熱帶濱海植物紅厚殼的抗逆生物學(xué)特性

張世柯,黃耀,簡曙光,劉楠*

(1.中國科學(xué)院華南植物園，廣東省應(yīng)用植物學(xué)重點實驗室，廣州 510650；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

紅厚殼(Calophyllum inophyllum)，別名海棠木、瓊崖海棠、君子樹、胡桐等，為藤黃科(Guttiferae)喬木(圖1)，樹高5～12 m；葉對生，革質(zhì)較厚，呈橢圓形或?qū)挋E圓形；葉片雙面都有光澤,波狀或全緣，葉柄短；總狀花序或圓錐花序，花兩性；雄蕊多數(shù),球形核果[1]。紅厚殼分布于印度、斯里蘭卡、中南半島、馬來西亞、印度尼西亞、澳大利亞、非洲東部等熱帶島嶼，在我國主要分布于海南(含西沙群島)和臺灣[2]。紅厚殼主要生長在低海拔的沿海地區(qū),村邊、公路旁、海岸、河邊、丘陵等環(huán)境中都可以觀察到[3]。紅厚殼的根系較為發(fā)達(dá),抗風(fēng)，對鹽堿環(huán)境有較強(qiáng)的耐受性，能夠在貧瘠且干旱的海濱地帶以及低海拔的丘陵中生長[4]。紅厚殼是西沙群島和東南亞地區(qū)常見的植物，是西沙群島森林群落中的優(yōu)勢種[2]。紅厚殼木材堅硬且耐腐蝕，是良好的造船材料；其葉能夠去腫消炎，有一定的藥用價值；其油脂具有粘合功能,是良好的天然粘合劑[1]。此外，紅厚殼具有良好的水土保持能力，是用來防止土地荒漠化的理想樹種[4]。

圖1 紅厚殼。A：植株；B：花枝；C：花；D：果實。Fig.1 Calophyllum inophyllum.A：Plant；B：Branch with flowers；C：Flowers；D：Fruits.

目前對紅厚殼的研究主要集中在藥理活性[5]、野生資源的保護(hù)[6]、指紋圖譜[7]、生物堿提取[8]、合成生物柴油[9]、葉片韌性[10]等方面，但對于紅厚殼的抗逆生物學(xué)特性的研究尚未見報道。本研究對西沙群島東島紅厚殼的形態(tài)解剖學(xué)特征、生理學(xué)特性、植物元素含量等進(jìn)行研究，探究其對珊瑚島環(huán)境的生態(tài)適應(yīng)性，為紅厚殼的引種及開發(fā)利用提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于中國西沙群島東島，112°43′13″～112°44′22″E，16°39′34″～16°40′31″N，是橢圓形珊瑚島，面積約為1.55 km2，是西沙群島中的第二大島。氣候類型是熱帶海洋氣候，年均溫為26℃～27℃，年降水量約為1 500 mm[11]，主要集中在6-11月，占全年降水量的87%[12]。干季(12-5月)降水量小且海島土壤保水能力低，導(dǎo)致東島季節(jié)性干旱。西沙群島形成陸地時間較晚，各島均無特有植物,主要依賴人類活動、海風(fēng)和海水等傳播而來。東島人類活動稀少，島上植物種類少，共有103種植物,其中有76種為野生植物[2]。

1.2 材料

紅厚殼(Calophyllum inophyllum)主要分布于東島海岸線地帶(距離海洋50～100 m)，數(shù)量少且分布稀疏，多以單株形式分布。于2016年6月在西沙群島東島，隨機(jī)選取5株健康、長勢良好且株高相仿(1.5～2.5 m)的成年紅厚殼植株，每株采集健康成熟且大小相近的中部葉片約10片，放入裝有冰袋的冰盒中保存。參照森林生態(tài)系統(tǒng)土壤采樣方法,采集紅厚殼植株附近0～20 cm的表層土壤約1 000 g,裝入密封袋保存。所有植物樣品和土壤樣品帶回實驗室。

1.3 形態(tài)解剖特征

選取成熟葉片徒手制作切片[13]，根據(jù)Duncan[14]和任海[15]的方法制作，將樣品切片放置于Leica DM 4000B(Leica,德國)顯微鏡下，每片葉子取3個清晰的視野，觀察葉片、海綿組織、柵欄組織、氣孔和保衛(wèi)細(xì)胞。再通過Image-J(https：//imagej.en.softonic.com)軟件對顯微圖片進(jìn)行處理，計算葉片、海綿組織和柵欄組織的厚度，測量葉片氣孔保衛(wèi)細(xì)胞的長度(SL)和氣孔密度(SD)，計算氣孔面積指數(shù)(SPI),SPI=SL2×SD[16]。

1.4 方法

干物質(zhì)含量和比葉面積采用分析天平稱取葉片樣品的鮮質(zhì)量(FW)，然后將葉片置于65℃烘箱烘干，稱量干質(zhì)量(DW)。利用LI-3000C(LI-COR,美國)便攜式葉面積儀測定葉片的葉面積(LA)。計算葉片比葉面積(SLA)=LA/DW；干物質(zhì)含量(LDMC)=DW/FW。

葉綠素含量參照胡秉芬等[17]的方法，采用分光光度計UV-3802(Unico，中國)分別在663和645 nm波長下比色測量葉綠素a、b的吸光度[17]。根據(jù)Arnon公式[18]分別計算葉綠素a、b和葉綠素總含量。

過氧化氫酶(CAT)活性采用紫外吸收法[19-20]測定。

過氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法[21]測定。

超氧化物歧化酶(SOD)活性采用四氮唑藍(lán)(NBT)法[22]進(jìn)行測定。以抑制NBT還原50%為1個酶活單位(U g-1)。

總抗氧化能力(T-AOC)采用FRAP法[23]測定。

脫落酸(ABA)含量采用高效液相色譜法[24]測定。

丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法[25]測定。

脯氨酸(PRO)含量采用茚三酮比色法[26]測定。

總酚(TP)含量采用福林酚比色法[27]測定。

植物營養(yǎng)元素含量將葉片置于65℃的烘箱中烘干,研磨并過100目篩。稱取0.15 g粉末并酸化,采用丘林法[28]測定碳含量；稱取0.15 g粉末采用靛酚藍(lán)比色法[29]測定氮含量；稱取0.15 g粉末采用鉬銻抗比色法[29]測定磷含量。

土壤理化性質(zhì)將采集的土壤樣品充分混勻，用鑷子去除土壤中的植物凋落物、動物殘骸等雜質(zhì)并過2目篩。過篩后的土壤樣品在室內(nèi)陰涼處自然風(fēng)干，研磨過100目篩。加入過量濃HCl去除碳酸鹽，再用純水將土壤樣品洗滌至中性，放置于65℃烘箱烘干。使用pH211(Hanna，意大利)酸度計測定pH值；采用靛酚藍(lán)比色法[29]測定氮含量；采用丘林法[28]測定碳含量；采用鉬銻抗比色法[29]測定磷含量；使用原子分光光度計測定其他元素含量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

將測定所得的各項數(shù)據(jù)錄入Microsoft Excel 2013計算平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤；使用Adobe Photoshop 5對圖片進(jìn)行處理。

2 結(jié)果和分析

2.1 葉片形態(tài)解剖學(xué)特征

紅厚殼葉片的形態(tài)學(xué)解剖特征如圖2所示，其葉片有明顯的海綿組織和柵欄組織分化，異面葉,由上表皮、海綿組織、柵欄組織和下表皮組成。葉片厚(365.76±6.87)μm，屬于厚葉片，上表皮厚(18.41±1.66)μm。海綿組織發(fā)達(dá)，有一定程度的分化。柵欄組織排列緊密，但厚度一般。柵欄組織厚(71.64±10.04)μm，海綿組織厚(176.73±10.90)μm,兩者之比為0.41±0.07。氣孔保衛(wèi)細(xì)胞長(31.10±2.77)μm,排列松散，密度為(24.40±2.30)mm-2。葉片干物質(zhì)含量為(38.00±2.06)%，比葉面積為(83.71±3.91)cm2g-1。

2.2 葉片生理學(xué)特征

葉片的葉綠素(Chl)a、b含量分別為(0.87±0.03)和(0.43±0.09)mg g-1，Chl a/b為 2.02±0.33,小于理論值3∶1，能夠促進(jìn)紅厚殼吸收光能和光合作用,Chl a+b為(1.30±0.12)mg g-1。紅厚殼的T-AOC和SOD活性較高，分別為(388.60±1.16)和(149.42±3.63)U g-1。CAT 活性較低，僅為(78.89±0.95)U g-1。PRO含量較高，為(127.89±2.35)μg g-1,表明紅厚殼具有良好的抗氧化脅迫能力。TP和MDA的含量較低,分別為(13.24±0.79)mg g-1和(13.46±0.30)nmol g-1,表明氧化脅迫不足以導(dǎo)致紅厚殼體內(nèi)大量積累MDA。

圖2 紅厚殼葉片的形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)Fig.2 Anatomical structure of Calophyllum inophyllum leaf

2.3 植物營養(yǎng)元素和土壤理化性質(zhì)

葉片總有機(jī)碳含量較高[(428.279±15.879)g kg-1],總P含量較低[(2.218±0.318)g kg-1]，總N含量為(15.529±3.679)g kg-1，葉片的N/P為7.001，C/N為25.579。

土壤含水量為(14.21±5.32)%，pH為8.12±0.12,土壤呈堿性。有機(jī)碳含量為(4.59±2.24)%，全N含量為(1.94±0.65)g kg-1，全P含量為(1.27±0.59)mg kg-1。土壤金屬元素中，Ca含量最高為(78.54±11.53)g kg-1,Na含量最低為(0.24±0.10)g kg-1,K、Mg和Fe含量分別為(0.45±0.23)、(6.20±1.62)和(1.13±0.81)g kg-1,說明紅厚殼適生環(huán)境的土壤為典型的碳酸鈣基質(zhì),保水能力差，呈堿性，養(yǎng)分含量極低。

3 討論和結(jié)論

3.1 形態(tài)解剖學(xué)特征與抗干旱的關(guān)系

比葉面積是植物的重要形態(tài)解剖學(xué)特征之一。低比葉面積的植物能夠減少體內(nèi)水分的喪失。因此在干旱環(huán)境中，較小比葉面積的植物更有競爭優(yōu)勢[30]。葉片是植物對干旱敏感的器官，其形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變將會引起植物生理特性改變[31]。研究表明[32-34]，西沙群島優(yōu)勢喬木抗風(fēng)桐(Ceodes grandis)、橙花破布木(Cordia subcordata)和欖仁樹(Terminalia catappa)的比葉面積分別為166.84、205.06和111.2 cm2g-1，而紅厚殼比葉面積較低,為83.71 cm2g-1，說明紅厚殼具有良好的儲水能力和抗干旱能力。紅厚殼葉片革質(zhì)，角質(zhì)層發(fā)達(dá)，具有減少水分喪失的能力。比葉面積和葉片厚度成反比，即比葉面積小的葉片一般厚度較大，葉片的厚度能夠反映植物的儲水能力，厚度大的植物儲水能力好[35]。西沙群島優(yōu)勢喬木海濱木巴戟(Morinda citrifolia)的葉片厚度為 221.73μm[36]，橙花破布木葉片厚203.69μm，而紅厚殼的葉片厚度達(dá)365.76μm，說明紅厚殼葉片具有較高的儲水能力，有利于抵御季節(jié)性干旱的脅迫。

植物葉片的氣孔性狀與植物的抗旱能力密切相關(guān)，氣孔密度與植物的蒸騰作用有很大關(guān)系[37]。張義[38]等統(tǒng)計了青海高原上11種城市森林植物的氣孔密度，大約為80.6～408.4 mm-1。西沙群島優(yōu)勢喬木欖仁樹的氣孔密度為32.40 mm-1，而紅厚殼葉片氣孔密度較小，為24.40 mm-1。較小的氣孔密度加之較厚的葉表皮和角質(zhì)層，有利于植物保水,防止水分散失，是其維持抗旱能力的重要保障。

3.2 葉片生理學(xué)特征與抗逆性的關(guān)系

葉綠素是植物抗逆能力的重要指標(biāo)[39]，葉片的葉綠素含量低是對干旱環(huán)境做出的生理響應(yīng)[40]。葉綠素在光合作用中不僅承擔(dān)光能吸收與能量轉(zhuǎn)換,還在不同環(huán)境下通過調(diào)整光能分配以保證光合系統(tǒng)的正常運(yùn)行。與西沙群島優(yōu)勢喬木欖仁樹(1.85 mg g-1)和海濱木巴戟(9.79 mg g-1)相比，紅厚殼的葉綠素含量較低，說明其通過降低葉綠素含量來減少干旱環(huán)境引起的傷害，并增強(qiáng)抗旱能力和對強(qiáng)光環(huán)境的適應(yīng)能力[40]。

逆境會造成植物細(xì)胞代謝失調(diào)，短時間內(nèi)會出現(xiàn)超氧陰離子(2O-·)和H2O2大量累積并超過膜傷害閾值，引起膜脂過氧化對細(xì)胞造成危害。膜脂過氧化的產(chǎn)物是MDA，其含量常用于指示膜脂過氧化傷害程度[41]。紅厚殼葉片的MDA含量為13.46 nmol g-1,和抗風(fēng)桐(16.88 nmol g-1)、橙花破布木(16.94 nmol g-1)很接近，遠(yuǎn)低于西沙群島野生喬木海濱木巴戟(65.86 nmol g-1)。因此，在海島逆境中，紅厚殼受到的氧化脅迫傷害較小，能夠適應(yīng)海島逆境。

東島干濕季分化明顯，干季降水量小且土壤保水能力較差，使生活在東島的植物受到干旱脅迫。PRO是植物蛋白質(zhì)的主要組成部分，同時也是植物的滲透調(diào)節(jié)劑。在植物受到干旱脅迫和鹽脅迫時，體內(nèi)會積累大量PRO，增加植物對滲透脅迫的抗性[42]。紅厚殼PRO含量為127.89μg g-1，低于海濱木巴戟(190.78μg g-1)、抗風(fēng)桐(158.61μg g-1)和欖仁樹(284.70μg g-1),表明滲透脅迫對于紅厚殼影響較小，耐旱性較強(qiáng)。

為了避免活性氧大量積累破壞膜系統(tǒng)，細(xì)胞的抗氧化系統(tǒng)會清除多余的活性氧自由基以保護(hù)細(xì)胞膜[43]。SOD和CAT是植物抗氧化過程中起主要作用的酶。紅厚殼的SOD活性與欖仁樹(148.47 U g-1)相近；CAT活性小于欖仁樹(243.08U g-1)，高于橙花破布木(30.99Ug-1)。此外紅厚殼的總抗氧化能力高于西沙群島上大多數(shù)優(yōu)勢喬木，如抗風(fēng)桐(217.28Ug-1)、橙花破布木(145.74 U g-1)，表明紅厚殼有可能含有非酶類抗氧化劑用以清除過多的活性氧，以減小其受到的氧化脅迫傷害。

3.3 葉片營養(yǎng)元素及土壤養(yǎng)分的關(guān)聯(lián)

對紅厚殼生長環(huán)境的土壤進(jìn)行分析，結(jié)果表明，土壤含水量低，pH高，有機(jī)碳含量、全N含量和全P含量偏低，鈣含量非常高。這說明紅厚殼適生環(huán)境的土壤為典型的碳酸鈣基質(zhì)，保水能力差，呈堿性，養(yǎng)分含量極低。氮和磷是植物體不可或缺的重要元素，在一定范圍內(nèi)，植物N含量與其光合作用速率以及電子傳遞效率呈正比[44]。植物葉片中的磷與呼吸作用和光合作用有密切聯(lián)系，影響光合作用和呼吸作用過程中生物能值傳遞分子，如脫氫酶復(fù)合物等的活性。據(jù)張義等[38]對11種城市森林植物的研究，植物的N/P＜14時，會出現(xiàn)氮限制植物生長的現(xiàn)象。紅厚殼的N/P比為7.001，說明其生長受到嚴(yán)重的氮限制，與東島土壤的貧瘠有關(guān)。盡管土壤養(yǎng)分含量總體偏低，但紅厚殼體內(nèi)的養(yǎng)分元素含量與常綠闊葉林優(yōu)勢樹種持平[45]，說明紅厚殼能夠高效吸收和利用土壤養(yǎng)分，合成有機(jī)物用于其自身的生理代謝。與熱帶珊瑚島植物相比,紅厚殼氮、磷含量都高于熱帶海島環(huán)境中生長的草海桐[46]，說明紅厚殼能夠適應(yīng)東島貧瘠的土壤環(huán)境，維持體內(nèi)氮、磷的積累和正常周轉(zhuǎn)。

紅厚殼屬于陽生植物，具有葉片厚、比葉面積小、氣孔密度低等適應(yīng)干旱環(huán)境的形態(tài)解剖特征,并具有葉綠素含量和丙二醛含量較低、脯氨酸含量較高、抗氧化能力和營養(yǎng)元素利用效率高等能夠抵御多種逆境脅迫的生理特征。因此，紅厚殼具有較好的抗逆性，能夠在干旱、貧瘠、鹽堿的珊瑚島環(huán)境中生長，在海島綠化和植被恢復(fù)中有較好的應(yīng)用前景，可以作為熱帶珊瑚島植被恢復(fù)工具種。