菖蒲等4種濕地植物澇害脅迫生理研究

屠娟麗，呂 劍

（嘉興職業(yè)技術學院，浙江 嘉興 314036）

20世紀 90年代以來，我國在濕地保護和利用方面采取了一系列的措施，在一定程度上保護了濕地及其生物多樣性。但隨著經(jīng)濟快速發(fā)展以及人類生產(chǎn)生活對濕地資源依賴程度的提高，直接導致了濕地及其生物多樣性的普遍破壞，近四十年已有50%的濱海灘涂濕地不復存在；全國約13%的湖泊已經(jīng)消失；黑龍江三江平原78%的天然沼澤濕地喪失；洪湖水生植物種類減少24種、魚類減少約50種；七大水系63.1%的河段水質污染失去了飲用水功能等。諸此惡果，不僅直接造成巨大的經(jīng)濟損失，并導致濕地生態(tài)功能、社會效益得不到正常發(fā)揮，抵御自然災害能力喪失[1]。

目前，國內外對濕地植物用于人工濕地廢水處理系統(tǒng)中有相關研究，如Ennabili[2]對蘆葦（Phragmites australis）、香蒲（Typha orientalis）等9種植物的生物量和N、P、K積累量進行了比較，為人工濕地選擇出高性能的植物種類，而對濕地植物耐澇性研究較少。據(jù)浙江水資源公報統(tǒng)計，浙江降雨集中在4-9月，短時間的暴雨造成水體水位急劇上升，超過常水位，導致岸邊水濕生的草本植物和灌木被水浸沒，當水位不能及時退去時，部分植物開始死亡。為了合理選擇水濕生植物，開展對濕地植物在洪澇環(huán)境脅迫下葉綠素含量、質膜透性、丙二醛（MDA）、游離脯氨酸（Pro）、超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）等生理生化指標的變化研究，分析這些指標的變化規(guī)律及與抗逆性的關系，利用綜合評價方法評定其抗旱性和耐澇性，為景觀配置提供基礎數(shù)據(jù)及發(fā)揮其在濕地中的作用提供理論依據(jù)，從而減少經(jīng)濟損失，促進濕地生態(tài)建設。

1 材料與方法

1.1 材料與處理

選用菖蒲（Acorus calamus）、茭白（Zizania latifolia）、澤瀉（Alisma plantago-aquatica）、千屈菜（Lythrum salicaria）4種濕地植物作為試材，于2012年4月將收集到的4種濕地植物栽培于無孔加侖盆中，經(jīng)過3個月的適應性培養(yǎng)后選擇長勢正常、高度相近的植株作為試驗材料，每種選15盆。

濕地植物的抗?jié)承裕?月8日將植物連同花盆放入2 m深的水池中，以后每隔2 d將其從水中取出觀察其生長情況并從各植株隨機采集葉片測定相關生理指標。

1.2 測定方法

葉綠素測定方法采用張憲政的乙醇丙酮混合液法，可溶性蛋白質測定采用考馬斯亮藍G-250法，采用氮藍四唑（NBT）法測定SOD活性，愈創(chuàng)木酚法測定POD活性，硫代巴比妥酸比色法測定MDA含量，游離脯氨酸測定采用磺基水楊酸，膜透性測定采用（DDS-11A）電導法。

1.3 評價方法以及數(shù)據(jù)處理

通過測定各項指標后，得出4種濕地植物耐澇性相關結論，結合模糊隸屬函數(shù)法對數(shù)據(jù)進行綜合分析，以最終確定各種植物的抗性強弱。

模糊隸屬函數(shù)法是根據(jù)模糊數(shù)學的原理，利用隸屬函數(shù)進行綜合評估。一般步驟為：首先利用隸屬函數(shù)給定各項指標在閉區(qū)間[0，1]內相應的數(shù)值，稱為“單因素隸屬度”，對各指標作出單項評估。然后對各單因素隸屬度進行加權算術平均，計算綜合隸屬度，得出綜合評估的指標值。其結果越接近0越差，越接近1越好。

計算方法如下：

式中，Uij表示i植物的j指標單因素隸屬函數(shù)值；Xij表示測得的i植物j指標值；Xjmin表示測得的j指標數(shù)據(jù)中最小值；Xjmax表示測得的j指標數(shù)據(jù)中最大值；表示Uij的算術平均值。

2 結果分析

2.1 澇害脅迫對4種濕地植物的影響

2.1.1 澇害脅迫下可溶性蛋白質含量的變化 在逆境條件下，植物的基因表達發(fā)生改變，關閉一些正常表達的基因，啟動一些與逆境相適應的基因。蛋白質的產(chǎn)生是基因表達結果的體現(xiàn)。

由圖1可知，澇害條件下，4種植物的蛋白質含量變化均較無規(guī)律，除千屈菜在10 d后死亡外，其他3種都呈現(xiàn)雙峰變化，這可能與質膜破壞蛋白質擴散到體外有一定關系。其中茭白和澤瀉的含量水平較高，說明其抗性較弱，菖蒲的含量雖變化較大，但始終保持在低水平，所以耐澇性相對略強。

2.1.2 澇害脅迫下細胞膜透性的變化 細胞膜能使植物從周圍的環(huán)境中不斷的取得所需要的水分、鹽類和其他必需的物質，同時又把代謝的廢物排除到體外，而又不使植物體內外的有用成分任意的流失，從而保證細胞具有一個合適而相對穩(wěn)定的內環(huán)境[3]。

由圖2可知，4種濕地植物在淹水環(huán)境下葉片的細胞膜系統(tǒng)遭到破壞，細胞膜透性增大，從而導致電導率上升，但隨著脅迫的加強，各種植株表現(xiàn)一定的抗性，電導率下降，整個表現(xiàn)為先升后降的趨勢。茭白、菖蒲和澤瀉在淹水脅迫4 d后出現(xiàn)最高峰，相比原先分別增加了33.7%、81.9%、15.1%，而千屈菜在淹水脅迫6 d后才出現(xiàn)最高峰，但在脅迫10 d就趨于死亡，所以4種濕地植物中澤瀉耐澇性最強，茭白其次，千屈菜最弱。

圖1 澇害脅迫對4種濕地植物蛋白質含量的影響Figure 1 Influence of waterlogging stress on soluble protein content in tested plants

圖2 澇害脅迫對4種濕地植物細胞膜透性的影響Figure 2 Influence of waterlogging stress on membrane permeability in tested plants

2.1.3 澇害脅迫下葉綠素含量的變化 葉綠素是植物進行光和作用的主要色素，代謝十分活躍，更新周期短。葉綠素的含量與植物光和作用關系密切，一般情況下，植物受到脅迫時，脂質過氧化作用引起葉綠素分解，葉綠素的含量也就相應的降低了[4～6]，膜結果破壞。

由圖3可知，4種濕地植物在淹水脅迫下，隨著時間的延長，葉綠素含量都表現(xiàn)下降趨勢，在淹水脅迫6 d后，茭白、菖蒲和澤瀉相比原先葉綠素含量分別下降了43.7%、19.4%、17.8%，而千屈菜在淹水脅迫10 d后死亡，所以，4種濕地植物的耐澇性強弱：澤瀉＞菖蒲＞茭白＞千屈菜。

2.1.4 澇害脅迫下SOD和POD活性的變化 植物的很多生理代謝過程都與活性氧的作用密切相關[7]。植物體內自由基積累，啟動細胞膜脂過氧化作用是造成細胞膜系統(tǒng)受損傷、植物體受危害的重要原因。當活性氧積累時，由于活性氧具有極高的氧化還原活性，所以能與細胞中眾多生物分子發(fā)生反應，使它們失去生物活性造成機體損傷[8]。植物體內的SOD和POD是生物自由基的清除劑，在防御植物活性氧傷害方面具有重要作用[9]。

由圖4可知，菖蒲等4種濕地植物在淹水過程中，功能葉SOD和POD總活性變化都是呈先升后降的變化趨勢。澤瀉在淹水脅迫第6天SOD出現(xiàn)最高峰，相比原來增加了73.8%，菖蒲和茭白分別在第8 d和第10 d出現(xiàn)最高峰，相比原先SOD活性分別增加了54.1%、43.1%，千屈菜在第10 d后死亡，所以4種濕地植物耐澇性強弱：澤瀉＞菖蒲＞茭白＞千屈菜。

圖3 澇害脅迫對4種濕地植物葉綠素含量的影響Figure 3 Influence of waterlogging stress on chlorophyll content in tested plants

圖4 澇害脅迫對4種濕地植物SOD活性的影響Figure 4 Influence of waterlogging stress on SOD activity in tested plants

由表1可知，菖蒲在淹水2 d后POD活性出現(xiàn)最高峰，澤瀉和茭白都在脅迫4 d后出現(xiàn)最高峰。千屈菜在脅迫第4 d出現(xiàn)最高峰，但在脅迫10 d后死亡。在淹水脅迫時，POD活性的升高的生理學意義就在于保護細胞膜，越早出現(xiàn)高峰，耐澇性越強，所以從浸水后植物POD活性看澤瀉耐澇性最強，千屈菜最弱。

2.1.5 澇害脅迫下Pro含量的變化 逆境下植物葉片游離脯氨酸累積，原因一是葉片組織多種酶活性降低，脯氨酸氧化受阻，造成游離脯氨酸累積；二是谷氨酸合成脯氨酸的速度增加。脯氨酸可提高植物細胞原生質滲透壓，防水分散失以及提高原生質膠體的穩(wěn)定性，從而提高植物體抗性[10]。

表1 澇害脅迫對4種濕地植物POD活性的影響Table 1 Influence of waterlogging stress on POD in tested plants ΔA470/min·g-1FW

由圖5可知，4種植物Pro含量隨著淹水時間的延長表現(xiàn)為先升后降的趨勢。菖蒲增勢在淹水第2 d就表現(xiàn)明顯，上升了267%，并且在脅迫的8 d出現(xiàn)最高峰。澤瀉在淹水脅迫第8天出現(xiàn)最高峰，相比原先增加了401%，茭白在脅迫第12 d才出現(xiàn)最高峰，千屈菜在淹水脅迫10 d后死亡，所以由Pro的含量判斷4種濕地植物的耐澇性強弱：澤瀉＞菖蒲＞茭白＞千屈菜。

2.1.6 澇害脅迫下MDA含量的變化 MDA的積累量是判斷膜脂過氧化作用的一個重要指標[11]。土壤淹水后旱地作物葉片受傷害的程度與體內膜脂過氧化產(chǎn)物MDA的積累一致[12]，即MDA含量上升幅度越高則代表植株所受活性氧傷害越大，在淹水環(huán)境下植株表現(xiàn)的耐澇性越弱。

由圖6可知，菖蒲、澤瀉和茭白都在淹水第12天后出現(xiàn)最高峰，丙二醛含量相比原先分別增加了102%、160%、328%，而千屈菜在淹水脅迫10 d后死亡，所以由此得出耐澇性菖蒲和澤瀉較強，茭白較弱，千屈菜最弱。

圖5 澇害脅迫對4種濕地植物脯氨酸含量的影響Figure 5 Influence of waterlogging stress on Pro content in tested plants

圖6 澇害脅迫對4種濕地植物MDA含量的影響Figure 6 Influence of waterlogging stress on MDA in tested plants

3 小結與討論

（1）在水分脅迫下，4種濕地植物的葉綠素含量均表現(xiàn)為下降的趨勢。澇害脅迫試驗表明，澤瀉下降幅度較為緩慢，茭白葉綠素含量變化相比菖蒲較小，千屈菜在淹水脅迫10 d后提前死亡。若以葉綠素下降的幅度為標準，則4種濕地植物的耐淹水能力順序為：澤瀉＞茭白＞菖蒲＞千屈菜。綠素含量變化，在淹水脅迫下，澤瀉降幅較低，說明這種植物在逆境中的自我調節(jié)能力相對較強。

植物細胞原生質膜對逆境非常敏感。水分脅迫至一定程度下，植物細胞的膜系統(tǒng)被破壞，內含物失去控制，質膜透性增加，胞液離子外滲。4種濕地植物在逆境中細胞膜遭到破壞，膜蛋白變構和膜脂呈有序排列致使膜脂相對透性增大，從而使細胞內的電解質外滲，以致植物細胞浸提液的電導率增大。

（2）在淹水脅迫條件下，澤瀉的細胞膜透性相比其他3種濕地植物下降幅度最小，表明其細胞膜抵御淹水脅迫的能力最強，茭白其次，千屈菜提前死亡可見耐澇性最弱。

（3）淹水脅迫下，菖蒲的MDA含量在淹水第12天后出現(xiàn)高峰，并且相比原來MDA含量增加幅度最小，只有102%，耐澇性最強，千屈菜在淹水脅迫10 d后死亡，表明其耐澇性最差。

（4）在水分脅迫下，4種植物體內的SOD活性和POD活性表現(xiàn)先升高后下降的變化趨勢。澤瀉在淹水脅迫6 d后SOD就出現(xiàn)最高峰，相比原來增加了73.8%，菖蒲和茭白分相比原先SOD活性分別增加了54.1%、43.1%，所以4種濕地植物的耐澇性強弱：澤瀉＞菖蒲＞茭白＞千屈菜。

（5）在淹水脅迫下，澤瀉的Pro含量增幅最大，茭白較小，千屈菜提前死亡，由此可以判斷耐澇性強弱：澤瀉＞菖蒲＞茭白＞千屈菜。

（6）綜合評價：結合4種濕地植物在水分脅迫下各項生理指標的變化，再根據(jù)模糊隸屬函數(shù)法，利用公式計算出各植株相應指標的隸屬函數(shù)值（表2）。

表2 4種濕地植物耐澇生理指標值的綜合評判結果Table 2 Comparisons on physiological indicators of tested plants

在耐澇性實驗中，4種濕地植物各項生理指標變化所表現(xiàn)的耐澇性強弱與隸屬函數(shù)法得到的隸屬函數(shù)均值基本符合，所以耐澇性能力排序為：菖蒲＞澤瀉＞茭白＞千屈菜。

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