近年来,随着全球气候变暖,暴雨和洪涝灾害频发,涝渍胁迫已成为棉花生产的主要非生物胁迫之一,研究缓解棉花涝渍胁迫的机理和技术对减少涝灾损失十分重要。褪黑素(N-乙酰-5-甲氧基色胺)是一种多效分子,它具有广泛的生理作用,特别是能增强植物对逆境胁迫的抵抗或适应能力,在缓解植物涝渍胁迫、减少灾害损失方面具有重要的应用潜力。但迄今尚未见有关褪黑素缓解棉花淹水胁迫的研究。为此,我们深入研究了褪黑素在棉花淹水胁迫响应中的作用及其机理。供试棉花(Gossypium hirsutum L.)品种K836,于2021～2022年种植在山东省农科院经济作物研究所试验站(临清,115°42’E,36°61’N)的田间电动遮雨棚内,在盛蕾期或初花期对棉花进行10天的淹水胁迫,淹水期间喷施褪黑素或褪黑素抑制剂PCPA处理棉株,设置不淹水对照(CK,正常灌溉以维持土壤含水量为最大持水量的60～70%)、淹水(WL,淹水10 d)、不淹水喷施褪黑素(CKM)、不淹水喷施PCPA(CKP)、淹水喷施褪黑素(WLM)和淹水喷施PCPA(WLP)6个处理,比较研究了淹水和未淹水棉花对喷施外源褪黑素及其抑制剂的农艺学、生理学和分子生物学响应。主要结果和结论如下:1.褪黑素对淹水棉花生长发育和产量的影响盛蕾期淹水胁迫10 d,棉花的根、茎、叶、蕾花铃及单株干物重分别减少了21.8%、17.1%、10.3%、6.3%和13.2%,铃数、籽棉产量和皮棉产量分别减少了46.7%、49.6%和51.3%;与淹水未喷施褪黑素处理相比,喷施褪黑素的受淹棉株根、茎、叶、蕾花铃及单株干物质分别增加了4.7%、6.1%、8.5%、23.3%和8.7%,铃数、籽棉产量和皮棉产量分别增加了25.0%、16.3%和20.0%;但喷施PCPA的受淹棉株根、茎、叶、蕾花铃及单株的干物质分别比淹水棉花减少了18.6%、20.1%、20.0%、6.7%和18.5%,铃数、籽棉产量和皮棉产量分别减少了12.5%、6.3%和6.8%。说明喷施褪黑素显著减轻了淹水胁迫对棉花生长发育和产量形成的不利影响,减少了产量损失。2.褪黑素对淹水棉花生理功能的影响淹水胁迫10 d后,棉花主茎功能叶内源褪黑素含量提高了16.2%;厌氧代谢酶ADH和PDC的活性分别升高了10.6%和15.6%;抗氧化酶SOD、POD和CAT的活性分别降低了20.7%、30.4%和33.2%;H_2O_2和丙二醛(MDA)含量分别增加了21.8%和11.5%;生长素(IAA)和赤霉素(GA)含量分别减少了11.0%和9.5%;脱落酸(ABA)和乙烯(ETH)含量分别增加了13.3%和8.4%;叶绿素(Chl)含量和净光合速率分别降低了25.5%和59.3%。与未喷施褪黑素的淹水处理棉株相比,喷施褪黑素的受淹棉株主茎功能叶的褪黑素含量提高了16.0%;厌氧代谢酶ADH和PDC的活性分别降低了9.0%和13.0%;抗氧化酶SOD、POD和CAT的活性分别升高了9.0%、10.2%和16.8%;H_2O_2和MDA含量分别减少了16.8%和14.2%;IAA和GA含量分别增加了9.6%和4.5%;ABA和ETH含量分别减少了10.7%和13.0%;Chl含量和净光合速率分别提高了7.4%和27.6%。与之相反,喷施褪黑素抑制剂PCPA的受淹棉株主茎功能叶的褪黑素含量降低了25.7%;厌氧代谢酶ADH和PElectrophoresisDC的活性分别升高了4.0%和5.3%;抗氧化酶SOD、POD和CAT的活性分别降低了11.9%、9.7%和11.8%;H_2O_2和MDA含量分别升高了9.6%和5.6%;IAA和GPD-0332991浓度A含量分别减少了9.2%和6.7%;ETH含量增加了12.0%;ABA含量没有明显差异;Chl含量和净光合速率分别降低了12.6%和27.2%。以上结果表明,喷施褪黑素显著提高了淹水棉株内源褪黑素含量,抑制了厌氧代谢酶活性,提高了抗氧化酶活性,减轻了细胞膜脂过氧化程度,促进了相关激素代谢平衡,减轻了对棉株光合作用的影响;而喷施褪黑素抑制剂PCPA则降低了棉株体内褪黑素含量,进一步加重了淹水伤害。3.褪黑素对受淹棉花相关基因表达的影响淹水胁迫影响了棉花主茎功能叶相关基因表达。其中,棉花主茎功能叶中GA合成酶基因GA20JNJ-42756493说明书ox1的表达量较未淹水的对照降低了44.2%;褪黑素合成关键酶基因咖啡酸-O-甲基转移酶(COMT)和5-羟色胺N-乙酰基转移酶(SNAT1)的表达量则分别升高了35.0%和51.9%;ABA合成基因NCED2,乙烯合成基因ACS、ACO,H_2O_2合成酶基因RBOHC和乙醇脱氢酶基因ADH1表达量则分别升高了1.0倍、2.0倍、2.4倍、1.0倍和3.9倍;褪黑素处理受淹棉花可以有效调控以上基因的表达。其中,主茎功能叶Gh SNAT1、Gh COMT和Gh GA20ox1表达量分别较未喷施的受淹棉株升高了1.0倍、3.3倍和2.2倍;Gh NCED2、Gh ACS、Gh ACO、Gh RBOHC及Gh ADH1的表达量分别降低了61.9%、35.5%、46.3%、65.0%和40.0%。与之相反,PCPA处理的棉花主茎功能叶Gh SNAT1、Gh COMT和Gh GA20ox1的表达量较未喷施的受淹棉株分别降低了48.7%、51.8%和38.8%;Gh NCED2、Gh RBOHC及Gh ADH1的表达量则分别升高了1.2倍、2.5倍和1.9倍;Gh ACS和Gh ACO的表达量则分别升高了59.4%和14.9%。以上结果表明,淹水胁迫降低了GA合成关键基因表达量,提高了ABA和ETH合成基因的表达量;而喷施外源褪黑素通过提升棉株内源褪黑素含量,调节了受淹棉株体内相关基因表达。4.褪黑素合成相关基因突变体材料创制通过淹水处理后棉花的转录组数据分析,筛选并克隆了参与褪黑素合成的关键基因Gh SNAT1和Gh COMT。利用基因超量表达技术及CRISPR/Cas9基因组编辑技术创建了该基因过表达和敲除载体,然后通过农杆菌介导的棉花转化技术获得了基因过表达和敲除突变体植株。综上,淹水胁迫破坏了棉花的膜系统、光合系统和激素平衡,显著降低了光合生产与干物质积累,导致减产。喷施外源褪黑素提高了受淹棉株内褪黑素含量,有效减轻了受淹棉株细胞膜脂过氧化和厌氧呼吸,诱导激素合成代谢相关基因表达,维持了激素的相对平衡和光合生产能力,提高了棉花对淹水胁迫的适应能力,减少了产量损失。本研究明确了褪黑素对棉花淹水胁迫的缓解效应并揭示了其生理学机制,为褪黑素在棉花抗涝栽培中的的进一步应用提供了重要依据和参考。