美麗箬竹和菲白竹根系呼吸與抗氧化系統(tǒng)對水淹的響應(yīng)

沈莉娟，馮嘉雨，雷佩雯，干詩穎，張汝民，高培軍

（浙江農(nóng)林大學(xué) 省部共建亞熱帶森林培育國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州311300）

隨著全球氣候變暖，季節(jié)性降水使洪澇災(zāi)害頻現(xiàn)［1］，特別是河流坡岸濕地及低矮地區(qū)水淹情況尤為嚴(yán)重。植物耐水淹抗性與活性氧的清除、厭氧代謝和碳水化合物的累積有關(guān)［2］。水淹、缺氧等非生物脅迫條件下，植物體內(nèi)產(chǎn)生過量活性氧（ROS），會引起膜脂過氧化，產(chǎn)生丙二醛（MDA），損傷細(xì)胞完整性［3］。細(xì)胞內(nèi)外ROS的積累誘導(dǎo)大量活性氧清除酶［4］，包括超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）和過氧化氫酶（CAT）［5］，減輕活性氧自由基的損傷［6］。Wu L等［7］研究發(fā)現(xiàn)煙草（Nicotiana tabacum）干旱、寒冷、鹽和脫落酸處理下SOD酶活性增強(qiáng)；馬麗峰等［8］對水稻（Oryza sativa）研究發(fā)現(xiàn)水淹脅迫導(dǎo)致體內(nèi)SOD和POD酶活性呈先升高再降低的趨勢，CAT酶活性持續(xù)增加；孫小艷等［9］對北美鵝掌楸（Liriodendron tulipifera）耐淹性研究發(fā)現(xiàn)SOD和POD酶活性持續(xù)增加。水淹也易導(dǎo)致根系缺氧，產(chǎn)生的乳酸使細(xì)胞內(nèi)PH值降低，丙酮脫羧酶（PDC）與乙醇脫氫酶（ADH）可緩解細(xì)胞酸中毒導(dǎo)致的細(xì)胞死亡［10］。Sairam R K等［11］對缺乏ADH基因的玉米（Zey mays）研究發(fā)現(xiàn)缺氧脅迫導(dǎo)致玉米植株迅速死亡；陳強(qiáng)等［12］對甜櫻桃（Prunus avium）研究發(fā)現(xiàn)水淹脅迫促進(jìn)無氧呼吸酶ADH和PDC活性升高。

非結(jié)構(gòu)性碳水化合物提供能量供應(yīng)參與生命代謝［13］，可溶性糖可作為滲透劑或抗氧化劑［14－15］。Das K K等［16］研究發(fā)現(xiàn)水稻在脅迫條件下存活依靠碳水化合物的儲存量和利用效率；可溶性糖可參與產(chǎn)生ROS的代謝途徑，幫助清除活性氧［17］，抗性強(qiáng)的植物通過積累碳水化合物穩(wěn)定細(xì)胞膜和滲透壓［18］；Vriezen W H等［19］研究表明可溶性糖含量用于供應(yīng)無氧呼吸能量消耗，積累量多少關(guān)系到植物存活時(shí)間；Peng等［20］研究發(fā)現(xiàn)低溫脅迫下煙草（Nicotiana nudicaulis）和三葉柑桔（Poncirus trifoliata）可溶性糖含量上升。

竹類植物具有易造林、成林快、耐水淹、生態(tài)適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。地被類竹種具有強(qiáng)大的鞭根系統(tǒng)，對穩(wěn)定邊坡、固土保土具有良好效應(yīng)，其種群密度高，色彩鮮艷，維護(hù)成本低，既可美化綠化，又可防止水土流失，近年來在河道、溪流邊坡治理方面的應(yīng)用受到高度重視。地被類觀賞竹種抗逆性研究，主要包括CO2脅迫［21］、低溫脅迫［22－23］、酸雨脅迫［24］、干旱脅迫［25－26］、鉛脅迫［27］等，對地被類觀賞竹種水淹脅迫的研究報(bào)道較少。研究是以菲白竹（Sasa fortunei）和美麗箬竹（Indocalamus decorus）為實(shí)驗(yàn)材料，研究水淹脅迫后菲白竹和美麗箬竹可溶性糖含量變化，抗氧化酶和無氧呼吸酶的活性以及MDA含量、相對電導(dǎo)率和根系活力，旨在探究地被類觀賞竹對水淹脅迫及恢復(fù)的生理生化響應(yīng)機(jī)制，為其逆境栽培利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 植物材料

供試材料為2年生菲白竹和美麗箬竹實(shí)生苗，苗高約20～30 cm。2019年6月，將實(shí)生苗移栽于花盆中（盆高15 cm、直徑12 cm；取當(dāng)?shù)氐狞S壤土作為栽培土壤，經(jīng)測定pH為6.55，每盆1株），于浙江農(nóng)林大學(xué)溫室內(nèi)培育1個(gè)月，正常栽培管理。

1.2 試驗(yàn)材料處理

2019年8月初選取長勢較一致、生長良好、無病蟲害、大小相近的美麗箬竹和菲白竹，采用雙層套盆的盆栽方法進(jìn)行，置于具有排水孔的塑料箱（長153 cm、寬120 cm、高55 cm）進(jìn)行水淹處理。水淹處理：以水恰好沒過植株根部為標(biāo)準(zhǔn)；對照（CK）：未水淹處理。每個(gè)竹種處理15盆，其中，對照組3盆，水淹處理12盆，每盆作為一個(gè)獨(dú)立重復(fù)實(shí)驗(yàn)，每個(gè)處理3次重復(fù)。分別在水淹7、14 d和恢復(fù)7、14 d的9∶00 am取各級根系混合用液氮冷凍，并放置于－80℃低溫冰箱內(nèi)保存，用于測定相關(guān)指標(biāo)。

1.3 測定方法

1.3.1 MDA含量和相對電導(dǎo)率測定 MDA含量測定參照［28］的方法；電導(dǎo)率用DDSJ-307A型電導(dǎo)儀測定。

1.3.2 可溶性糖含量和根系活力測定 可溶性糖采用蒽酮比色法測定；根系活力采用TTC法。

1.3.3 抗氧化酶活性和無氧呼吸酶活性測定 酶液提取方法：取0.2 g樣品液氮研磨細(xì)碎均勻，加入5 mL磷酸緩沖溶液（50 mmol·L－1，pH 7.8），混勻后10 000×g離心10 min（4℃），上清液用于SOD、POD和CAT活性的測定。

POD和CAT活性測定參照［29］的方法；SOD活性測定采用試劑盒（南京建成科技有限公司生產(chǎn)）測定；ADH和PDC測定分別采用ADH和PDC試劑盒（南京建成科技有限公司生產(chǎn)）測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)均為5次重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差。采用SPSS 25軟件進(jìn)行One-Way ANOVA對水淹脅迫2個(gè)竹種分別進(jìn)行檢驗(yàn)，Two-Way ANOVA分析水淹恢復(fù)處理×竹種交互作用的影響，并進(jìn)行Ducan多重比較（P＜0.05），繪圖采用origin 2018軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 水淹脅迫對菲白竹和美麗箬竹可溶性糖含量的影響

如圖1顯示，菲白竹和美麗箬竹可溶性糖含量無顯著差異。水淹處理14 d時(shí)，分別比CK增加了153.2%和34.3%（P＜0.05），菲白竹的可溶性糖含量比美麗箬竹高63.8%（P＜0.05）；恢復(fù)處理7 d時(shí)，菲白竹和美麗箬竹在恢復(fù)處理期間可溶性糖含量與對照無顯著差異，菲白竹可溶性糖含量比美麗箬竹高33.4%（P＜0.05）。

2.2 水淹脅迫對菲白竹和美麗箬竹MDA含量的影響

如圖2可知，菲白竹和美麗箬竹可溶性糖含量無顯著差異。水淹處理14 d時(shí)，分別比CK增加了47.8%和79.0%（P＜0.05），美麗箬竹的MDA含量比菲白竹高30.5%（P＜0.05）；恢復(fù)處理7 d時(shí)，菲白竹和美麗箬竹MDA含量與對照無顯著差異，美麗箬竹的MDA含量比菲白竹高21.3%（P＜0.05）。

2.3 水淹脅迫對菲白竹和美麗箬竹相對電導(dǎo)率的影響

如圖3可知，菲白竹電導(dǎo)率比美麗箬竹低26.1%（P＜0.05）。水淹處理14 d時(shí)，菲白竹和美麗箬竹分別比CK增加了35.5%和29.7%（P＜0.05），菲白竹的相對電導(dǎo)率比美麗箬竹低22.8%（P＜0.05）；恢復(fù)處理7 d時(shí)，菲白竹和美麗箬竹相對電導(dǎo)率與對照無顯著差異，菲白竹的相對電導(dǎo)率比美麗箬竹低27.0%（P＜0.05）。

圖2 水淹脅迫對菲白竹和美麗箬竹根系丙二醛含量的影響（平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差，n＝3）Fig.2 Effect of flooding stress on malondialdehyde content in roots of SF and ID（mean±SE，n＝3）

圖3 水淹脅迫對菲白竹和美麗箬竹根系相對電導(dǎo)率的影響（平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差，n＝3）Fig.3 Effect of flooding stress on relative electrical conductance in roots of SF and ID（mean±SE，n＝3）

2.4 水淹脅迫對菲白竹和美麗箬竹根系活力的影響

圖4顯示，菲白竹根系活力比美麗箬竹高33.6%（P＜0.05）。在水淹處理14 d時(shí)，菲白竹和美麗箬竹分別比CK減少了14.1%和27.9%（P＜0.05），菲白竹的根系活力比美麗箬竹高59.1%（P＜0.05）；恢復(fù)處理7 d時(shí)，菲白竹和美麗箬竹根系活力與對照無顯著差異，菲白竹根系活力比美麗箬竹高27.5%（P＜0.05）。

圖4 水淹脅迫對菲白竹和美麗箬竹根系活力的影響（平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差，n＝3）Fig.4 Effect of flooding stress on root activity in roots of SF and ID（mean±SE，n＝3）

2.5 水淹脅迫對菲白竹和美麗箬竹抗氧化酶活性的影響

圖5顯示，菲白竹POD酶活比美麗箬竹低32.9%（P＜0.05）。水淹處理14 d時(shí)，菲白竹POD酶活性比CK增加了55.4%（P＜0.05），美麗箬竹減少了53.3%（P＜0.05），菲白竹的POD酶活性比美麗箬竹高123.3%（P＜0.05）；恢復(fù)處理7 d時(shí)，菲白竹和美麗箬竹POD酶活性與對照無顯著差異，菲白竹POD酶活性比美麗箬竹低35.9%（P＜0.05）。

菲白竹CAT酶活比美麗箬竹低44.7%（P＜0.05）。水淹處理14 d時(shí)，菲白竹CAT酶活性比CK增加了126.8%（P＜0.05），美麗箬竹減少了19.8%（P＜0.05），菲白竹CAT酶活性比美麗箬竹竹高56.3%（P＜0.05）；恢復(fù)處理7 d時(shí)，菲白竹和美麗箬竹CAT酶活性與對照無顯著差異，菲白竹CAT酶活性比美麗箬竹低41.3%（P＜0.05）。

菲白竹和美麗箬竹SOD酶活性無顯著差異。水淹處理14 d時(shí)，菲白竹和美麗箬竹的SOD酶活性比CK分別增加了80.6%和28.8%（P＜0.05），菲白竹的SOD酶活性比美麗箬竹高14.9%（P＜0.05）；恢復(fù)處理7 d時(shí)，菲白竹和美麗箬竹在恢復(fù)處理期間SOD酶活性與對照無顯著差異，菲白竹SOD酶活性比美麗箬竹低26.4%（P＜0.05）。

2.6 水淹脅迫對菲白竹和美麗箬竹無氧呼吸酶活性的影響

如圖6可知，菲白竹PDC酶活比美麗箬竹低23.5%（P＜0.05）。水淹處理14 d時(shí)，菲白竹和美麗箬竹的PDC酶活性比CK分別增加了145.4%和9.1%（P＜0.05），菲白竹的PDC酶活性比美麗箬竹高72.0%（P＜0.05）；恢復(fù)處理7 d時(shí)，菲白竹和美麗箬竹PDC酶活性與對照無顯著差異，菲白竹PDC酶活性比美麗箬竹低31.9%（P＜0.05）。

菲白竹和美麗箬竹ADH酶活性無顯著差異。水淹處理14 d時(shí)，菲白竹和美麗箬竹的ADH酶活性比CK分別增加了247.2%和26.6%（P＜0.05），菲白竹的ADH酶活性比美麗箬竹高170.6%（P＜0.05）；恢復(fù)處理7 d時(shí)，菲白竹和美麗箬竹在恢復(fù)處理期間ADH酶活性與對照無顯著差異，菲白竹ADH酶活性比美麗箬竹高15.4%（P＜0.05）。

圖5 水淹脅迫對菲白竹和美麗箬竹根系抗氧化酶活性的影響（平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差，n＝3）Fig.5 Effect of flooding stress onantioxidant enzyme activity in roots of SF and ID（mean±SE，n＝3）

圖6 水淹脅迫對菲白竹和美麗箬竹根系的無氧呼吸酶活性的影響（平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差，n＝3）Fig.6 Effect of flooding stress on anaerobic respiratory enzyme activity in roots of SF and ID（mean±SE，n＝3）

3 討論

MDA作為膜脂過氧化產(chǎn)物與電解質(zhì)變化呈正相關(guān)，可反映植物細(xì)胞膜透性及損傷程度［30］。研究表明抗氧化酶保護(hù)植物免受脅迫傷害［31－32］。Alpuerto等［33］研究發(fā)現(xiàn)水稻缺氧脅迫導(dǎo)致MDA含量升高。崔豫川等［34］對栓皮櫟（Quercus variabilis）干旱及復(fù)水處理研究發(fā)現(xiàn)MDA含量與抗氧化酶相互協(xié)調(diào)；陳文佳等［35］研究表明干旱脅迫細(xì)葉小羽蘚（Haplocladium microphyllum）POD和SOD酶活性增加；李兆佳等［36］研究發(fā)現(xiàn)水淹脅迫狗牙根（Cynodon dactylon）和牛鞭草（Hemarthria altissima）的SOD酶活性升高，解除脅迫后仍保持較高水平。研究結(jié)果表明，隨水淹時(shí)間增加菲白竹的抗氧化酶活性均升高，美麗箬竹的POD和CAT酶活性降低，菲白竹和美麗箬竹的MDA含量和相對電導(dǎo)率增加（圖2、圖3），與美麗箬竹相比，菲白竹的MDA含量和相對電導(dǎo)率更低。說明美麗箬竹POD和CAT酶活性降低可能是脅迫時(shí)間的延長，耐受性達(dá)到最大限度，MDA含量增加，美麗箬竹受水淹脅迫影響較重；耐淹的菲白竹抗氧化作用更強(qiáng)，清除植物體內(nèi)的活性氧，膜損傷較輕［8，37］?；謴?fù)處理時(shí)，菲白竹的抗氧化酶活性顯著降低（圖5），美麗箬竹抗氧化酶活性升高，2個(gè)竹種的抗氧化酶活性恢復(fù)到對照水平，菲白竹較美麗箬竹抗氧化酶活性低；菲白竹和美麗箬竹的MDA含量和相對電導(dǎo)率恢復(fù)到對照水平，與菲白竹相比，美麗箬竹的MDA含量和相對電導(dǎo)率保持較高水平，說明在恢復(fù)處理時(shí)，相比菲白竹，當(dāng)缺氧的美麗箬竹再次暴露于氧氣時(shí)，過量形成ROS［38－39］使美麗箬竹仍受脅迫，恢復(fù)能力較慢。

可溶性糖是已知的保護(hù)生物膜免受化學(xué)失活的重要物質(zhì)，同時(shí)也是冷脅迫的保護(hù)劑［40］。Eleni F等［41］研究發(fā)現(xiàn)植物抗?jié)承耘c其積累量密切相關(guān)；張艷婷等［42］研究發(fā)現(xiàn)中山杉（Taxodium‘Zhongshansha’）水淹脅迫引起可溶性糖含量不斷積累，生長受到抑制；Tamang B C等［43］研究發(fā)現(xiàn)大豆（Glycine max）缺氧脅迫導(dǎo)致碳水化合物增加，去水后碳水化合物和ATP含量恢復(fù)；Gautam P等［44］研究表明在水淹期間和水淹后非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的減少是影響植物在水淹和恢復(fù)期間生存和生長的重要生化過程之一。研究結(jié)果表明，隨著水淹時(shí)間的延長菲白竹的可溶性糖含量顯著增加（p＜0.05），美麗箬竹呈先升高再降低的趨勢，菲白竹的可溶性糖含量比美麗箬竹高（圖1），表明2個(gè)竹種通過提高積累的可溶性糖含量來減少非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的消耗，抵御水淹逆境，提高耐淹能力，美麗箬竹的可溶性糖含量在水淹后期降低，說明隨著脅迫加劇，美麗箬竹生長受到抑制，能量供應(yīng)不足，消耗體內(nèi)積累的可溶性糖，耐淹能力較弱；恢復(fù)處理2個(gè)竹種均恢復(fù)到對照水平，與菲白竹相比，美麗箬竹的可溶性糖含量較高，說明可能菲白竹體內(nèi)積累的大量可溶性糖被用于恢復(fù)時(shí)期的生長能量供應(yīng)，從而含量減少，提高恢復(fù)時(shí)期的生存率，菲白竹的恢復(fù)能力較強(qiáng)［45－46］。

陳鷺真等［47］對紅樹植物水淹脅迫研究發(fā)現(xiàn)PDC與ADH酶活性增加是植物應(yīng)對缺氧環(huán)境的重要手段；Li C等［48］分析表明耐缺氧脅迫能力較高的蘋果（Malus domestica）品種的PDC和ADH酶活性較高；鄭俊鶱等［49］研究發(fā)現(xiàn)黃瓜土壤緊實(shí)脅迫導(dǎo)致無氧呼吸酶活性增加；Bryanin S V等［50］研究發(fā)現(xiàn)非生物脅迫導(dǎo)致根系活力下降；杜瀾等［51］研究發(fā)現(xiàn)干旱脅迫綠竹（Dendrocalamopsis oldhami）解除脅迫后根系活力升高。研究結(jié)果表明，隨著水淹時(shí)間的延長美麗箬竹的ADH和PDC酶活性呈先升高再降低的趨勢，菲白竹的ADH酶活性增加，菲白竹的無氧呼吸酶活性較美麗箬竹高（圖6）。說明可能是美麗箬竹水淹后期無氧呼吸達(dá)到閾值，從而無氧呼吸酶活性降低，2個(gè)竹種相比，菲白竹乙醇發(fā)酵作用更強(qiáng)水淹耐受性更強(qiáng)；恢復(fù)處理時(shí)，2個(gè)竹種的無氧呼吸酶活性降低，與菲白竹相比，美麗箬竹的無氧呼吸酶活性較高，說明解除脅迫后無氧呼吸減弱，開始恢復(fù)，菲白竹的恢復(fù)能力更強(qiáng)。水淹處理時(shí)美麗箬竹的根系活力迅速降低，菲白竹的根系活力在水淹后期降低，恢復(fù)處理時(shí)2個(gè)竹種的根系活力恢復(fù)到對照水平，菲白竹的根系活力較美麗箬竹高（圖4），表明水淹初期菲白竹的根系活力對水淹響應(yīng)積極，由于脅迫加劇導(dǎo)致2個(gè)竹種呼吸代謝紊亂，根系活力降低，可能是水淹脅迫時(shí)的無氧呼吸抑制根系活力，解除脅迫后根系活力有所恢復(fù)，與美麗箬竹相比，菲白竹的耐淹能力和恢復(fù)能力更強(qiáng)［52－53］。

綜上所述，菲白竹和美麗箬竹適應(yīng)水淹脅迫通過提高抗氧化酶POD、CAT和SOD活性，消除對植物有害的活性氧，減少膜脂過氧化作用產(chǎn)物丙二醛MDA和外滲物質(zhì)，降低相對電導(dǎo)率。同時(shí)提高無氧呼吸酶ADH和PDC活性促進(jìn)厭氧代謝，減少乳酸增加，減輕細(xì)胞內(nèi)PH值降低引起的細(xì)胞酸中毒，并且增加可溶性糖含量為呼吸代謝提供能量供應(yīng)，維持植物生存。水淹脅迫條件下菲白竹的抗性較強(qiáng)，美麗箬竹較弱。試驗(yàn)為菲白竹和美麗箬竹在季節(jié)性水淹環(huán)境條件下竹種選擇、栽培管理提供理論依據(jù)。