10種蘚類植物的耐旱性能研究

朱克凇，丁曉璐，李易衡，師瑞萍

(1.江蘇省無錫開放大學(xué)，江蘇無錫 214000；2.上海中醫(yī)藥大學(xué)，上海 201203；3.江蘇省徐州市第一中學(xué)，江蘇徐州221002；4.上海自然博物館(上?？萍拣^分館)，上海 200041)

苔蘚植物是高等植物中最原始的類群，是生物多樣性重要的組成部分，其物種豐富度在高等植物中僅次于被子植物。我國苔蘚植物種類豐富，大約有3 460種[1]。作為自然界主要拓荒者之一，苔蘚植物具有很強(qiáng)的耐旱能力，能夠生長在裸露的巖壁和極端干旱的環(huán)境中[2]。由于全球氣候變暖的影響，各地旱災(zāi)日益頻發(fā)，尤其是城市化的進(jìn)程加快導(dǎo)致城市出現(xiàn)熱島效應(yīng)。城市綠化是唯一具有生命的基礎(chǔ)設(shè)施，具有降溫增濕、固碳釋氧、滯塵殺菌等功能，是城市環(huán)境生態(tài)修復(fù)的一個主要途徑[3-4]。苔蘚綠化在城市綠化中是一個新興的應(yīng)用領(lǐng)域，具有質(zhì)量輕、對基質(zhì)要求低、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，同時又不受城市用地指標(biāo)的制約，可利用墻面、屋頂及道路邊坡等特殊生境實(shí)現(xiàn)綠化，是立體綠化、生態(tài)建筑和郁閉林地綠化的理想植物材料。在這種情況下，如能對苔蘚植物的耐旱能力進(jìn)行研究，篩選出具有較強(qiáng)耐旱能力的苔蘚植物應(yīng)用于城市綠化，可節(jié)約大量的水資源，調(diào)節(jié)城市小氣候，改善生態(tài)環(huán)境。因此，耐旱苔蘚在城市環(huán)境監(jiān)測和綠化中蘊(yùn)含著廣闊的應(yīng)用前景。

不同的苔蘚植物耐旱能力差異較大，從數(shù)小時到十幾年。生長在熱帶云霧林中的泥炭蘚(Sphagnum)和白發(fā)蘚(Leucobryum)只能忍耐幾個小時到幾天的干旱[5]。Keever[6]發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的闊葉紫萼蘚(Grimmialaevigata)的干標(biāo)本能存活3年以上，只有20%的標(biāo)本在保存10年后經(jīng)復(fù)水成活。但有些蘚類，如叢本蘚(Anoectangiumcompactum)在保存19年后仍具有活力[7]。為了篩選出抗旱能力強(qiáng)的苔蘚植物，筆者對采自江西省井岡山自然保護(hù)區(qū)的10種蘚類植物進(jìn)行干旱脅迫，研究了其在干旱脅迫后再復(fù)水過程中的植物體含水量及光合作用效率變化，分析了其抗旱能力，以期為今后開展規(guī)模化生產(chǎn)應(yīng)用于城市綠化提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1材料以長葉絹蘚[Entodonlongifolius(C.Muell.)Jaeg.]、紫萼蘚(Grimmiasp.)、密枝灰蘚(HypnumdensirameumAndo)、檜葉白發(fā)蘚[Leucobryumjuniperoides(Brid.)C.Muell.]、尖葉匐燈蘚[Plagiomniumcuspidatum(Hedw.)T.Kop.]、圓葉匐燈蘚[Plagiomniumvesicatum(Besch.)T.Kop.]、硬葉小金發(fā)蘚[Pogonatumneesii(C.Muell.)Dozy]、小扭口蘚[Semibarbulaorientalis(Web.)Wijk & Marg.]、擬闊葉小石蘚(WeisiaplatyphylloidesCard.)、褶葉小墻蘚[Weisiposisanomala(Broth.& Par.)Broth.]10種具有一定觀賞價(jià)值又具有相對耐旱能力的蘚類作為研究材料。研究材料于2013年10月采自江西省井岡山市井岡山自然保護(hù)區(qū)(114°04′47.93″E～114°08′27.44″E、26°29′49.72″N～26°35′58.05″N，海拔906～1 500 m)，均為土生。

1.2方法

1.2.1樣品處理。將試驗(yàn)材料在適量水中浸泡一段時間，去除泥土，用吸水紙將蘚類植物表面的水分吸干，放到?jīng)]有蓋的培養(yǎng)皿中。

1.2.2干旱處理。將蘚類植物放進(jìn)人工智能氣候箱(溫度28 ℃，無光照)，干燥培養(yǎng)。

1.2.3干旱處理階段蘚類質(zhì)量的測定。分別在干旱處理前，干旱處理24、48、120 h后，稱量每種蘚類植物材料的質(zhì)量，記錄結(jié)果。

1.2.4干旱復(fù)水處理。在蘚類植物干旱處理120 h后，用滴管向每種蘚類植物中滴加20滴水，繼續(xù)放入培養(yǎng)箱培養(yǎng)。

1.2.5復(fù)水階段蘚類質(zhì)量和持水量的測定。在復(fù)水1和24 h分別對植物進(jìn)行稱量，計(jì)算持水量，記錄結(jié)果。

持水量=(復(fù)水處理后的質(zhì)量—復(fù)水處理前的質(zhì)量)/復(fù)水處理前的質(zhì)量

1.2.6葉片光合作用效率和植物抗逆性的測定。利用調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨xJunior-PAM，在復(fù)水前和復(fù)水1 h后，測定蘚類植物葉片的實(shí)際光合量子產(chǎn)量Y(Ⅱ)(實(shí)際光合效率)。

利用調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨xJunior-PAM，植物干旱處理72 h和復(fù)水24 h后，進(jìn)行非光化學(xué)淬滅系數(shù)NPQ(植物抗逆性)的測定。

檢測干旱處理和再復(fù)水的蘚類植物實(shí)際光合量子產(chǎn)量(實(shí)際光合效率)和的值。

1.2.7數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。每個處理重復(fù)3次，利用Excel軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析及制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1蘚類含水量的變化蘚類植物因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)的特殊性，葉片僅由單層細(xì)胞組成，不具保護(hù)組織和輸導(dǎo)組織，因此，當(dāng)環(huán)境溫度、濕度發(fā)生變化后，植物體會隨著環(huán)境的變化而迅速變化。最明顯的就是含水量的變化，即植物快速失水，因此含水量的變化量可以從一定角度反映出植物將外界脅迫危害降到最低的一種適應(yīng)性反應(yīng)。

2.1.1干旱處理階段蘚類質(zhì)量的變化。分別在干旱處理前以及干旱處理24、48、120 h后對材料進(jìn)行稱量，獲得平均質(zhì)量(表1)。

表1 10種蘚類植物失水后不同時間的質(zhì)量

干旱處理24 h后，10種蘚類植物的植株都失去綠色，呈灰褐色，葉片皺縮，且質(zhì)量都明顯下降，平均質(zhì)量降到原有的25.8%，失水量高低順序依次是檜葉白發(fā)蘚、密枝灰蘚、擬闊葉小石蘚、尖葉匐燈蘚、長葉絹蘚、褶葉小墻蘚、紫萼蘚屬、小扭口蘚、硬葉小金發(fā)蘚和圓葉匐燈蘚，其中前3種蘚類的質(zhì)量分別下降到原有質(zhì)量的11.5%、15.5%和16.1%。圖1表示10種蘚類植物干旱處理過程中的質(zhì)量變化趨勢，在干旱處理24 h后，蘚類植物的質(zhì)量處于一個穩(wěn)定范圍，變化很小。

圖1 10種蘚類植物干旱處理過程中質(zhì)量的變化趨勢Fig.1 The variation trend of 10 mosses weight during drought stress

2.1.2復(fù)水階段蘚類質(zhì)量的變化情況。干旱處理120 h后，先滴加20滴水讓其開始復(fù)水，之后繼續(xù)放入培養(yǎng)箱，讓植物保持水分，在復(fù)水1和24 h后分別對植物進(jìn)行稱量，獲得平均質(zhì)量。 由表2和圖2可知，干旱處理120 h后的蘚類在與水接觸后，葉片能夠迅速吸收水分，質(zhì)量變化明顯。10種蘚類植物復(fù)水1 h后，其復(fù)水能力順序依次是密枝灰蘚、尖葉匐燈蘚、擬闊葉小石蘚、褶葉小墻蘚、檜葉白發(fā)蘚、長葉絹蘚、圓葉匐燈蘚、紫萼蘚屬、硬葉小金發(fā)蘚和小扭口蘚。

2.2復(fù)水前后蘚類植物光合作用效率的情況當(dāng)植物受到脅迫的情況下，特別是干旱脅迫時，作為光合作用的重要來源，水分的缺失必定會影響到植物的光合作用。葉綠素?zé)晒鈨x可以有效地測定蘚類這種植株矮小、葉片幾乎看不清的植物的光合作用效率。Y(Ⅱ)代表了光量子實(shí)際產(chǎn)量，也是反映植物實(shí)際光合效率的指標(biāo)，當(dāng)植物受到脅迫后，Y(Ⅱ)會明顯降低，說明植物光合作用過程中電子傳遞的速率受到抑制，也反映了植物的代謝過程受到影響。

干旱處理6 d后，在10種蘚類植物復(fù)水前和復(fù)水1 h后測定其Y(Ⅱ)的值。由表3和圖3可知，與復(fù)水前相比，所有蘚類的實(shí)際光合效率都有顯著提高，其中密枝灰蘚、檜葉白發(fā)蘚和尖葉匐燈蘚3種蘚類增長幅度最大，分別增長至復(fù)水前的14.48、6.46和6.32倍。

表2 10種蘚類植物復(fù)水前后質(zhì)量變化情況

圖2 10種蘚類干旱處理后持水量Fig.2 Water capacity of 10 mosses after drought stress

種類Species復(fù)水前Y(Ⅱ)Y(Ⅱ)beforerehydration復(fù)水后Y(Ⅱ)Y(Ⅱ)afterrehydration長葉絹蘚Entodonlongifolius0.02080.0741紫萼蘚Grimmiasp.0.08680.3136密枝灰蘚Hypnumdensirameum0.01540.2230檜葉白發(fā)蘚Leucobryumjuniperoides0.02690.1739尖葉匐燈蘚Plagiomniumcuspidatum0.04810.3039圓葉匐燈蘚Plagiomniumvesicatum0.04050.0950硬葉小金發(fā)蘚Pogonatumneesii0.03610.0893小扭口蘚Semibarbulaorientalis0.09160.1491褶葉小墻蘚Weisiposisanomala0.05030.2046擬闊葉小石蘚Weisiaplatyphylloides0.06540.2625

圖3 復(fù)水后蘚類植物Y(Ⅱ)的增長倍數(shù)Fig.3 Growth times of Y(Ⅱ)values of 10 mosses after rehydration

2.3蘚類植物抗逆性(NPQ)的測定NPQ是植物光合作用中非光化學(xué)淬滅參數(shù)，可以反映植物耗散過剩光能為熱的能力，反映了植物的光保護(hù)能力。當(dāng)植物受到干旱脅迫時，外界的光對于植物來講提供的光能過多，此時植物需要通過非光化學(xué)淬滅的方式將接受的不能進(jìn)行光合作用的能量以熱能的形式散發(fā)掉，從而可以保護(hù)植物本身光合作用有關(guān)蛋白質(zhì)的功能活動，從而得以繼續(xù)生存下去。

試驗(yàn)對處理前、干旱3和6 d后的材料的NPQ值進(jìn)行測定。由表4可知，在10種蘚類植物中，大部分植株隨著干旱時間的延長，NPQ值減少，只有密枝灰蘚和擬闊葉小石蘚的NPQ值顯著上升。

表4 10種蘚類植物干旱處理前后NPQ的變化

3 結(jié)論與討論

苔蘚植物具有較強(qiáng)的忍耐干旱能力已經(jīng)受到國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注，作為一類變水植物，苔蘚植物必須忍耐極度的干燥速率，而這種快速失水速率對其他高等植物均是致命的[2]。隨著環(huán)境變干，苔蘚植物可將體內(nèi)的含水量降得很低，以休眠的狀態(tài)生存下來，一旦環(huán)境條件適合，又可以迅速地吸收水分，恢復(fù)正常的生理代謝活動。在長期的進(jìn)化過程中，有些耐旱苔蘚植物種類形成了一些特殊的形態(tài)以適應(yīng)干旱的環(huán)境，有的通過葉片的卷曲或改變?nèi)~片的伸展方向從而減少水分蒸發(fā)，有的葉片具有毛狀尖通過反射光照減少水分蒸發(fā)；有些種類的葉片具有疣或突起，也可以起到反射太陽輻射作用[8]。另一方面，苔蘚植物的耐旱能力是由于其具有一些特殊的生理特征的結(jié)果，研究發(fā)現(xiàn)耐旱蘚類對損傷的膜系統(tǒng)具有很強(qiáng)的修復(fù)能力，還與其細(xì)胞具有低水勢的特點(diǎn)密切相關(guān)[9]。

苔蘚植物在干旱條件下存活可以通過失水后生長速率和葉綠素含量變化來觀察，光合作用和呼吸作用常被用于測量變水植物的水分和生活力關(guān)系研究[10]。耐旱苔蘚植物在失水過程中散熱能力增強(qiáng)，能利用不穩(wěn)定的水分供給降低光損傷，從而使光合合成系統(tǒng)處于可恢復(fù)狀態(tài)[11-12]。

10種蘚類植物的含水量在干燥處理后均明顯下降，這與苔蘚植物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)特征有關(guān)。苔蘚植物缺乏維管組織，個體較小，在長期適應(yīng)環(huán)境過程中形成了一系列耐旱機(jī)制，并依靠這種機(jī)制調(diào)節(jié)其體內(nèi)含水量從而減輕干旱脅迫所造成的傷害。其中檜葉白發(fā)蘚、密枝灰蘚、擬闊葉小石蘚和尖葉匐燈蘚在干燥處理過程中表現(xiàn)出較強(qiáng)的快速失水能力，而在隨后的復(fù)水試驗(yàn)中，密枝灰蘚、尖葉匐燈蘚、擬闊葉小石蘚和褶葉小墻蘚則表現(xiàn)出快速的復(fù)水能力。10種蘚類在干旱處理6 d后復(fù)水1 h的實(shí)際光合效率都有顯著性的提高，其中密枝灰蘚、檜葉白發(fā)蘚和尖葉匐燈蘚表現(xiàn)最佳。在不同干燥時間下，只有密枝灰蘚和擬闊葉小石蘚的NPQ值顯著上升，說明這2種蘚類在干旱情況下仍能夠通過自身的調(diào)節(jié)將多余的光能耗散掉，從而起到保護(hù)作用。

綜上所述，密枝灰蘚、檜葉白發(fā)蘚、尖葉匐燈蘚和擬闊葉小石蘚4種蘚類在該研究各種處理中均表現(xiàn)出較強(qiáng)的適應(yīng)干旱環(huán)境能力，可作為今后城市綠地及園林綠化開發(fā)的理想材料。但是，該研究將10種蘚類植物剝離基質(zhì)后進(jìn)行光合作用測量會因?yàn)楦淖兯謫适Ш臀諚l件進(jìn)而影響到測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，在今后的研究中將進(jìn)一步對苔蘚植物進(jìn)行大棚移栽，利用脈沖式葉綠素?zé)晒庥?jì)，實(shí)地測量苔蘚這一類變水植物的光合作用。

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