol/L Cd胁迫下，叶面喷施不同浓度MT，CK的叶绿素含量最低（24.08）；与CK相比，T1、T2和T3的叶绿素含量分别增加0.36、1.88和0.52。T2、T3叶绿素含量与CK组间差异具有统计学意义（P<0.05），T1与CK组间差异无统计学意义（P>0.05）。综上，在100 µmol/L的Cd胁迫下，小麦叶绿素含量随着MT浓度的增加呈先增后减的趋势，高于10 µmol/L的MT处理，对Cd胁迫下小麦幼苗叶绿素含量的影响开始明显，其中，叶面喷施100 µmol/L的MT对Cd胁迫下小麦叶绿素含量的促进效果最好。
2.2 小麦幼苗SOD活性
2.3 小麦幼苗POD活性
2.4 小麦幼苗MDA含量
Cd胁迫下喷施不同浓度的MT对小麦幼苗MDA含量的影响详见图3。由图3可知，小麦幼苗的MDA含量随MT浓度的增加呈先增加后减少的趋势。在100 µmol/L的Cd胁迫下，CK组小麦幼苗MDA的活性4.73 nmol/g FW。与CK相比，T1小麦幼苗MDA含量增加了0.73 nmol/g FW；T2小麦幼苗的MDA含量比CK低0.38 nmol/g FW，比T1低1.11 nmol/g FW；T3小麦幼苗的MDA含量比CK降低了1.00 nmol/g FW，比T1降低了1.73 nmol/g FW，比T2降低了0.61 nmol/g FW。CK、T1、T2和T3组间差异均存在统计学意义（P<0.05），添加MT对小麦幼苗MDA含量影响较大。综上，喷施低浓度的MT提高了Cd胁迫下小麦幼苗的MDA含量，随着浓度的增加，MT提高了Cd胁迫下小麦幼苗的MDA含量，其中，MT浓度为1 000 µmol/L时，降低效果最好。
3 结论与讨论
土壤作为不可缺少的资源，在农业生产中占据核心地位，是农业发展的关键要素之一。过量的Cd积累在植物体，可能会扰乱细胞膜的结构和功能，产生氧化应激反应，降低酶的活性、影响电子传递，破坏叶绿体结构，导致植物的生长发育受抑制，从而使其生长能力下降，严重时还会使植物死亡[15-19]。高汝勇[20]研究发现，超过一定浓度的Cd胁迫对小麦生长发育有明显的抑制作用，幼苗阶段，当Cd浓度达到40 mg/L时，对小麦幼苗株高的影响具有统计学意义，Cd浓度越大，对小麦幼苗抑制作用越大；低浓度的Cd也会对小麦幼苗鲜重产生抑制作用，并且随浓度的升高，抑制作用也加大。本次试验探究的是Cd胁迫下，小麦叶面喷施不同浓度的MT对小麦生长的影响，发现在100 µmol/L的Cd胁迫下，叶面喷施一定浓度的MT可有效促进植株生长及干物质积累，提高POD、SOD活性，进而提高其抗逆性，这与张珂等[21]的研究基本一致。
在正常土壤环境中，金属浓度保持在适宜范围内时，植物体内的活性氧的产生和清除一般维持在稳定状态。然而，当植物在受到重金属胁迫时，植物体内自由基产生加快，使植物遭受损伤，为了改变这种逆境带来的损伤，植物体会激活一些保护机制。如冯文静[22]和唐萍[23]研究发现，上调抗氧化酶相关基因的表达，可以加速抗氧化酶对活性氧的清除。李冬等[24]研究表明，豌豆幼苗在Cd胁迫下SOD活性明显下降，在添加一定浓度的MT后，幼苗SOD活性明显上升。马鑫颖等[25]在外源MT对Cd胁迫下棉花种子萌发、抗氧化酶活性渗透调节的研究中发现，Cd胁迫下，种子萌发过程中SOD活性明显降低，添加MT增强了正常条件下以及Cd胁迫下棉花种子SOD活性。本次试验中，小麦幼苗在受到100 µmol/L的Cd胁迫时，叶面喷施100 µmol/L的MT明显提高了小麦幼苗SOD活性，可能是MT通过清除自由基，提高作物体内抗氧化酶的活性，降低活性氧的积累，从而增强其对重金属的胁迫的适应能力，这与刘仕翔等[26]关于MT对水稻幼芽镍胁迫的缓解作用研究结果相似。
综上，本研究对小麦进行100 µmol/L浓度的Cd胁迫，叶面喷施不同浓度（0、10、100和1 000 µmol/L）的MT，测定小麦的株高、鲜重、干重、叶绿素含量、POD、SOD活性以及MDA含量。发现在100 µmol/L的Cd胁迫下，叶面喷施100 µmol/L浓度的MT，对幼苗的株高、干重、叶绿素含量以及SOD活性的综合促进效果最佳；叶面喷施1 000 µmol/L浓度的MT，对提高小麦幼苗POD活性和降低MDA含量效果较好。表明一定浓度的MT可以明显提高小麦幼苗对Cd胁迫的抗性，改善小麦产品的产量和品质，增加干物质积累，提高植物的逆境抵抗能力。结果进一步证明了MT对Cd胁迫下小麦的有益作用，为促进农业生产提供参考。