澳洲茶樹(shù)對(duì)淹水脅迫的生長(zhǎng)和生理響應(yīng)

劉正興，肖玉菲，莫云善，陳博雯，覃子海，張 燁，張曉寧，覃玉鳳，劉海龍

（1.廣西國(guó)有欽廉林場(chǎng)，廣西欽州 535000；2.廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院國(guó)家林業(yè)和草原局中南速生材繁育實(shí)驗(yàn)室 廣西優(yōu)良用材林資源培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧 530002）

近年來(lái)，隨著全球氣候變暖，淹澇災(zāi)害頻有發(fā)生，我國(guó)也是自然災(zāi)害頻發(fā)的國(guó)家，淹澇是主要的自然災(zāi)害之一，已成為植物遭受的主要逆境之一[1]。適宜的水分是植物生長(zhǎng)的必需條件，淹水會(huì)導(dǎo)致土壤水分含量過(guò)多，影響土壤的物理化學(xué)特性[2]，使植物根部受淹，造成缺氧，地上部分生長(zhǎng)受到抑制，葉片發(fā)黃萎蔫[3]，進(jìn)而影響植物自身的生理代謝，對(duì)其生長(zhǎng)造成巨大影響[4]。植物可通過(guò)改變生理特性等方式適應(yīng)淹水脅迫，不同植物在淹水脅迫條件下的生理響應(yīng)有所不同。研究表明，耐淹性強(qiáng)的植物會(huì)通過(guò)提高超氧化物歧化酶（SOD）、過(guò)氧化氫酶（CAT）和過(guò)氧化物酶（POD）等抗氧化酶活性清除活性氧，減輕淹水對(duì)植物的傷害[5-6]；淹水脅迫下，植物還會(huì)改變代謝狀態(tài)，積累脯氨酸和可溶性糖，主動(dòng)適應(yīng)淹水環(huán)境，丙二醛（MDA）含量可衡量植物受逆境傷害的程度[7-8]。

澳洲茶樹(shù)（Melaleuca alternifolia）為桃金娘科（Myrtaceae）白千層屬植物[9]，又名互葉白千層，原產(chǎn)于澳大利亞，自然生長(zhǎng)于沼澤平原，喜潮濕但排水良好的土壤[10]。澳洲茶樹(shù)新鮮枝葉提取的精油為茶樹(shù)油，茶樹(shù)油是優(yōu)良的天然芳香劑、抗菌劑和防腐劑，廣泛應(yīng)用于制藥、日化、食品和香料等行業(yè)[11]，經(jīng)濟(jì)價(jià)值極高。20世紀(jì)90年代初我國(guó)開(kāi)始引進(jìn)澳洲茶樹(shù)，并在南方多省區(qū)種植[12]，這些省區(qū)為洪澇多發(fā)地帶，開(kāi)展澳洲茶樹(shù)抗?jié)承匝芯渴直匾?。此前，有關(guān)澳洲茶樹(shù)淹水脅迫的報(bào)道較少，主要研究了淹水脅迫下內(nèi)源激素[13]和幼苗氣體交換及葉綠素?zé)晒獾那闆r[14]，關(guān)于保護(hù)酶和代謝產(chǎn)物方面的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。本研究通過(guò)模擬淹水脅迫條件，對(duì)淹水脅迫下澳洲茶樹(shù)的生長(zhǎng)情況、保護(hù)酶活性和代謝產(chǎn)物含量進(jìn)行研究，以進(jìn)一步了解其在淹水脅迫下的生理響應(yīng)機(jī)制，深入了解澳洲茶樹(shù)的耐澇性，為其在低洼濕潤(rùn)區(qū)域推廣種植提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

材料為廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院生物技術(shù)研究所培育的1年生4-松油醇型澳洲茶樹(shù)組培苗，栽植于40 cm×30 cm的育苗袋內(nèi)，基質(zhì)為紅壤土，土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀的平均含量分別為11.3、0.14、0.16和6.43 g/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地位于廣西林科院生物所苗圃（108°35′E，22°92′N），苗圃上方有遮雨棚，日溫27.0～37.5 ℃，夜溫22.5～26.0℃，平均相對(duì)濕度55%。2017年8月選擇生長(zhǎng)健康、長(zhǎng)勢(shì)一致的20株澳洲茶樹(shù)苗，通過(guò)雙套盆法[15]進(jìn)行盆栽淹水試驗(yàn)，將育苗袋置于注滿水的塑料桶內(nèi)，水位在土壤表面高度5 cm左右，每天檢查補(bǔ)充水分，保持水位。其他按照常規(guī)育苗方式管理，參照劉海龍等[16]篩選的最佳施肥配方進(jìn)行施肥。脅迫當(dāng)天記為0 d，連續(xù)脅迫60 d。

1.3 測(cè)定與觀察方法

1.3.1 生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定

處理開(kāi)始至試驗(yàn)結(jié)束，用卷尺（精確到0.1 cm）和游標(biāo)卡尺（精確到0.01 mm）每10 d分別測(cè)定20株苗木的苗高（土壤表面至苗木頂稍的距離）與地徑（土壤表面以上5 cm處的直徑）1次，同時(shí)觀察苗木葉片狀態(tài)（是否變黃或萎蔫）及根系情況（是否腐爛），60 d統(tǒng)計(jì)成活率。

1.3.2 生理指標(biāo)測(cè)定

淹水處理后每2 d采集1次葉片，每次取樣重復(fù)3次，樣品采集后立即采用干冰速凍，放入超低溫冰箱中備用，用于各項(xiàng)生理指標(biāo)測(cè)定。POD活性、SOD活性、CAT活性、硝酸還原酶（NR）活性和谷胱甘肽過(guò)氧化物酶（GSH-PX）活性的測(cè)定采用酶聯(lián)免疫吸附法，試劑盒來(lái)自南京森貝伽生物科技有限公司；脯氨酸含量的測(cè)定采用茚三酮顯色法[17]；MDA含量和可溶性糖含量的測(cè)定參考孔祥生等[18]的方法。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2007計(jì)算數(shù)據(jù)的平均值，然后對(duì)平均值進(jìn)行常規(guī)統(tǒng)計(jì)和作圖，并采用SPSS 19.0進(jìn)行方差分析和多重比較（鄧肯氏新復(fù)極差法）。苗高和地徑生長(zhǎng)量為脅迫處理相應(yīng)時(shí)間的苗高、地徑減去脅迫0 d的苗高、地徑所得值。

2 結(jié)果與分析

2.1 淹水脅迫對(duì)澳洲茶樹(shù)生長(zhǎng)的影響

淹水脅迫60 d內(nèi)，葉片未出現(xiàn)萎蔫變黃和脫落等現(xiàn)象，14 d有新芽萌出，根部未腐爛，苗木成活率為100%。不同淹水時(shí)間對(duì)苗高和地徑生長(zhǎng)的影響差異顯著（P＜0.05）（圖1）。苗高在20 d后增長(zhǎng)逐漸變緩，30 d增長(zhǎng)19.21 cm，60 d增長(zhǎng)24.85 cm（圖1a）；地徑在40 d后增長(zhǎng)趨于平緩，30 d增長(zhǎng)0.75 mm，60 d增長(zhǎng)0.92 mm（圖1b）。常規(guī)育苗時(shí)，澳洲茶樹(shù)的苗高和地徑30 d可分別增長(zhǎng)20～25 cm和1.5～6.1 mm[16]，均顯著高于本研究，說(shuō)明淹水脅迫雖未造成其死亡，但隨著淹水時(shí)間的增加，淹水對(duì)苗高和地徑的生長(zhǎng)產(chǎn)生了抑制。

圖1 不同淹水脅迫時(shí)間對(duì)澳洲茶樹(shù)生長(zhǎng)的影響Fig.1 Effects of different flooding stress time on growths of M.alternifolia

2.2 淹水脅迫對(duì)澳洲茶樹(shù)保護(hù)酶活性的影響

POD活性隨淹水時(shí)間的增加呈上升趨勢(shì)，脅迫0 d時(shí)為0.003 U/g，脅迫60 d時(shí)為0.069 U/g；前6 d上升幅度較大，前24 d波動(dòng)幅度較大，之后呈逐步上升趨勢(shì)，48 d后上升趨勢(shì)逐漸變緩，說(shuō)明澳洲茶樹(shù)受到淹水脅迫后迅速啟動(dòng)POD進(jìn)行保護(hù)，通過(guò)不斷調(diào)整POD的活性消除自由基帶來(lái)的傷害（圖2a）。

SOD活性前10 d呈波動(dòng)升高，之后整體呈波動(dòng)下降的趨勢(shì)，脅迫0 d時(shí)為1 826.98 U/g，脅迫60 d時(shí)降低為1 234.540 U/g，說(shuō)明前10 d，SOD通過(guò)提高活性來(lái)保護(hù)植物，但隨著淹水時(shí)間的增加逐漸失去了對(duì)植物的保護(hù)作用（圖2b）。

CAT活性及NR活性的整體變化趨勢(shì)類似，均表現(xiàn)出前32 d波動(dòng)幅度較大，發(fā)揮了一定調(diào)節(jié)作用，之后逐漸趨于平緩，維持較低的水平（圖2c～d）。CAT活性前16 d較高，16～30 d較低，22 d時(shí)僅為0.104 U/g，說(shuō)明CAT主要在前16 d發(fā)揮作用；NR活性在18～30 d較高，20 d時(shí)為0.360 U/g，活性最高，32 d后幾乎和脅迫0 d時(shí)相當(dāng)，說(shuō)明NR主要發(fā)揮作用的時(shí)間為18～30 d。

GSH-PX活性呈先升高后降低的趨勢(shì)，前38 d波動(dòng)幅度較大，活性較高，之后呈逐步降低的趨勢(shì)；脅迫0 d時(shí)為109.585 U/g，6 d時(shí)達(dá)到峰值（1 128.180 U/g），60 d時(shí)降低為476.790 U/g，但仍顯著高于脅迫0 d時(shí)的活性（P＜0.05），說(shuō)明GSH-PX在前38 d發(fā)揮明顯作用，之后作用變?。▓D2e）。

2.3 淹水脅迫對(duì)澳洲茶樹(shù)代謝產(chǎn)物的影響

不同淹水時(shí)期代謝產(chǎn)物變化差異顯著（P＜0.05）（圖3）。MDA是膜脂過(guò)氧化產(chǎn)物之一，對(duì)細(xì)胞有很強(qiáng)的毒性，并且參與破壞生物膜的結(jié)構(gòu)和功能，植物體內(nèi)MDA的產(chǎn)生與積累是植物脅迫的主要生理響應(yīng)特征之一。澳洲茶樹(shù)淹水脅迫60 d內(nèi)MDA含量呈連續(xù)M型變化，4個(gè)峰值分別出現(xiàn)在16、22、30和40 d，脅迫60 d時(shí)MDA含量與脅迫前6 d的含量差異不顯著，說(shuō)明淹水對(duì)澳洲茶樹(shù)產(chǎn)生了一定的脅迫，但通過(guò)自身保護(hù)酶等調(diào)節(jié)機(jī)制的作用，葉片并未積累太多MDA，對(duì)葉片膜脂傷害不大（圖3a）。

圖3 不同淹水脅迫時(shí)間對(duì)澳洲茶樹(shù)代謝產(chǎn)物的影響Fig.3 Effects of different flooding stress time on metabolites in M.alternifolia

脯氨酸是有效的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)之一，澳洲茶樹(shù)脯氨酸含量在淹水前14 d變化不顯著，16 d時(shí)顯著增加，由脅迫0 d的10.473 μg/g增加到51.835 μg/g，16～44 d呈小幅波動(dòng)，之后趨于平穩(wěn)（48 μg/g左右），說(shuō)明淹水脅迫前14 d并未形成較嚴(yán)重的脅迫，不需要脯氨酸進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)，16 d后啟動(dòng)脯氨酸調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透勢(shì)，使澳洲茶樹(shù)逐漸適應(yīng)淹水環(huán)境（圖3b）。

耐澇性較強(qiáng)的植物為了適應(yīng)逆境，會(huì)主動(dòng)積累可溶性糖維持細(xì)胞膨壓，保持穩(wěn)定和充足的碳水化合物供應(yīng)。澳洲茶樹(shù)可溶性糖含量前34 d波動(dòng)較大，之后呈顯著降低的趨勢(shì)（P＜0.05），脅迫60 d時(shí)的含量顯著低于脅迫0 d時(shí)的含量，說(shuō)明淹水脅迫前34 d可溶性糖對(duì)于緩解淹水脅迫對(duì)苗木造成的傷害具有重要意義，之后可溶性糖逐漸被消耗，可能是植物生長(zhǎng)受到抑制的重要原因（圖3c）。

3 結(jié)論與討論

淹水脅迫會(huì)使新葉形成受阻，誘導(dǎo)老葉變黃衰老甚至脫落，抑制苗木生長(zhǎng)，甚至導(dǎo)致其死亡，存活率是評(píng)價(jià)植物耐澇性的重要指標(biāo)之一，長(zhǎng)期淹水脅迫下，耐澇性強(qiáng)的植物存活率明顯高于耐澇性弱的植物[19-20]。澳洲茶樹(shù)在淹水60 d內(nèi)，未出現(xiàn)葉片萎蔫發(fā)黃及脫落現(xiàn)象，仍有新芽萌出，存活率為100%，說(shuō)明其具有較強(qiáng)的耐澇性，這與陳博雯等[13]的研究結(jié)果一致。本研究中，澳洲茶樹(shù)在淹水脅迫下苗高和地徑生長(zhǎng)均受到抑制，而劉瑞仙等[14]研究發(fā)現(xiàn)淺淹組（水位高出土壤5 cm）在淹水90 d內(nèi)株高受到的影響較小，與對(duì)照沒(méi)有差異，可能是因?yàn)樵囼?yàn)材料有差別，大小不同的苗木耐澇程度可能存在差異，可在后續(xù)試驗(yàn)中開(kāi)展澳洲茶樹(shù)不同生長(zhǎng)期淹水脅迫試驗(yàn)，為科學(xué)管理苗木和合理用水提供依據(jù)。

淹水脅迫會(huì)造成根部缺氧，導(dǎo)致植物氧代謝失調(diào)，致使活性氧積累而引起細(xì)胞損傷[1]。淹水條件下，植物會(huì)啟動(dòng)一系列保護(hù)酶調(diào)整和降低活性氧含量[21]，同時(shí)改變代謝狀態(tài)適應(yīng)淹水環(huán)境。本研究中不同的淹水時(shí)期，5種保護(hù)酶活性變化不同，其中POD活性呈現(xiàn)前期波動(dòng)、后期顯著增加的趨勢(shì)，可見(jiàn)POD是澳洲茶樹(shù)淹水脅迫的重要響應(yīng)酶，隨著淹水時(shí)間增加，主要啟動(dòng)POD來(lái)提高其耐澇適應(yīng)性，其他4種保護(hù)酶活性分別在淹水的不同時(shí)期達(dá)到峰值后逐漸下降，可能是與POD協(xié)調(diào)配合清除活性氧，分別在不同時(shí)期發(fā)揮作用。不同淹水時(shí)期代謝產(chǎn)物含量變化差異顯著，其中MDA和可溶性糖含量在波動(dòng)后逐漸下降，脯氨酸含量顯著增加，可能是脯氨酸能通過(guò)滲透調(diào)節(jié)保持細(xì)胞結(jié)構(gòu)完整，降低MDA含量，脯氨酸含量的急劇上升是植物適應(yīng)淹水脅迫的表現(xiàn)[22]。除了保護(hù)酶和代謝狀態(tài)的調(diào)節(jié)外，植物還會(huì)通過(guò)改變植株形態(tài)、形成通氣組織和產(chǎn)生不定根等來(lái)適應(yīng)淹水環(huán)境，維持正常生長(zhǎng)[23]，后續(xù)可開(kāi)展淹水脅迫下澳洲茶樹(shù)營(yíng)養(yǎng)器官解剖結(jié)構(gòu)的研究，進(jìn)一步分析其耐澇的結(jié)構(gòu)性特征，為其推廣提供更加科學(xué)的理論依據(jù)。

澳洲茶樹(shù)具有較強(qiáng)的耐澇性，在淹水脅迫下能生長(zhǎng)；應(yīng)對(duì)淹水逆境時(shí)，不同淹水時(shí)間發(fā)揮作用的保護(hù)酶不同，POD為主要的保護(hù)響應(yīng)酶，SOD、CAT、NR和GSH-PX與其協(xié)調(diào)作用清除活性氧，減少活性氧對(duì)細(xì)胞膜的傷害；脯氨酸和可溶性糖進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)，使MDA含量在波動(dòng)后回歸正常值，但苗木的生長(zhǎng)速度受到一定程度的抑制，為保證生長(zhǎng)，淹水時(shí)應(yīng)及時(shí)排水。