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棉花是我国重要的经济作物,种子萌发是其生长过程中的重要阶段,极易受到生物和非生物胁迫的伤害,盐害是影响棉花产量与品质的重要因素之一。褪黑素(Melatonin,MT)是广泛存在于动植物体中的一类小分子吲哚胺类物质,具有亲水和亲脂两种特性,极易进入种子内部,具有显著的抗氧化功能,能够提高逆境下种子的活力和萌发率。目前有关褪黑素对逆境下蔬菜和果树种子萌发调控效应研究较多,但对棉花种子萌发的调控效应研究较少。因此,本文以国欣棉9号为材料,以筛选出的150 mM NaCl作为胁迫浓度,通过测定种子萌发指标、抗氧化酶系、渗透调节物质、细胞膜透性物质、褪黑素与激素含量以及代谢酶活性,研究褪黑素对盐胁迫下棉花种子萌发的生理调控机制;并结合代谢组学和转录组学分析,探讨褪黑素对盐胁迫下棉花种子萌发的分子调控机制,为褪黑素的开发利用和棉花栽培调控提供依据。主要研究结果如下:1.外源褪黑素有效缓解了盐胁迫对棉花种子萌发的抑制作用。盐胁迫显著降低了棉花种子发芽率、发芽势及胚根长度,种子萌发后的鲜物质质量、干物质质量也明显降低。不同褪黑素浓度浸种24 h后,种子发芽率、胚根长及生.物量变化趋势不一。低浓度褪黑素(10、20μM)促进了棉花种子萌发,而高浓度褪黑素(50、100μM)对种子萌发促进效应并不明显,甚至出现抑制作用,其中20 μM褪黑素对棉花种子萌发的促进效果最为显著。2.外源褪黑素提高了盐胁迫下棉花种子萌发的抗氧化酶活性和渗透调节物质含量。棉花种子萌发过程中,盐胁迫导致抗氧化酶系(SOD、POD、CAT)活性显著降低;脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白等有机渗透调节物含量减少:无机渗透调节物Na+、C1-含量增加,电解质渗透率、过氧化氢(H2O2)、丙二醛(MDA)含量增加。施加不同浓度褪黑素后,棉花种子中超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)活性先升高后降低,脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量增加;电解质渗透率、H2O2、MDA含量不断降低。其中20 μM褪黑素调控效果最为明显。3.外源褪黑素提高了盐胁迫下棉花种子萌发的淀粉酶活性以及褪黑素和赤霉素(GA)含量。盐胁迫下,α-淀粉酶和β-半乳糖苷酶含量显著降低,淀粉含量显著升高:脱落酸(ABA)含量升高,GA和褪黑素含量降低。施加褪黑素后,α-淀粉酶和β-半乳糖苷酶含量显著升高,淀粉含量显著降低;ABA含量降低,GA含量升高,褪黑素含量也明显上升。同时ABA和GA信号转导基因G GhABF2、GhG、ID1B和GhGID1C表达量明显上升,而GhDPBF2表达量下降。4.外源褪黑素调控盐胁迫下棉花种子萌发的代谢途径。通过代谢组学分析,发现S(NaCl)与CK(Control)相比共有163个差异代谢物。SM(NaCl+MT)与S相比共有46个差异代谢物,差异代谢物主要富集在色氨酸代谢途径中,也有部分富集到赖氨酸生物合成、磷酸脂代谢、甘油磷脂代谢和嘌呤代谢中。KEGG富集分析发现,外源褪黑素增加了氨基酸和脂类物质含量,为种子萌发提供了能量。5.外源褪黑素调控了盐胁迫下棉花种子萌发转录基因的表达。基于转录组学分析研究发现,种子萌发6 h,S与CK相比共有6817个差异表达基因,SM与S相比共有3379个差异表达基因;种子萌发12 h,S与CK相比共有15998个差异表达基因,SM与S相比共有2815个差异表达基因;种子萌发24h,S与CK相比共有19920个差异表达基因,SM与S相比共有5076个差异表达基因;种子萌发的差异基因(S与CK;SM与S)均以上调表达为主。差异基因KEGG富集分析发现,S与CK处理的差异基因主要富集在MAPK信号途径及三羧酸循环中,SM与S处理的差异基因主要富集在植物激素信号转导、三羧酸循环及脂肪酸降解等途径中。综上所述,盐胁迫下,外源褪黑素提高了棉花种子抗氧化酶活性,增加了渗透调节物质积累,增强了细胞膜透性;降低了 ABA含量,提高GA含量;并通过调控激素信号转导、能量循环以及激素相关基因,促进种子萌发。