常綠巖垂草(Lippia nodiflora‘KURAPIA-S1’)對(duì)持續(xù)淹水脅迫的生理響應(yīng)

彭 秀，耿養(yǎng)會(huì)，蔣宣斌，周小舟，何邦亮

(重慶市林業(yè)科學(xué)研究院，三峽庫區(qū)森林生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)重慶市市級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400036)

常綠巖垂草(Lippia nodiflora‘KURAPIA-S1’)系引進(jìn)自日本，經(jīng)雜交改良的馬鞭草科過江藤屬多年生匍匐草本植物，該品種開白色小花，具有四季常綠、耐旱、耐熱、抗病蟲害等特點(diǎn)，能高密度、快速覆蓋土壤表面，是一種較為理想的水土保持材料。目前，常綠巖垂草已在重慶石漠化地區(qū)開展了引種適應(yīng)性研究，表現(xiàn)較好，為擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域和范圍，探索其在三峽庫區(qū)消落帶的應(yīng)用可能性，需要對(duì)常綠巖垂草的耐淹性進(jìn)行試驗(yàn)研究，但相關(guān)研究還未見有報(bào)道。因此，本文開展了對(duì)持續(xù)淹水脅迫下常綠巖垂草葉片過氧化物酶(POD)活性、超氧化物歧化酶(SOD)活性、過氧化氫酶(CAT)活性、丙二醛(MDA)含量、游離脯氨酸(PRO)含量、相對(duì)電導(dǎo)率等指標(biāo)、存活率及外部形態(tài)的變化研究，以期從這些生理指標(biāo)探索常綠巖垂草的耐淹機(jī)理，為其在三峽庫區(qū)消落帶植被恢復(fù)與重建中的應(yīng)用與推廣提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

2011年10月將生長基本一致的常綠巖垂草帶土盆栽，置于重慶市林業(yè)科學(xué)研究院苗圃中進(jìn)行相同光照、水分等常規(guī)管理，于12月1日開展試驗(yàn)。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)將試驗(yàn)用苗分成兩組，即對(duì)照組和完全水淹組，每組100盆，完全水淹組包括20 d、40 d、60 d、80 d等4個(gè)水淹時(shí)間。對(duì)照組植株放置于試驗(yàn)基地曠地中，進(jìn)行澆水、除草等常規(guī)田間管理。完全水淹組植株放置于注水的水池中，植株頂端距水面約20 cm，試驗(yàn)期間所有植株均處于被完全淹沒的狀態(tài)。試驗(yàn)共持續(xù)80 d，至2012年1月結(jié)束。試驗(yàn)結(jié)束后，將水淹組植株放置于試驗(yàn)基地曠地中，進(jìn)行澆水、除草等常規(guī)田間管理，觀測春季是否恢復(fù)正常生長，以計(jì)算其存活率。

試驗(yàn)之日取1次樣，以后每間隔20 d取1次樣，采集植株頂端功能葉片，對(duì)其生理生化指標(biāo)連續(xù)進(jìn)行4次測定，每次測定3個(gè)重復(fù)。具體測定的生理生化指標(biāo)包括:常綠巖垂草葉片的過氧化物酶(POD)活性、超氧化物歧化酶(SOD)活性、過氧化氫酶(CAT)活性、丙二醛(MDA)含量、游離脯氨酸(PRO)含量、相對(duì)電導(dǎo)率。

1.2.2 測定方法

過氧化物酶(POD)活性的測定采用愈創(chuàng)木酚法［1］;超氧化物歧化酶(SOD)活性的測定采用氮藍(lán)四唑(NBT)光還原法［1］;過氧化氫酶(CAT)活性的測定采用紫外吸收法［2］;丙二醛(MDA)含量的測定采用硫代巴比妥酸法［3］;游離脯氨酸(PRO)含量的測定采用酸性茚三酮法［4］;相對(duì)電導(dǎo)率采用DDS-11A數(shù)顯電導(dǎo)率儀測定［5］。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析

用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS13.0進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和分析。用Duncan多重比較(Duncan's multiple range test)法進(jìn)行多重比較，檢驗(yàn)每個(gè)生理指標(biāo)在不同水淹時(shí)間的差異顯著性，用獨(dú)立樣本t測試(Independent t-test)檢驗(yàn)同一水淹時(shí)間下全淹處理植株與對(duì)照植株之間生理指標(biāo)的差異。文中的圖表由Microsoft Excel軟件制作完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 過氧化物酶(POD)活性的響應(yīng)

持續(xù)淹水脅迫下，常綠巖垂草葉片POD活性隨處理時(shí)間的延長呈現(xiàn)降—升—降的趨勢(圖1)。持續(xù)淹水20 d時(shí)，POD活性降到最低值3065 μ·g－1min－1，比對(duì)照水平(2943 μ·g－1min－1)高 122 μ·g－1min－1;持續(xù)淹水40 d時(shí)，POD 活性明顯升高至6174 μ·g－1min－1，比對(duì)照水平(7193 μ·g－1min－1)低1019 μ·g－1min－1;持續(xù)淹水 60 d、80 d時(shí)，POD 活性又逐漸降低至5393 μ·g－1min－1、5091 μ·g－1min－1，分別比對(duì)照水平(5630 μ·g－1min－1、6402 μ·g－1min－1)低 238 μ·g－1min－1、1312 μ·g－1min－1。由圖 1 可知，持續(xù)淹水脅迫下常綠巖垂草葉片POD活性在0～60 d變化趨勢與對(duì)照相同且沒有顯著差異，但在60 d～80 d，持續(xù)淹水脅迫下常綠巖垂草葉片POD活性下降卻與對(duì)照相反，且在80 d時(shí)顯著低于對(duì)照(P＜0.05)。

圖1 持續(xù)淹水脅迫下常綠巖垂草POD活性的變化(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Fig.1 Changes of POD activity in leaves of Lippia nodiflora‘KURAPIA-S1’(mean±SE)

2.2 超氧化物歧化酶(SOD)活性的響應(yīng)

持續(xù)淹水脅迫下，常綠巖垂草葉片SOD活性隨處理時(shí)間延長呈現(xiàn)升—降—升的趨勢(圖2)。持續(xù)淹水40 d時(shí)，SOD 活性升到最高值1820 μ·g－1，比對(duì)照水平(2404 μ·g－1)低 584 μ·g－1;持續(xù)淹水60d 時(shí)，SOD 活性降到最低值616 μ·g－1，比對(duì)照水平(906 μ·g－1)低 290 μ·g－1。由圖 2 可知，持續(xù)淹水脅迫下的常綠巖垂草葉片SOD活性在處理時(shí)間內(nèi)變化趨勢與對(duì)照相同并始終顯著低于對(duì)照(P＜0.05)，但在60d～80d，持續(xù)淹水脅迫下的常綠巖垂草葉片SOD活性變化較小沒有顯著差異。

圖2 持續(xù)淹水脅迫下常綠巖垂草SOD活性的變化(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Fig.2 Changes of SOD activity in leaves of Lippia nodiflora‘KURAPIA-S1’(mean±SE)

2.3 過氧化氫酶(CAT)活性的響應(yīng)

持續(xù)淹水脅迫下，常綠巖垂草葉片CAT活性隨處理時(shí)間延長呈現(xiàn)降—升—降—升的劇烈變化趨勢(圖3)。持續(xù)淹水20 d時(shí)，CAT活性降到最低值1.42 μ · g－1min－1，比 對(duì)照水 平 (4.43 μ · g－1min－1)低 3.01 μ·g－1min－1;持續(xù)淹水 40 d 時(shí)，CAT 活性升到最高值 6.61 μ·g－1min－1，比對(duì)照水平(4.31 μ·g－1min－1)高 2.30 μ·g－1min－1;持續(xù)60 d、80 d 時(shí)，CAT 活性先降至2.82 μ·g－1min－1再升至3.99 μ·g－1min－1，分別比對(duì)照水平(4.36 μ·g－1min－1、5.37 μ · g－1min－1)低 1.54 μ · g－1min－1、1.38 μ·g－1min－1。由圖 3 可知，對(duì)照的常綠巖垂草葉片CAT活性在0～60 d變化較小且沒有顯著差異，至80 d時(shí)才顯著升高(P＜0.05)，但在20 d、40 d、60 d、80 d 時(shí)，與持續(xù)淹水處理均達(dá)到差異顯著水平(P＜0.05)。

圖3 持續(xù)淹水脅迫下常綠巖垂草CAT活性的變化(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Fig.3 Changes of CAT activity in leaves of Lippia nodiflora‘KURAPIA-S1’(mean±SE)

2.4 丙二醛(MDA)含量的響應(yīng)

持續(xù)淹水脅迫下，常綠巖垂草葉片MDA含量隨處理時(shí)間延長呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(圖4)。持續(xù)淹水80 d時(shí)，MDA含量降到最低值0.55 mmol·g－1，比對(duì)照水平(2.83 mmol·g－1)低 2.28 mmol·g－1。由圖4可知，持續(xù)淹水脅迫下的常綠巖垂草葉片MDA含量在淹水處理前期0 d、20 d之間和后期60 d、80 d之間變化較小且沒有顯著差異，在20 d、40 d、60 d時(shí)，MDA含量變化較大且兩兩之間差異顯著(P ＜0.05)，而在20 d、40 d、60 d、80 d 時(shí)，持續(xù)淹水處理與對(duì)照均達(dá)到顯著水平(P＜0.05)。

圖4 持續(xù)淹水脅迫下常綠巖垂草MDA含量的變化(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Fig.4 Changes of MDA content in leaves of Lippia nodiflora‘KURAPIA-S1’(mean±SE)

2.5 游離脯氨酸(PRO)含量的響應(yīng)

持續(xù)淹水脅迫下，常綠巖垂草葉片PRO含量隨處理時(shí)間延長呈現(xiàn)降—升—降的趨勢(圖5)。持續(xù)淹水40 d 時(shí)，PRO 含量降到最低值 0.81 μg·g－1，比對(duì)照水平(3.86 μg·g－1)低 3.06 μg·g－1;持續(xù)淹水60 d、80 d 時(shí)，PRO 含量升到 2.41 μg·g－1后又降到 0.98 μg·g－1，比對(duì)照水平(8.38 μg·g－1、17.28 μg·g－1)分別低 5.97 μg·g－1、16.30 μg·g－1。由圖5可知，持續(xù)淹水脅迫下常綠巖垂草葉片PRO含量在0～60 d變化趨勢與對(duì)照相同且顯著低于對(duì)照(P＜0.05)，但在60 d～80 d，持續(xù)淹水脅迫下常綠巖垂草葉片PRO含量下降卻與對(duì)照相反，但其值仍然顯著低于對(duì)照(P＜0.05)。

圖5 持續(xù)淹水脅迫下常綠巖垂草PRO含量的變化(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Fig.5 Changes of PRO content in leaves of Lippia nodiflora‘KURAPIA-S1’(mean±SE)

2.6 相對(duì)電導(dǎo)率的響應(yīng)

持續(xù)淹水脅迫下，常綠巖垂草葉片相對(duì)電導(dǎo)率隨處理時(shí)間延長呈現(xiàn)升—降—升的趨勢(圖6)。持續(xù)淹水20 d時(shí)，相對(duì)電導(dǎo)率升到28.69%，比對(duì)照水平(23.37%)高5.33%;持續(xù)淹水60 d時(shí)，相對(duì)電導(dǎo)率降到 13.13%，比對(duì)照水平(11.13%)高2.00%;持續(xù)淹水80 d時(shí)，相對(duì)電導(dǎo)率升到最高39.99%，比對(duì)照水平(34.37%)高5.63%。由圖6可知，持續(xù)淹水脅迫下常綠巖垂草葉片相對(duì)電導(dǎo)率在0～40 d、60 d～80 d變化趨勢與對(duì)照相同，但40 d ～60 d 下降卻與對(duì)照相反;在20 d、40 d、60 d、80 d時(shí)，持續(xù)淹水處理與對(duì)照均達(dá)到差異顯著水平(P＜0.05)。

圖6 持續(xù)淹水脅迫下常綠巖垂草相對(duì)電導(dǎo)率的變化(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Fig.6 Changes of Relative electric conductivity in leaves of Lippia nodiflora‘KURAPIA-S1’(mean±SE)

2.7 存活率及外部形態(tài)的變化

常綠巖垂草對(duì)持續(xù)水淹有較強(qiáng)的耐受能力，從20 d一直到80 d的全淹處理后，存活率始終都保持為100%。在全淹情況下，常綠巖垂草能夠持續(xù)產(chǎn)生新的葉片，新生葉片及莖干較小且直立，顏色為綠色，但隨著淹水時(shí)間的延長，新葉生長速度與數(shù)量逐漸減緩和減少，老葉片則不斷枯死凋落。對(duì)照條件下，常綠巖垂草隨冬季的到來而慢慢進(jìn)入休眠期，新葉生長逐漸停止，老葉片不枯不凋，葉片顏色由綠色變?yōu)榘的G色。在解除淹水脅迫后，常綠巖垂草隨春季的到來恢復(fù)正常生長。

3 討論

淹水脅迫會(huì)破壞細(xì)胞內(nèi)自由基清除與產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)平衡，造成大量的活性氧積累，但植物體內(nèi)SOD、POD、CAT共同組成1個(gè)有效的清除系統(tǒng)，能有效地組織植物體內(nèi)活性氧和MDA的積累，提高植株耐性［6］。研究表明，不同植物在淹水后保護(hù)酶系統(tǒng)活性變化差異較大［7～11］，表明不同植物對(duì)淹水的反應(yīng)不同。本研究結(jié)果顯示，在淹水脅迫前期(0～40 d)，常綠巖垂草葉片的POD、SOD、CAT活性均表現(xiàn)為上升趨勢，說明常綠巖垂草在淹水脅迫下體內(nèi)產(chǎn)生活性氧的速度較為緩慢，在較長時(shí)間內(nèi)活性氧慢慢累積達(dá)到最高峰，誘導(dǎo)保護(hù)酶系統(tǒng)協(xié)同作用抵抗外界環(huán)境脅迫，隨著淹水時(shí)間的延長(40 d～80 d)，常綠巖垂草葉片的POD、SOD、CAT活性均表現(xiàn)為下降，可能此時(shí)常綠巖垂草對(duì)淹水脅迫已經(jīng)產(chǎn)生了適應(yīng)性，各種防御系統(tǒng)被調(diào)動(dòng)起來，不再產(chǎn)生活性氧自由基，因此，也不需要過多的保護(hù)酶加以清除。

細(xì)胞膜的穩(wěn)定性是植物細(xì)胞執(zhí)行正常生理功能的基礎(chǔ)。植物在逆境條件下體內(nèi)通常會(huì)產(chǎn)生活性氧，從而啟動(dòng)膜脂過氧化或膜脂脫脂作用，或改變細(xì)胞質(zhì)膜透性，進(jìn)而影響植物代謝，表現(xiàn)為MDA的積累與相對(duì)電導(dǎo)率的增加。MDA的產(chǎn)生作為葉片衰老的標(biāo)志，是衡量不同植物物種或品種耐淹能力強(qiáng)弱的指標(biāo)之一。隨著淹水時(shí)間的延長，常綠巖垂草葉片MDA的含量逐漸降低，這與在煙草、楓楊水澇研究中植物質(zhì)膜透性隨水澇脅迫程度增加而增大的結(jié)論相反［11～14］，可能與常綠巖垂草在淹水條件下產(chǎn)生新葉片有關(guān)，這說明常綠巖垂草具有較強(qiáng)的耐淹能力。本試驗(yàn)常綠巖垂草相對(duì)電導(dǎo)率在淹水初期明顯升高，然后隨處理時(shí)間延長而略微下降，至淹水脅迫后期又顯著升高，說明膜系統(tǒng)在淹水初期和后期受到一定程度的損害，細(xì)胞外滲物質(zhì)增多，但由于MDA含量在降低，一定程度上降低了淹水脅迫對(duì)細(xì)胞膜系統(tǒng)的損害。

PRO是一種重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，許多研究表明，植物在水分脅迫條件下體內(nèi)PRO含量的變化與其合成受激、氧化受抑和蛋白質(zhì)合成受阻有關(guān)。在對(duì)烤煙、大米草的研究中［14，15］，植物在淹水脅迫下體內(nèi)PRO含量增大，表明植物體內(nèi)活性氧代謝失調(diào)，引起自由基的積累，加劇細(xì)胞膜脂過氧化作用，導(dǎo)致滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)增加。本研究常綠巖垂草葉片PRO含量減少，可能由于常綠巖垂草耐淹性較強(qiáng)，細(xì)胞質(zhì)膜受損程度小，因此沒有引起植物體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的增加。

存活率是判斷植物水淹耐受能力的重要指標(biāo)，也是判斷植物在河岸帶可能的分布范圍的重要標(biāo)準(zhǔn)［16～18］。在三峽水庫消落區(qū)低海拔地段的水淹可持續(xù)長達(dá)6個(gè)月，而本試驗(yàn)證實(shí)，常綠巖垂草在長達(dá)80 d的全淹處理后存活率為100%，有較強(qiáng)的水淹耐受能力，有可能也能夠耐受庫區(qū)消落區(qū)低海拔地段的水淹環(huán)境而存活。為了緩解水淹對(duì)植株造成的傷害，不同的耐淹植物能夠采取不同的策略來適應(yīng)水淹環(huán)境，有的植物可以加速枝條和葉片的伸長生長，以快速“逃離”水淹逆境［19－21］，本研究常綠巖垂草在水淹脅迫下持續(xù)產(chǎn)生新的細(xì)長葉片且呈直立狀，這可能是其對(duì)水淹環(huán)境積極的適應(yīng)性響應(yīng)。通過常綠巖垂草在持續(xù)水淹脅迫下的生理響應(yīng)分析得知，常綠巖垂草有較強(qiáng)的水淹耐受能力，有可能用于三峽庫區(qū)消落帶植被恢復(fù)與重建。

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