紅花玉蕊對淡水全淹脅迫的生長及生理響應

梁 芳 黃壽镕 於艷萍 黃秋偉 張 繼 檀小輝

( 1. 玉林師范學院，廣西 玉林 537000；2. 廣州普邦園林股份有限公司，廣東 廣州 510600；3. 廣西壯族自治區(qū)亞熱帶作物研究所，廣西 南寧 530001)

紅花玉蕊（Barringtonia acutangula）為玉蕊科（Lecythidaceae）玉蕊屬（Barringtonia）植物，常綠小喬木，原產(chǎn)東南亞海濱地帶，我國已成功引種[1]。該植物常生長于潮濕的地方，具有一定的耐旱和抗?jié)衬芰?，有淡水紅樹植物的美稱[2]，同時具有較高的園林應用價值，可用于城市公園、居住區(qū)綠地、道路綠地等景觀綠化美化，尤其適于營造濕地景觀。

我國洪澇災害嚴重，澇害會導致很多植物成活率下降，生產(chǎn)力普遍降低[3]。淹水脅迫嚴重影響著植物的分布以及正常的生長發(fā)育[4]。近年來，國內(nèi)外學者對植物淹水脅迫響應上的研究也取得一定成果，如利容千等[5]發(fā)現(xiàn)在水淹脅迫下，植物體內(nèi)的抗氧化酶類能減輕水淹造成的危害，增加植物抗逆性。Ellison等[6]發(fā)現(xiàn)大紅樹（Rhizophora mangle）如遭受長時間淹沒，植株缺氧致植株生長受抑制，且不同的紅樹植物、半紅樹植物生長速率在同一逆境下會有所不同。Chen等[7]發(fā)現(xiàn)秋茄（Kandelia candel）生長在潮汐帶，受海水潮汐交替作用可促進其生長發(fā)育。刁俊明等[8]研究發(fā)現(xiàn)桐花樹（Aegiceras corniculatum）在淡水全淹90 d內(nèi)生長良好，在淹水為0～2/4水位360 d內(nèi)均保持很好的生長狀態(tài)。綜上諸多研究表明，耐水淹的植物應對淹水脅迫已經(jīng)形成內(nèi)在的響應機制，且響應機制因植物因環(huán)境而異[9-10]，因此對植物耐水淹確切機制的研究非常重要。

目前，國內(nèi)外對紅花玉蕊逆境中生理生化方面的研究極少，應對淹水脅迫逆境的研究更少。國內(nèi)外關于紅花玉蕊的研究多為植株根、莖、葉、果實等部位天然產(chǎn)物提取及活性成分分析上，Mukhlesur等[11]和Mills等[12]的研究發(fā)現(xiàn)紅花玉蕊也有較高的藥用價值。吳竹妍等[13]研究發(fā)現(xiàn)半紅樹植物玉蕊（Barringtonia racemosa）具有弱耐鹽性，但由于種種原因，現(xiàn)已經(jīng)被列入瀕危物種[14]，而隨著紅花玉蕊在國內(nèi)的成功引種，對水淹脅迫的相關研究便變得越來越迫切，隨著研究的不斷深入，紅花玉蕊的應用將越來越廣，將更有力地促使我國紅樹林維持濱海濕地生態(tài)平衡功能延伸到內(nèi)陸濕地生態(tài)系統(tǒng)中，對維護生態(tài)多樣性發(fā)揮重要作用。因此，本試驗研究潮汐系統(tǒng)下紅花玉蕊對淹水脅迫的響應，揭示紅花玉蕊對淹水脅迫的生理響應機制，獲得紅花玉蕊適生的淹水時長范圍，以期為城市內(nèi)河綠化美化、恢復紅樹林，濕地植被恢復適生樹種選擇提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

于2017年9月初將健壯且長勢一致的4月苗齡紅花玉蕊實生苗移栽到規(guī)格為13 cm×12 cm的營養(yǎng)袋中，營養(yǎng)袋中所用土壤為V（果園土）∶V（椰糠）=1∶1。幼苗放在廣西壯族自治區(qū)亞熱帶作物研究所溫室（108°70′38″E, 22°53′S3″N）內(nèi)精心管護6個月，植株無病蟲害、發(fā)育良好、生長較為一致，且幼苗高度已達（17±5） cm，葉片數(shù)（9±5）片后，可進行不同淹水時長脅迫處理。試驗期間以晴天為主，光熱資源充沛。

1.2 試驗方法

試驗由儲水槽、植物培養(yǎng)槽，定時器、水泵、過濾系統(tǒng)、補光系統(tǒng)及遮陰系統(tǒng)等組成模擬潮汐自動控制裝置，即用定時器來自動控制各處理槽里水泵的抽水時間，以達到所設置的試驗時間梯度。試驗于2018年3月7日—2018年4月4日，每天上午7：00在溫室大棚內(nèi)進行。設淹水時長為0（CK）、2、4、6、8、10、12 h/d，共7個處理，每個處理3次重復，每個重復4株紅花玉蕊苗。模擬半日潮，12 h為1個淹水周期，每個半日潮幼苗被淹沒時間為0、1、2、3、4、5、6 h。每7 d測1次生長指標，處理28 d后采樣，取紅花玉蕊幼苗中上部成熟葉進行各項生理指標測定。

1.2.1 形態(tài)指標調(diào)查

1）在淹水處理前后，用卷尺（精確到0.1 cm）測定植物株高，每株測定3次，取平均值。按公式（1）～（2）計算株高增長量（H1）和株高平均增長率（H2）。

式中：n為處理周數(shù)，且n≥1。

2）每株用游標卡尺（精確到0.02 mm）在東、西、南、北方向各測定2次地徑，取平均值，按（3）～（4）公式計算地徑增長量D1和地徑平均增長率（D2）。

式中：n為處理周數(shù)，且n≥1。

3）植株葉片數(shù)直觀且容易測定，直接讀取，記錄數(shù)據(jù)。按公式（5）～（6）計算葉片數(shù)變化量（L1）和葉片平均增長率（L2）。

式中：n為處理周期，且n≥1。

1.2.2 生理指標測定

超氧化物歧化酶(SOD)活性測定采用氮藍四唑法；過氧化物酶（POD）活性測定采用愈創(chuàng)木酚法；丙二醛（MDA）含量的測定采用硫代巴比妥酸氧化法；游離脯氨酸含量測定采用茚三酮比色法。吸光值測定均采用T6紫外可見分光光度計（北京普析通用儀器有限公司，中國）測定，各指標測定方法參照文獻[15]，但為最大限度保證在提取SOD和POD過程中這2種酶的活性，本研究所用研缽均在試驗前1晚置于-20 ℃冰箱預冷，第2天隨用隨取，所有樣品研磨全程研缽均置于冰上。

1.3 數(shù)據(jù)分析

所有試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2007整理后再用Graphpad Prism 7.0軟件制圖，數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析使用SPSS 19.0軟件，平均值間的比較采用單因素方差分析，多重比較采用Duncan檢驗法，顯著性檢驗水平均設置為0.05。

2 結果與分析

2.1 不同淹水時長對紅花玉蕊幼苗株高的影響

由圖1可知，淡水全淹脅迫下，不同淹水時長處理紅花玉蕊幼苗株高有所升高，處理期間幼苗株高總平均增量為1.5～2.0 cm，株高增量最小值出現(xiàn)在淹水8 h/d，各處理與CK相比差異不顯著，表明不同淹水時長對株高總增量影響不大。由表1可知，不同淹水時長對紅花玉蕊幼苗株高增長速率的影響差異不顯著，不同淹水天數(shù)對幼苗株高增長速率影響差異極顯著（P＜0.01）。Duncan多重比較分析結果如表2所示，隨著處理天數(shù)的增加，株高生長最大增長速率出現(xiàn)在0～7 d，較第2周、第4周呈顯著差異（P＜0.05），說明紅花玉蕊應對短時間全淹脅迫先采取“逃避策略”，株高先快速生長，但隨著淹水天數(shù)的增加株高增長速率有所抑制。

不同小寫字母表示差異顯著（P＜0.05）。圖 1 不同淹水時長對幼苗株高的影響Fig. 1 Effects of different flooding time on plant height

表 1 不同時長及天數(shù)對株高增長速率影響的方差分析Table 1 Variance analysis of the effects of different time and days on the growth rate of plant height

表 2 不同天數(shù)對株高增長速率均數(shù)的多重比較Table 2 Multiple comparative analysis of the average growth rate of plant height in different days

2.2 不同淹水時長對幼苗葉片數(shù)的影響

由圖2可知，隨著淹水時長的增大，紅花玉蕊幼苗葉片總變化量較CK無顯著差異，淹水8、12 h/d均出現(xiàn)負增長，且在淹水8 h/d時葉片數(shù)出現(xiàn)最低值，較淹水2 h/d的葉片數(shù)呈顯著差異（P＜0.05）?？梢娧退? h/d可能是幼苗葉片適生淹水脅迫的臨界時間，淹水10 h/d反而出現(xiàn)正增長可能是與紅花玉蕊應對淹水脅迫內(nèi)在的生理響應系統(tǒng)相關。由表3可知，淡水全淹脅迫不同時間對紅花玉蕊幼苗葉片增長速率影響差異不顯著，淹水不同天數(shù)對葉片增長速率影響差異極顯著（P＜0.01），由表4可知，葉片生長最大速率出現(xiàn)在8～14 d，較其他處理周數(shù)均呈顯著差異（P＜0.05）。說明淹水天數(shù)對幼苗葉片增長速率影響較大，部分葉片變黃脫落是植物采取“靜默策略”加以應對。

不同小寫字母表示差異顯著（P＜0.05）。圖 2 不同淹水時長對幼苗葉片數(shù)的影響Fig. 2 Effects of different flooding time on leaf number

表 3 不同時長及天數(shù)對葉片增長速率影響的方差分析Table 3 Variance analysis of the effects of different time and days on the growth rate of leaf number

續(xù)表 3

表 4 不同天數(shù)對葉片增長速率均數(shù)的多重比較Table 4 Multiple comparative analysis of the average growth rate of leaf number in different days

2.3 不同淹水時長對紅花玉蕊幼苗地徑的影響

由圖3可知，淹水脅迫期間，不同時長處理的紅花玉蕊幼苗地徑均有所增大，處理期間地徑總增量為0.36～0.58 mm，在淹水8 h/d時地徑增量出現(xiàn)最低值，但各處理植株地徑較CK均無顯著差異，表明不同淹水時長對地徑生長影響不大。由表5可知，淹水不同時長對地徑增長率影響差異不顯著，淹水不同天數(shù)對地徑增長率影響差異極顯著（P＜0.01）。多重比較分析結果如表6所示，地徑的最大增長速率出現(xiàn)在15～21 d，較其他處理周數(shù)均呈顯著差異（P＜0.05），地徑的最大增長速率在處理后第3周出現(xiàn)，地徑的快速增長提高了植株的根冠比，利于應對逆境，表明紅花玉蕊對淹水脅迫已表現(xiàn)出一定的適應性。

2.4 不同淹水時長對幼苗葉片SOD活性的影響

由圖4可知，紅花玉蕊全淹時間0～8 h/d時幼苗葉片內(nèi)SOD活性保持穩(wěn)定；當淹水時長增至10 h/d時，SOD總酶活性為最大值9.00 U/g，為CK的104.3%，兩者之間的差異性極顯著（P＜0.01），表明大于10 h/d的淹水時長對紅花玉蕊產(chǎn)生脅迫作用，SOD活性的升高有助于植物抵抗逆環(huán)境。

圖 3 不同淹水時長對幼苗地徑的影響Fig. 3 Effects of different flooding time on ground diameter

表 5 不同時長及天數(shù)對地徑增長速率影響的方差分析Table 5 Variance analysis of the effects of different time and days on the growth rate of ground diameter

表 6 不同天數(shù)對地徑增長速率均數(shù)的多重比較分析Table 6 Multiple comparative analysis of the average growth rate of ground diameter in different days

2.5 不同淹水時長對幼苗葉片POD活性的影響

如圖5可知，POD活性隨著淹水時長的增大先增加后減小再增加，但淡水全淹下不同時間處理與對照相比，POD活性差異不顯著。當淹水時長是2 h/d時，POD活性時最高的，POD活性為CK的115.0%，但當淹水時長繼續(xù)增大時POD活性逐漸下降；當淹水時長為10 h/d時，POD活性最低，CK是該處理的127.1%，POD活性最高值與最低值差異顯著（P＜0.05），結合POD和SOD活性變化得知，較短時間淹水后紅花玉蕊主要啟動POD以促進植株生長，較長時間淹水脅迫后紅花玉蕊主要啟動SOD提高植株適應性；當淹水時長大于10 h/d后就同時啟動SOD和POD來抵抗逆環(huán)境?？梢奝OD和SOD是紅花玉蕊淹水脅迫后的重要響應指標。

圖 4 不同淹水時長對幼苗葉片SOD活性的影響Fig. 4 Effects of different flooding time on SOD activity in leaves

圖 5 不同淹水時長對幼苗葉片POD活性的影響Fig. 5 Effects of different flooding time on POD activity in leaves

2.6 不同淹水時長對幼苗葉片MDA含量的影響

在水分脅迫下，植物體內(nèi)MDA和活性氧的產(chǎn)生及積累是植物的主要生理響應特征之一[16]。由圖6可知，MDA含量變化隨著淹水時長的增加呈現(xiàn)平緩的趨勢，淹水各時間梯度處理植物葉片MDA含量與CK相比差異不顯著，說明淹水0～12 h/d脅迫對紅花玉蕊葉片膜脂損害不大，植株顯示出具有良好的耐水淹能力。

圖 6 不同淹水時長對幼苗葉片MDA含量的影響Fig. 6 Effects of different flooding time on MDA content in leaves

2.7 不同淹水時長對幼苗葉片脯氨酸含量的影響

由圖7可知，紅花玉蕊幼苗葉片脯氨酸含量隨著淹浸時間的增加表現(xiàn)出先降低后增加的趨勢，最低值與最高值分別出現(xiàn)在淹沒6 h/d和12 h/d，兩者間呈顯著差異（P＜0.05）。當淹沒時間為4、6、10 h/d時，脯氨酸含量較低，且與CK相比差異性顯著（P＜0.05），說明模擬半日潮每天淹水小于10 h并沒有對植株產(chǎn)生脅迫，而適當?shù)难退畷r長反而促進植物生長發(fā)育；當淹水時長增加至12 h/d時，脯氨酸含量急劇上升與0、4、6、10 h/d差異顯著（P＜0.05）。結果表明，大于10 h/d的淹水時長對植物有脅迫作用，此時脯氨酸含量急劇上升是紅花玉蕊表現(xiàn)出一定的適應性以及抗淹水脅迫的能力。

圖 7 不同淹水時長對幼苗葉片脯氨酸含量的影響Fig. 7 Effects of different flooding time on proline content in leaves

3 結論與討論

3.1 紅花玉蕊對淹水脅迫的生長響應

環(huán)境脅迫下研究植物生長指標的響應情況，是判斷植物抗逆性較直觀便捷的方法之一。全淹對植物最大的脅迫就是氧氣供應不足，導致植物無氧呼吸增加，有機物的利用率下降，加速了植物體內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)的消耗，同時，由于水下光照和CO2的不足，植物的光合作用嚴重受阻[17-18]。缺氧條件下，植物往往通過提高根冠比來適應逆境[19]。葉片是植物重要的同化器官，反映植物生長和發(fā)育情況，且對外界環(huán)境反應較為敏感，也是植物對外界環(huán)境反映較為直接的器官。紅花玉蕊在淹水0～6 h/d時葉片數(shù)為正增長，淹水8、12 h/d出現(xiàn)負增長，說明較長時間的淹水不利于葉片生長。此外，紅花玉蕊幼苗葉片在淹水10 h/d反而出現(xiàn)葉片正增長，這是跟植株在淹水10 h/d時葉片的SOD活性達到了最大值，較CK呈極顯著差異相關，即植株在淹水≥10 h/d時啟動了SOD保護酶系統(tǒng)響應。

本試驗中，不同淹水時長處理對紅花玉蕊幼苗株高、地徑、葉片的總增量影響差異均不顯著，株高和地徑均有所增長，葉片有生長也有受脅迫致變黃脫落，3個生長指標的最低增長量均出現(xiàn)在8 h/d，說明淹水時長≥8 h/d是紅花玉蕊幼苗生長的脅迫環(huán)境，而淹水時長＜8 h/d利于植株生長。

另外，不同天數(shù)處理對株高、葉片數(shù)、地徑增長速率的影響均達到極顯著水平，說明隨著脅迫天數(shù)的延長，各處理的生長速率都受到顯著影響，這與水分脅迫處理對桃葉杜鵑（Rhododendron annae）生長指標的影響相似[20]。3個生長指標的最大增長速率分別出現(xiàn)在處理前期（0～7 d），處理中期（8～14 d），處理中后期（15～21 d），說明紅花玉蕊各營養(yǎng)器官在應對淹水脅迫的響應時間有差異，前期主要集中在株高，這是紅花玉蕊采取“逃避策略”應對全淹脅迫，這與凌子然[21]對不同程度水淹中山杉（Taxodium hybrid）及親本的研究結果相似，他認為半淹中山杉后株高能快速生長也是采取“逃避策略”應對半淹脅迫中后期地徑增大較快，且葉片出現(xiàn)負增長，這是植物應對全淹脅迫的策略，前期利用“逃避策略”加快株高葉片數(shù)生長，有效進行光合作用，提高有機物的利用效率，后期使用“靜默策略”應對全淹脅迫時間的增大，葉片脫落減少能量消耗，同時增大地徑，提高根冠比，利于應對脅迫。

3.2 紅花玉蕊對淹水脅迫的保護酶系統(tǒng)響應

SOD是植物體內(nèi)的抗氧化保護酶，清除氧自由基，防止氧自由基破壞細胞的組成、結構和功能保護細胞免受氧化損傷，當植物遇到脅迫時會通過SOD活性來增強抗逆性[22]。POD是植物體內(nèi)參與活性氧代謝的主要酶，是植物清除H2O2的酶，其活性變化在一定程度上反映了植物體內(nèi)活性氧的代謝情況[3,23]。研究發(fā)現(xiàn)，隨著淹水時長的增加，紅花玉蕊幼苗葉片SOD酶活性在小于8 h/d時變化趨于平穩(wěn)，但在全淹10 h/d時達到最高值，且與CK相比差異極顯著，而POD活性先增高后降低再增高，在淹水10 h/d時出現(xiàn)最低值，但與CK比無顯著性，可見其活性較于穩(wěn)定，說明紅花玉蕊在全淹12 h/d脅迫下，紅花玉蕊幼苗主要通過啟動SOD、POD，升高酶活性來清除活性氧，從而保護細胞膜。可見，這些酶的表達是紅花玉蕊幼苗木對水淹脅迫的適應性響應，這與秋茄、水杉（Metasequoia glyptostroboides）的淹水脅迫和大花紫薇（Lagerstroemia speciosa）、毛萼紫薇（Lagerstroemia balansae）的干旱脅迫時酶系統(tǒng)響應結果一致[24-26]。因此，當紅花玉蕊幼苗在淡水模擬潮汐淹浸一定時間的條件下時，適當采用淹水脅迫條件，誘導紅花玉蕊幼苗體內(nèi)SOD、POD的活性增強，使植株生長發(fā)育速率增快。

3.3 水淹對細胞膜的影響及其滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的響應

植物在逆境中，遭受氧化脅迫發(fā)生膜質(zhì)過氧化而產(chǎn)生MDA[27]，其對細胞具有很強的毒性，并且參與破壞生物膜的結構和功能，通常利用其表示細胞膜脂過氧化程度及植物對逆境條件反應的強弱[28-30]。廖寶文等研究發(fā)現(xiàn)秋茄葉片MDA含量隨著淹水時長的增加而增加，表明受害程度亦隨著淹水時長的增加而增加[31]。而本實驗淹水處理后葉片的MDA含量隨著淹水時長的增加變化不大接近平緩，說明紅花玉蕊幼苗在全淹小于12 h/d的逆境條件下受傷害不嚴重，此結果有可能是因為在淹水脅迫過程中，SOD、POD活性升高，促進了O2的歧化反應使水-水循環(huán)正常運行，從而引起O2的明顯減少，活性氧的減少不能造成膜脂過氧化，導致MDA含量明顯下降。另一可能原因是紅花玉蕊在處理期間已經(jīng)對淹水脅迫做出適應響應，因此全淹小于12 h/d對其葉片膜結構并無傷害。

脯氨酸是植物體內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)劑，淹水脅迫下，植物體內(nèi)蛋白質(zhì)合成受抑制，而分解被促進，使脯氨酸含量上升[32]，研究發(fā)現(xiàn)在淡水全淹脅迫下，紅花玉蕊游離脯氨酸含量在淹水12 h/d急劇上升，與0、4、6、10 h/d對比差異顯著，說明每天淹水12 h/d對紅花玉蕊可能是一種脅迫環(huán)境，脯氨酸急劇上升以使植物適應淹水脅迫，調(diào)節(jié)細胞的滲透勢。植物的抗逆性是外界環(huán)境刺激產(chǎn)生的保護和抵抗性狀，這會使植物脯氨酸含量升高，這與李昳樂等[33]研究水淹脅迫對青竹復葉槭（Acer negundo）葉片中脯氨酸含量的影響變化一致，青竹復葉槭也通過快速增加脯氨酸的含量以增強了植物的抗逆性。同樣表明紅花玉蕊有強的抗水淹能力。

植物在長期的進化過程中形成自身內(nèi)在的抗逆機制，以減輕或消除各種逆境脅迫所致的傷害。綜合分析本實驗結果得知，淡水全淹0～12 h/d對并未影響紅花玉蕊植株的生長發(fā)育進程，在形態(tài)響應上，紅花玉蕊應對短時間淹水脅迫先采取“逃避策略”，株高和葉片數(shù)增長速率較高，但隨著淹水時長的增加，又采取“靜默策略”，株高增長緩慢，葉片數(shù)部分脫落，地徑增長速率增大，以提高根冠比抵抗逆境。在生理響應上，隨著淹水時長的增加紅花玉蕊幼苗葉片通過改變保護酶活性來抑制MDA形成，降低由淡水全淹脅迫引發(fā)的膜脂過氧化對細胞膜系統(tǒng)的破壞，同時通過滲透調(diào)節(jié)劑脯氨酸在長時間淹水脅迫時急劇上升促使紅花玉蕊幼苗迅速適應逆境。紅花玉蕊幼苗在淡水全淹環(huán)境下淹水脅迫環(huán)境的臨界時間為8 h/d，最小適生淹水時長范圍是0～12 h/d，綜上均表明紅花玉蕊幼苗具有極強的耐水淹能力。但是否適生大于的12 h/d淹水時長及其在淹水12 h/d后又如何啟動淹水逆境的生理適應機制和分子機理還有待后續(xù)實驗研究。