淹水脅迫對(duì)楓楊等3個(gè)樹(shù)種生理生化特性的影響

龐宏?yáng)|，胡興宜，胡文杰，周文昌，王曉榮

（湖北省林業(yè)科學(xué)研究院，湖北 武漢 430075）

淹水脅迫是季節(jié)性淹水江灘地上最常見(jiàn)的逆境脅迫因子，長(zhǎng)江中下游灘地由于每年江河水位的季節(jié)性變動(dòng)，形成冬陸夏水這種獨(dú)特的季節(jié)性淹水特征，大部分灘地每年都有1個(gè)月左右的淹水時(shí)間。這對(duì)灘地造林造成了極大的影響，不但影響了樹(shù)木的正常生長(zhǎng)，嚴(yán)重淹水甚至?xí)?dǎo)致苗木的死亡。研究發(fā)現(xiàn)，淹水脅迫可影響到植物形態(tài)結(jié)構(gòu)[1-2]、光合生理[3-5]以及酶系統(tǒng)調(diào)節(jié)[6-7]等多方面，而植物對(duì)淹水脅迫響應(yīng)的適應(yīng)機(jī)制又包含著極其復(fù)雜的生理生化過(guò)程[8]。因此，研究植物在淹水脅迫下的生理生態(tài)響應(yīng)過(guò)程及其機(jī)理已經(jīng)逐漸成為植物逆境研究的熱點(diǎn)之一[9-10]。淹水脅迫，會(huì)造成植物根部缺氧，影響根系呼吸，使自由基產(chǎn)生積累，促使MDA和H2O2大量形成，從而對(duì)植物形成傷害[11]。SOD是植物酶促防御體系主要的保護(hù)酶，是有機(jī)體內(nèi)的天然消除劑，可以有效地除去植物體化學(xué)反應(yīng)中所產(chǎn)生的活性氧，POD和CAT具有分解H2O2的作用，這幾種酶的協(xié)同作用能有效減輕活性氧對(duì)植物體的傷害，抑制MDA的形成[12]。因此，通過(guò)研究植物體內(nèi)MDA含量及SOD、POD、CAT等酶活性的變化，可了解植物對(duì)逆境的適應(yīng)能力。

楓楊Pterocarya stenoptera、落羽杉Taxodium distichum和楓香Liquidambar formosana等為長(zhǎng)江中下游地區(qū)常見(jiàn)的用材樹(shù)種，耐水淹能力較強(qiáng)，不僅具有良好抑螺作用，還能獲得一定的經(jīng)濟(jì)收益，在灘地血防林的建設(shè)中，具有較高的推廣利用價(jià)值。近年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)這幾個(gè)樹(shù)種耐水淹能力進(jìn)行了相關(guān)的研究[13-17]，但對(duì)在淹水脅迫下其生理生化變化方面的研究較少。本試驗(yàn)通過(guò)人工模擬季節(jié)性淹水過(guò)程，研究淹水脅迫對(duì)這3個(gè)樹(shù)種內(nèi)部生理生化指標(biāo)的影響，探討植物對(duì)淹水脅迫的適應(yīng)機(jī)制，為季節(jié)性淹水灘地造林和治理開(kāi)發(fā)提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)地點(diǎn)位于湖北省林業(yè)科學(xué)研究院內(nèi)，2016年3月選取生長(zhǎng)良好、長(zhǎng)勢(shì)較為一致的楓楊、楓香、落羽杉1—2年生幼苗進(jìn)行盆栽養(yǎng)護(hù)，2016年7月18日移入淹水池中進(jìn)行淹水處理。共設(shè)7個(gè)模擬處理組，分別為:A組，短期漬水（水面與土壤表面持平，28 d后解除漬水恢復(fù)正常生長(zhǎng)）；B組，長(zhǎng)期漬水（水面與土壤表面相平，漬水時(shí)間超過(guò)56 d）；C組，短期輕度淹水（水面在土壤表面10 cm以下，28 d后解除淹水恢復(fù)正常生長(zhǎng)）；D組，長(zhǎng)期輕度淹水（水面在土壤表面10 cm以下，淹水時(shí)間超過(guò)56 d）；E組，短期深度淹水（水面保持在土壤表面50 cm處，頂端不淹入水中，28 d后解除淹水恢復(fù)正常生長(zhǎng)）；F組，長(zhǎng)期深度淹水（水面保持在土壤表面50 cm處，頂端不淹入水中，淹水時(shí)間超過(guò)56 d）；CK，對(duì)照組，不淹水，常規(guī)管理。每個(gè)處理5株，取3株用于指標(biāo)測(cè)定，其余留作觀測(cè)。

1.2 數(shù)據(jù)測(cè)定與分析方法

2016年7月18 日開(kāi)始淹水，從淹水之日起，每間隔7 d選取植株幼嫩葉片分別測(cè)定超氧化物歧化酶（SOD）、過(guò)氧化物酶（POD）、過(guò)氧化氫酶（CAT）活性以及丙二醛 ( MDA ) 含量，一共連續(xù)測(cè)定9次，每處理每次測(cè)定3個(gè)重復(fù)。這4個(gè)生理指標(biāo)的測(cè)定均參考李合生的測(cè)定方法[18]。其中SOD活性采用氮藍(lán)四唑（NBT）光還原法測(cè)定，POD活性采用愈創(chuàng)木酚顯色法測(cè)定，CAT活性采用紫外吸收法測(cè)定，MDA含量采用硫代巴比妥酸（TBA）比色法測(cè)定。吸光值測(cè)定均使用德國(guó)耶拿公司產(chǎn)的Specord?200 plus紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)定結(jié)果用Excel和SPSS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 淹水脅迫對(duì)超氧化物歧化酶（SOD）活性的影響

淹水后，楓楊和楓香SOD活性與CK相比明顯下降，落羽杉SOD活性呈現(xiàn)出升高-降低-升高波狀變化（圖1）。楓楊B組與CK相比減少9.55%，D組減少10.17%，F(xiàn)組減少9.13%，與CK相比均存在顯著差異（P＜0.05）。楓香B組與CK相比減少5.75%，但無(wú)顯著差異；D組與CK相比減少8.12%，存在顯著差異；F組與CK相比減少13.41%，存在極顯著差異（P＜0.01）。落羽杉B組與CK相比增加了2.44%，D組與CK相比減少了6.21%，F(xiàn)組與CK相比減少2.7%，但3個(gè)處理組與CK間均無(wú)顯著差異。不同淹水深度處理下，楓楊F組SOD活性最高，D組SOD活性最低，但3個(gè)處理間無(wú)顯著差異；楓香隨淹水深度增加SOD活性逐漸減少，且B組與F組間存在顯著差異；落羽杉B組SOD活性最高，D組SOD活性最低，兩處理組間存在顯著差異。

隨著淹水時(shí)間的延長(zhǎng)，楓楊只有F組淹水21 d后SOD活性顯著低于淹水前，B組、D組淹水后SOD活性與淹水前均無(wú)顯著差異。楓香3個(gè)處理組淹水一段時(shí)間后SOD活性均顯著低于淹水前。落羽杉只有B組淹水14 d時(shí)SOD活性顯著高于淹水前，D組、F組淹水后SOD活性與淹水前無(wú)顯著差異。

圖1 淹水脅迫下3個(gè)樹(shù)種SOD活性的動(dòng)態(tài)變化Fig. 1 Changes of SOD activity of three tree species under waterlogging stress

淹水脅迫解除后，楓楊和楓香SOD活性明顯增加，高于未解除淹水脅迫的處理組，但低于CK，3個(gè)處理組解除脅迫后與CK均無(wú)顯著差異；楓楊只有C組解除脅迫后顯著高于D組，楓香只有E組解除后顯著高于F組。而落羽杉解除脅迫后，不同處理間SOD活性變化不盡相同；A組與E組解除脅迫后SOD活性均低于未解除淹水脅迫的處理組，無(wú)顯著差異；而C處理解除脅迫后稍高于D處理；3個(gè)處理組解除脅迫后與CK均無(wú)顯著差異。

2.2 淹水脅迫對(duì)過(guò)氧化物酶（POD）活性的影響

淹水后，楓楊POD活性降低，楓香POD活性在前期迅速降低，然后升高并維持在一個(gè)較高的水平上，落羽杉POD活性明顯降低（圖2）。楓楊B組POD活性平均值與CK相比減少14.19%，D組減少8.23%，F(xiàn)組減少13.13%，B組與CK存在顯著差異。楓香B組POD活性平均值與CK相比增加52.90%，D組增加42.08%，F(xiàn)組增加了25.10%，B組、D組與CK間存在極顯著差異，F(xiàn)組與CK存在顯著差異。落羽杉B組POD活性平均值與CK相比減少28.48%，D組減少25.33%，F(xiàn)組減少29.43%，3個(gè)處理組與CK均存在極顯著差異。不同淹水深度處理下，楓楊B組POD活性最高，D組POD活性最低，3個(gè)處理組間無(wú)顯著差異；楓香隨淹水深度增加，POD活性逐漸降低，B組與F組間存在顯著差異；落羽杉D組POD活性最高，F(xiàn)組POD活性最低，3個(gè)處理組間無(wú)顯著差異。

隨淹水時(shí)間的延長(zhǎng)，楓楊3個(gè)處理組淹水一段時(shí)候后POD活性均顯著低于淹水前。楓香B組和F組淹水前后無(wú)顯著差異，D組淹水56 d時(shí)POD活性顯著低于淹水前。落羽杉B組、D組淹水一段時(shí)候后POD活性均顯著低于淹水前，F(xiàn)組淹水前后POD活性無(wú)顯著差異。

淹水脅迫解除后，楓楊、落羽杉POD活性明顯增加，高于未解除淹水脅迫的處理組，與CK無(wú)顯著差異，僅E解除后與F存在顯著差異。楓香解除脅迫后POD活性明顯高于CK，A組解除后低于B組，C組解除后稍高于D組，E組解除后稍高于F組，均無(wú)顯著差異，3個(gè)處理組解除脅迫后均極顯著高于CK。

2.3 淹水脅迫對(duì)過(guò)氧化氫酶（CAT）活性的影響

圖2 淹水脅迫下3個(gè)樹(shù)種POD活性的動(dòng)態(tài)變化Fig. 2 Changes of POD activity of three tree species under waterlogging stress

圖3 淹水脅迫下3個(gè)樹(shù)種CAT活性的動(dòng)態(tài)變化Fig. 3 Changes of CAT activity of three tree species under waterlogging stress

淹水后，楓楊、楓香、落羽杉CAT活性變化均呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢(shì)（圖3）。楓楊B組CAT活性與CK相比增加3.71%，D組增加1.75%，F(xiàn)組增加15%，但3個(gè)處理組與CK均無(wú)顯著差異。楓香B組CAT活性與CK相比增加11.84%，D組增加18.69%，F(xiàn)組增加20.96%，只有F組與CK存在顯著差異。落羽杉B組CAT活性與CK相比增加7.58%，D組增加5.24%，F(xiàn)組增加31.57%，只有F組與CK存在極顯著差異。不同淹水深度處理下，楓楊F組CAT活性最高，D組CAT活性最低，但3個(gè)處理組間無(wú)顯著差異；楓香隨淹水深度增加，CAT活性逐漸增加，但3個(gè)處理組間無(wú)顯著差異。落羽杉與楓楊相似，F(xiàn)組CAT活性最高，D組CAT活性最低，F(xiàn)組CAT活性極顯著高于B組和D組。

隨著淹水時(shí)間的延長(zhǎng)，楓楊3個(gè)處理組淹水前后均無(wú)顯著差異。楓香只有B組淹水35 d時(shí)CAT活性顯著高于淹水前，D組、F組淹水前后均無(wú)顯著差異。落羽杉B組、D組淹水后與淹水前無(wú)顯著差異，F(xiàn)組淹水一段時(shí)間后CAT活性顯著高于淹水前。

解除淹水脅迫后，楓楊CAT活性增加，高于未解除淹水脅迫的處理組，也高于CK組；A組解除后極顯著高于CK和B組；C組解除后，顯著高于CK，但與D組無(wú)顯著差異；E組解除后極顯著高于CK，顯著高于F組。楓香解除脅迫后高于未解除淹水脅迫的處理組，極顯著高于CK組；A組解除后顯著高于B組，C組解除后與D組無(wú)顯著差異，E組解除后顯著高于F組。落羽杉解除脅迫后高于未解除淹水脅迫的處理組，極顯著高于CK組；A組解除脅迫后與B組無(wú)顯著差異，C組解除后顯著高于D組，E組與F組無(wú)顯著差異。

2.4 淹水脅迫對(duì)丙二醛（MDA）含量的影響

淹水后，不同樹(shù)種MDA含量變化不盡相同（圖4）。楓楊MDA含量在淹水前期顯著增加，后期降低，總體上仍高于CK組，B組與CK相比增加15.27%，D組增加12.65%，F(xiàn)組增加7.36%，但3個(gè)處理組與CK相比均無(wú)顯著差異。楓香淹水后，MDA含量迅速升高，然后維持在一個(gè)較高的水平上，B組與CK相比增加116.70%，D組增加88.60%，F(xiàn)組增加99.42%，3個(gè)處理組與CK均存在極顯著差異。落羽杉淹水后，呈現(xiàn)出降低-升高-降低的趨勢(shì)，B組與CK相比增加0.98%，D組增加2.94%，F(xiàn)組增加19.71%，與但3個(gè)處理組與CK相比均無(wú)顯著差異。不同淹水深度處理下，楓楊隨淹水深度增加，MDA含量呈現(xiàn)出遞減趨勢(shì)；而落羽杉隨淹水深度增加，MDA含量呈現(xiàn)出逐漸增加趨勢(shì)；楓香B組MDA含量最高，D組MDA含量最低；但3個(gè)樹(shù)種在不同淹水深度處理下均無(wú)顯著差異。

圖4 淹水脅迫下3個(gè)樹(shù)種MDA含量的動(dòng)態(tài)變化Fig.4 Changes of MDA content of three tree species under waterlogging stress

隨著淹水時(shí)間的延長(zhǎng)，楓楊在淹水前期MDA含量極顯著高于淹水前，到淹水后期時(shí)MDA含量與淹水前已經(jīng)無(wú)顯著差異。楓香MDA含量淹水前最低，淹水一段時(shí)間后MDA含量顯著高于淹水前。而落羽杉淹水后MDA含量普遍降低，B組淹水49 d后MDA含量顯著低于淹水前；D組、F組淹水后MDA含量與淹水前無(wú)顯著差異。

淹水脅迫解除后，楓楊MDA含量高于未解除淹水脅迫的處理組，也高于CK組，其中A組顯著高于B組和CK，C組顯著高于D組和CK，E組高于F組和CK，但無(wú)顯著差異。楓香MDA含量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，極顯著高于CK組，也高于未解除淹水脅迫的處理組，其中C組、E組顯著高于未解除脅迫的處理組，A組與B組無(wú)顯著差異。落羽杉MDA含量高于未解除淹水脅迫的處理組，但僅C組與D組存在顯著差異，且3個(gè)處理組與CK均無(wú)顯著差異。

3 結(jié)論與討論

（1）經(jīng)過(guò)56 d長(zhǎng)期淹水后，所有試驗(yàn)苗木存活率均為100%，且試驗(yàn)結(jié)束后將長(zhǎng)期淹水組的苗木繼續(xù)淹水過(guò)冬觀察，至2017年5月止，所有苗木仍能正常存活，并長(zhǎng)出嫩枝和新葉，這證明楓楊、楓香、落羽杉等3個(gè)樹(shù)種可耐長(zhǎng)期水淹，對(duì)淹水脅迫具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。對(duì)于楓香，以前國(guó)內(nèi)外普遍認(rèn)為只耐干旱貧瘠，不耐水濕，而近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，楓香也具有較強(qiáng)的耐水淹能力[19-20]，孫海菁等[15]研究也發(fā)現(xiàn)5個(gè)不同楓香種源經(jīng)過(guò)120 d的淹水后存活率均為100%，本試驗(yàn)結(jié)果也證明了楓香具有很強(qiáng)的耐水淹能力，可適合在江灘地上推廣種植。

（2）不同淹水深度脅迫下，楓楊SOD、POD、CAT活性無(wú)顯著差異；楓香隨著淹水深度增加，SOD、POD活性逐漸減少，且漬水與深度淹水間存在顯著差異；CAT活性隨淹水深度增加而逐漸增加，但不同淹水深度間無(wú)顯著差異。落羽杉漬水時(shí)SOD活性最高，顯著高于輕度淹水時(shí)；深度淹水時(shí)CAT活性最高，極顯著高于漬水和輕度淹水時(shí)；POD活性不同淹水深度處理下無(wú)顯著差異。陳桂芳等人[21]對(duì)耐水淹能力極強(qiáng)的水松的研究結(jié)果與本試驗(yàn)結(jié)果較為相似。

（3）隨著淹水時(shí)間的延長(zhǎng)，楓楊、楓香、落羽杉SOD等保護(hù)酶活性多呈現(xiàn)出降低-升高-降低的波狀起伏變化。楓香淹水一段時(shí)間后SOD活性顯著低于淹水前，楓楊、落羽杉淹水一段時(shí)間后POD活性也顯著低于淹水前，而楓楊、楓香、落羽杉的CAT活性在淹水前后變化不大。淹水解除脅迫后，楓楊等3樹(shù)種的SOD等保護(hù)酶活性明顯增加。這可能是由于楓楊等樹(shù)種在淹水后，體內(nèi)SOD等保護(hù)酶活性增加，消除了植物體內(nèi)的活性氧，抑制和降低了MDA的含量，在淹水一段時(shí)間后，形成了對(duì)淹水環(huán)境的適應(yīng)，從而使SOD等保護(hù)酶活性形成了新的動(dòng)態(tài)平衡。這與張往祥等人[22]對(duì)落羽杉的研究結(jié)果不盡相同，而李紀(jì)元[13]的研究發(fā)現(xiàn)楓楊在短期淹水脅迫下，SOD、POD活性下降，這與本研究結(jié)果較為相似。武燕奇等人[23]在研究板栗的抗逆生理時(shí)也發(fā)現(xiàn)隨著干旱時(shí)間的延長(zhǎng)，板栗葉片中SOD活性也呈現(xiàn)出降低-升高-降低的趨勢(shì)。

（4）丙二醛（MDA）為植物膜脂過(guò)氧化作用的最終產(chǎn)物，具有細(xì)胞毒性，能與膜結(jié)構(gòu)上的酶類(lèi)結(jié)合使其失去活性，通常利用其表示細(xì)胞膜脂過(guò)氧化程度及植物對(duì)逆境條件反應(yīng)的強(qiáng)弱[24-25]。淹水后，楓楊、楓香的MDA含量顯著增加，楓香MDA含量增加最為明顯，后期MDA含量下降，說(shuō)明楓楊、楓香等在淹水后受到了一定的傷害，但隨著對(duì)淹水環(huán)境的適應(yīng)，受傷害的程度由強(qiáng)轉(zhuǎn)弱。落羽杉為沼生植物，淹水環(huán)境更適合其生長(zhǎng)，因而淹水后MDA含量反而降低。