灰化苔草對不同水位環(huán)境的生理適應(yīng)性

堯曉晨,曹 昀,鄭國砥,李 梟,李夢涵,湯思文,許令明

1 江西師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院，南昌 330022 2 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所環(huán)境修復(fù)中心, 北京 100101 3 江西師范大學(xué)鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點實驗室，南昌 330022

灰化苔草(Carexcinerascens)屬莎草科苔草屬,根狀莖,叢生型多年生草本植物,分布于我國華東和華中地區(qū),是鄱陽湖洲灘分布最廣、面積最大的優(yōu)勢物種,對鄱陽湖濕地生態(tài)系統(tǒng)功能的發(fā)揮起著重要作用[14]。目前關(guān)于水位與植物的研究多集中在穩(wěn)定水環(huán)境與植物生理生態(tài)響應(yīng)之間的研究,有學(xué)者針對番茄(Solanumlycopersicum)[15]、茄子(Solanummelongena)[16]、綿毛水蘇(Stachyslanata)[17]、花揪樹(Sorbuspohuashanensis)[18]在水分脅迫或淹水脅迫環(huán)境中植物生理生化響應(yīng)特性開展了相應(yīng)的研究。對于水位變化與植物之間的研究更多的關(guān)注于植物種群與生物量的室外觀測分析研究[19-25]。而對于長期生長在水位變化環(huán)境中植物生理特性變化研究較少、對于灰化苔草在不同水環(huán)境中的生理特性研究尚無報道。本文通過室內(nèi)模擬試驗,研究不同水位環(huán)境下灰化苔草生理生化與水位變化之間的響應(yīng)關(guān)系,以明確鄱陽湖濕地中灰化苔草在節(jié)律性水文變化背景下其生理響應(yīng)機制。為進一步揭示濕地植被群落演替機制與分布格局提供數(shù)據(jù)支持,同時為濕地水文調(diào)控、生態(tài)恢復(fù)與生物多樣性保護提供重要科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料與設(shè)計

試驗采用雙套盆法進行,試驗地點為江西師范大學(xué)鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點實驗室植物陽光房、溫度為(22±5)℃,光照為自然光照。試驗材料于2019年3月15日從南磯濕地國家自然保護區(qū)灰化苔草典型分布區(qū)(28°55′45″N,116°19′26″E)采取的幼苗植株,先將采集回實驗室的灰化苔草栽培于17 cm×18 cm盆中進行預(yù)培養(yǎng),基質(zhì)為采自鄱陽湖濕地的草甸沼澤土(pH值為5.36,有機質(zhì)和全氮含量分別為42 g/kg和19.6 g/kg)。4月10日,隨機選取長勢一致植株放入試驗所用有機玻璃桶中、每組平行試驗3盆,選取株高大致一致(65—70 cm)的植株每盆10株。每個玻璃桶在距底部10 cm處有直徑為4 cm小孔,平時用橡膠塞密封,可用于調(diào)節(jié)玻璃桶中水位的高度。

試驗時間為2019年4月10日—5月20日、共計40 d。上升、下降、穩(wěn)定水位各設(shè)置7個水位梯度組,共21個試驗組與水位0 cm(即試驗桶中水位剛好沒過培養(yǎng)盆培養(yǎng)基質(zhì)表面)對照組。穩(wěn)定與下降水位的初始水位分別為8、16、24、32、40、48、56 cm,上升水位試驗組初始水位為0 cm,上升和下降變化強度分別為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4 cm/d,穩(wěn)定水位在試驗期內(nèi)保持水位恒定。即5月20日時下降水位各試驗組水位均為0 cm、上升水位各試驗組分別為8、16、24、32、40、48、56 cm。每天19:00對各試驗組進行水位處理、調(diào)節(jié)到當(dāng)日既定水位。

1.2 試驗指標測定

試驗對各試驗組的有機玻璃桶內(nèi)3個培養(yǎng)盆分別剪取未發(fā)黃的水面上苔草葉片進行各指標的測定。測試時間在水位變化前(4月10日)測定一次作為初始參考數(shù)據(jù)。而后每隔10 d測定1次,水位處理結(jié)束后5天(5月25日)再次測定作為最終值。

SOD活性采用氮藍四唑(NBT)測定,POD活性則是通過愈創(chuàng)木酚在過氧化物酶催化下能被過氧化氫氧化顯色進行測定,CAT活性采用紫外吸收法,硫代巴比妥酸法測定丙MDA含量,考馬斯亮藍法測定可溶性蛋白,可溶性糖含量測定參考蒽酮比色法,采用磺基水楊酸法測定葉片脯氨酸含量[26],超氧陰離子產(chǎn)生速率采用羥胺氧化法進行測定[27],每個試樣3個重復(fù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010和Origin 2018進行數(shù)據(jù)處理與制圖。SPSS 22.0 軟件對測定數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析處理,通過單因素方差分析,探討水位變化對灰化苔草的生理影響、采用LSD進行組間多重比較。采用雙因素方差分析不同類型水環(huán)境條件下水位強度與時間及兩者交互效應(yīng)對灰化苔草生理影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 抗氧化酶活性

2.1.1SOD活性

SOD活性在不同的水環(huán)境條件下表現(xiàn)不同的變化趨勢,據(jù)表1在不同水環(huán)境下,處理強度與時間、以及處理強度和時間的交互效應(yīng)對SOD活性影響均顯著(P<0.05)(表1)。在穩(wěn)定水位中,各不同水位處理試驗組SOD活性均高于對照組,且在32—56 cm水位梯度中隨時間變化先增加后減少、差異性顯著(P<0.05),而在8—24 cm范圍內(nèi)SOD活性表現(xiàn)為先增加后趨于穩(wěn)定。下降水位中,SOD活性隨時間先增后減、且各變化強度SOD活性在30—45 d時間范圍內(nèi)無顯著性差異(P>0.05)。上升水位在0.6—1.0 cm/d變化強度SOD活性持續(xù)增加。3種水環(huán)境處理在試驗期10—20 d內(nèi),SOD活性隨水位變化強度增加持續(xù)增加,30—45 d的SOD活性先增后減,且不同水位組之間差異性顯著(P<0.05)。在0.2—0.6、1.2—1.4 cm/d變化范圍內(nèi),上升和下降水位SOD活性變化形式一致。在變化強度0.8、1.0 cm/d下,SOD活性持續(xù)上升/下降(圖1)。

表1 灰化苔草生理指標的雙因素方差分析(F值)

圖1 不同試驗條件對灰化苔草超氧化物歧化酶活性的影響Fig.1 Effects of different test conditions on Superoxide dismutase (SOD) activity of C. cinerascens柱形圖中不同大寫字母表示同一水環(huán)境處理不同時間測得的指標有顯著性差異(P<0.05),不同小寫字母表示同一時間不同水環(huán)境處理測得的指標有顯著性差異(P<0.05)

2.1.2POD活性

雙因素方差分析表明,在3種水環(huán)境條件下、POD活性受水位、時間及其交互作用影響顯著(P<0.05)(表1)。POD活性在不同類型水環(huán)境、不同處理強度下隨時間的變化趨勢不同。穩(wěn)定水位中,不同淹水梯度中的POD活性隨時間變化先上升后下降。上升水位中POD活性隨時間持續(xù)增加,但隨處理強度的增加、增幅隨時間變化而減小。下降水位中,在0.2 cm/d的變化強度下、POD活性在30—45 d內(nèi)與對照組無顯著差異(P>0.05),0.4—0.8 cm/d先下降后上升,而1.0—1.2 cm/d范圍中的POD活性先下降后上升再下降,而1.4 cm/d強度下,POD活性持續(xù)上升。3種水環(huán)境類型的不同處理強度的POD活性在10—20、20—30、30—40 d的3個時間范圍內(nèi)中變化較為顯著(P<0.05),上升、下降與穩(wěn)定水位POD活性最大增幅分別為； 79.46%(1.2 cm/d、20—30 d)、117.31%(0.8 cm/d、20—30 d)、228.84%(0.8 cm/d、20—30 d)(圖2)。

圖2 不同試驗條件對灰化苔草過氧化物酶活性的影響Fig.2 Effects of different test conditions on peroxidase (POD) activity of C. cinerascens

2.1.3CAT活性

通過時間和水位的雙因素方差分析可知,CAT活性在不同類型水環(huán)境條件下與水位、時間及兩者間交互效應(yīng)的顯著性水平不同(表1),CAT活性變化趨勢與SOD活性一致。各不同水位試驗組中,除上升水位處理的0.2—0.8 cm/d CAT活性持續(xù)增加外,其余均表現(xiàn)為先增加后減少趨勢,并且在同一試驗水位強度處理組內(nèi)CAT活性峰值出現(xiàn)時間隨處理強度的增加而提前。上升與下降水位在0.4—1.4 cm/d范圍相鄰時間點CAT活性變化幅度較大、差異性顯著(P<0.05、P<0.001),3種水位類型的CAT活性在10、20 d隨水位梯度的變化幅度較大,CAT差異極顯著(P<0.001),30 d—45 d差異顯著(P<0.05)。在變化水位0.2—0.6 cm/d和穩(wěn)定水位8—24 cm范圍內(nèi)CAT活性隨時間的變化差異顯著(P<0.05),而在變化水位0.8—1.4 cm/d和穩(wěn)定水位32—56 cm范圍內(nèi)CAT活性隨時間變化差異性較為顯著(P<0.01)(圖3)。

圖3 不同試驗條件對灰化苔草過氧化氫酶活性的影響Fig.3 Effects of different test conditions on catalase (CAT) activity of C. cinerascens

2.2 滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)

2.2.1脯氨酸

雙因素方差分析表明,脯氨酸含量在上升水位中與處理強度、處理時間及其兩者的交互效應(yīng)差異性極顯著(P<0.001),在下降變化與穩(wěn)定水位環(huán)境下影響顯著(P<0.05)(表 1)。穩(wěn)定水位中,各不同水位試驗組的脯氨酸含量均高于對照組、且差異顯著(P<0.05),在不同水位梯度的脯氨酸含量隨時間變化由持續(xù)增加到先增加后減小變化。在上升水位中,不同處理強度間脯氨酸含量隨時間變化與穩(wěn)定水位一致、最大值為133.88 μg/g(45 d、1.0 cm/d)。脯氨酸含量在下降水位的七個處理強度內(nèi)隨時間變化具有一致性,均為先增后減,并且在0.2、0.4 cm/d處理中脯氨酸含量在試驗中后期維持在較低水平,甚至低于對照組脯氨酸含量。在1.2、1.4 cm/d處理中脯氨酸含量在上升與下降水位都呈現(xiàn)先升后降(圖4)。

圖4 不同試驗條件對脯氨酸含量的影響Fig.4 Effects of different test conditions on Proline (Pro) content of C. cinerascens

2.2.2可溶性蛋白含量

可溶性蛋白含量在不同類型水環(huán)境下處理強度、處理時間及其交互效應(yīng)間的差異性顯著(P<0.05)(表1)。穩(wěn)定水位中；在水位梯度8—32 cm深度范圍內(nèi),試驗中前期(0—30 d)可溶性蛋白含量無顯著性差異(P>0.05),在試驗后期(30—45 d)可溶性蛋白含量顯著增加。下降水位中,0.2—0.4 cm/d試驗組的可溶性蛋白隨時間無顯著變化(P>0.05),0.6—1.4 cm/d范圍內(nèi)可溶性蛋白含量呈現(xiàn)U型曲線變化,且隨變化強度的增加可溶性蛋白含量差異性越顯著。上升水位中,0.2—0.8 cm/d處理范圍內(nèi),除30 d外可溶性蛋白含量隨時間變化均無顯著性差異(P>0.05)。上升水位在1.0—1.4 cm/d與下降水位0.6—1.4 cm/d范圍的試驗組可溶性蛋白含量變化趨勢一致。各試驗組在0—20 d內(nèi)可溶性蛋白含量變化幅度相對較小(圖5)。

圖5 不同試驗條件對灰化苔草可溶性蛋白含量的影響Fig.5 Effects of different test conditions on soluble protein (SP) content of C. cinerascens

2.2.3可溶性糖含量

可溶性糖含量與試驗處理強度、淹水深度與時間交互作用呈極顯著相關(guān)(P<0.001),與上升、下降變化的時間與變化強度的交互作用呈現(xiàn)較顯著相關(guān)(P<0.01),與其他因素顯著相關(guān)(P<0.05)(表1)?？扇苄蕴呛吭诓煌h(huán)境下變化趨勢與可溶性蛋白大致一致。在穩(wěn)定水位的8—32 cm與0.8 cm/d的上升變化試驗組中,可溶性糖含量隨時間變化持續(xù)增加、且在20—30 d時間范圍內(nèi)增幅最大。在0.2—0.4 cm/d與8—16 cm范圍內(nèi)不同水位梯度試驗組中可溶性糖含量在10 d、20 d間無顯著性差異(P>0.05)。40—56 cm范圍內(nèi)淹水強度與可溶性糖含量變化幅度成正比。上升變化中,在相同時間下,0—0.4 cm/d范圍變化強度下可溶性糖含量隨處理強度變化無顯著性差異(P>0.05)。下降水位0.2 cm/d與上升水位0.4 cm/d的試驗組可溶性糖含量與對照組之間無顯著性差異(P>0.05)(圖6)。

圖6 不同試驗條件對灰化苔草可溶性糖含量的影響Fig.6 Effects of different test conditions on soluble sugar (Ss) content of C. cinerascens

2.3 細胞膜脂過氧化程度

2.3.1超氧陰離子產(chǎn)生速率

從表1可知超氧陰離子產(chǎn)生速率受水位影響顯著性水平最高(P<0.001),時間和水位交互影響顯著性水平較低(P<0.05)(表1)。穩(wěn)定水位中,在不同淹水深度內(nèi)超氧陰離子產(chǎn)生速率隨時間變化呈現(xiàn)U型變化,且在相同時間下超氧陰離子產(chǎn)生速率隨淹水深度的整體表現(xiàn)為增加趨勢。同一試驗處理時間內(nèi)上升和下降水位的超氧陰離子產(chǎn)生速率均隨處理強度的增加而持續(xù)增加,且超氧陰離子產(chǎn)生速率最大值均在水位深度最大處(45 d、1.4 cm/d,10 d、1.4 cm/d)。在0.2、0.4 cm/d試驗條件下超氧陰離子產(chǎn)生速率在與對照組差異不顯著(±15 mol g-1h-1)。在0.6—1.0 cm/d處理強度下上升和下降水位超氧陰離子產(chǎn)生速率表現(xiàn)形式一致,隨時間變化先上升/下降后趨于穩(wěn)定,在1.2、1.4 cm/d試驗組中超氧陰離子產(chǎn)生速率隨時間持續(xù)上升/下降,各組之間差異性顯著(P<0.05)(圖7)。

圖7 不同試驗條件對灰化苔草超氧陰離子產(chǎn)生速率的影響Fig.7 Effects of different test conditions on superoxide anion production rate of C. cinerascens

2.3.2丙二醛含量

丙二醛(MDA)含量在上升水位中變化強度與時間之間的交互效應(yīng)下差異性不顯著(P>0.05),其他水環(huán)境處理下差異性顯著(P<0.05)(表 1)。不同水環(huán)境中MDA含量變化趨勢與超氧陰離子產(chǎn)生速率一致。在3種水位處理中,MDA含量均隨處理強度的增加而增加。穩(wěn)定水位與下降水位環(huán)境MDA含量變化類似,在8—32 cm、0.2—0.8 cm/d的水位環(huán)境中,MDA含量變化幅度較小,40—56 cm、1.0—1.4 cm/d梯度范圍內(nèi)MDA含量先下降后急劇升高,并且處理強度與MDA含量變化幅度呈正相關(guān)。上升水位中0.2 cm/d和0.4 cm/d的MDA含量與對照組無顯著性差異(P>0.05),0.6 cm/d與0.8 cm/d變化強度下MDA含量隨時間先增后減,1.0—1.4 cm/d強度范圍內(nèi)MDA含量持續(xù)增加。3種水位環(huán)境中MDA含量最大值均出現(xiàn)在試驗時間45 d,試驗處理強度最大(1.4 cm/d、56 cm)時(圖8)。

圖8 不同試驗條件對灰化苔草丙二醛含量的影響Fig.8 Effects of different test conditions on Malondialdehyde (MDA) content of C. cinerascens

3 討論

3.1 植物抗氧化系統(tǒng)對變化環(huán)境的響應(yīng)

在本試驗中,灰化苔草生理特性對水位變化較為敏感,在穩(wěn)定水位處理組中；試驗10 d,SOD和CAT活性上升應(yīng)對淹水環(huán)境。在30—45 d時的SOD和CAT變化表明灰化苔草能較好的適應(yīng)24 cm以下的淹水環(huán)境(圖1、圖3),而48 cm以上淹水深度超過植物耐受范圍、從而導(dǎo)致植物細胞保護酶受損,表明植物忍耐逆境脅迫的能力有限[39-41]。植物在變化環(huán)境中為了適應(yīng)水位變化環(huán)境,濕地植物通常會做出相應(yīng)的調(diào)整響應(yīng),以維持自身的生存和生長以減小水位變化對自身的傷害[42-43],并且存在適宜范圍[44],在本研究中0.4 cm/d與1.2 cm/d變化強度下抗氧化酶活性與MDA含量的顯著差異性變化表明該變化強度可能是灰化苔草耐受的臨界值(圖1—圖3、圖8)。在試驗過程中POD活性與SOD、CAT活性變化的差異性,尤其與SOD間的差異性變化表明POD與SOD存在明顯的補償機制(圖1—圖3),這與張虎等[45]對湖北海棠(Malushupehensis)葉片淹水脅迫下的結(jié)果一致。在試驗后期以及高強度的水位變化/淹水環(huán)境下POD活性的變化(圖3),可能由于在后期POD對灰化苔草的傷害效應(yīng)導(dǎo)致,這與淹水脅迫下虉草(Phalarisarundinacea)的研究結(jié)果一致[46]。

3.2 滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)對水位變化環(huán)境的響應(yīng)

滲透調(diào)節(jié)是植物應(yīng)對逆境脅迫的一種重要方式,植物通過滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)以調(diào)節(jié)細胞滲透勢、從而緩解逆境環(huán)境對的細胞的傷害[47-49]。因此水生植物在適應(yīng)環(huán)境變化的過程中,經(jīng)常伴隨著滲透物質(zhì)含量的變化。在本研究中,試驗開始時,脯氨酸與可溶性糖含量顯著高于對照組(圖4、圖6),說明此時植物主動積累脯氨酸與可溶性糖調(diào)節(jié)細胞膨壓、以應(yīng)對水位變化導(dǎo)致的逆境環(huán)境。可溶性蛋白含量在試驗開始時無明顯變化可以解釋為正常蛋白合成受到抑制,而后發(fā)生顯著變化、并與可溶性糖含量變化趨勢具有一致性(圖5、圖6),說明新蛋白的合成與酶活性明顯提高。隨著時間與處理強度的增加,細胞膜脂過氧化程度加劇。在上升與穩(wěn)定水位0—1.0 cm/d、0—40 cm處理強度下,脯氨酸含量強度下持續(xù)增加(圖4),表明通過脯氨酸含量變化以應(yīng)對環(huán)境變化是灰化苔草生長過程中的重要方式,與長喙毛茛澤瀉(Ranalismarostratum)在不同水深下脯氨酸含量變化一致[50],而在1.2、1.4 cm/d與48、56 cm處理強度的30—45 d時脯氨酸的下降(圖4),表明該處理強度超過植物本身的耐受范圍。

3.3 水位環(huán)境對細胞質(zhì)膜的影響

質(zhì)膜是細胞內(nèi)外部環(huán)境的動態(tài)屏障,是細胞物質(zhì)交換和信息傳遞的重要通道。植物在受到逆境脅迫時,質(zhì)膜功能或結(jié)構(gòu)被破壞,膜透性增加,這是膜損傷和變性的重要標志。在本研究中,與對照相比,除0.2 cm/d變化強度外、各組MDA含量、超氧陰離子產(chǎn)生速率均有所增加、且以穩(wěn)定水位最為顯著(圖7、圖8),因而穩(wěn)定水位對膜透性損傷較為嚴重。試驗0—20 d,MDA增幅較小、超氧陰離子產(chǎn)生速率的微小變化或先增后減的變化趨勢與SOD、POD的急劇增加對比說明(圖1、圖2、圖7、圖8),此時抗氧化酶的協(xié)同作用在一定程度上對于丙二醛含量和超氧陰離子的產(chǎn)生有所影響。試驗高強度處理組(1.2 cm/d、1.4 cm/d、48 cm、56 cm)MDA含量與超氧陰離子產(chǎn)生速率的高數(shù)值表明(圖8)在該環(huán)境下,植物處于高強度淹水逆境脅迫、植物細胞膜系統(tǒng)受到一定程度損傷,從而導(dǎo)致植物細胞內(nèi)有害物質(zhì)的持續(xù)增加。

4 結(jié)論

綜上所述,灰化苔草在穩(wěn)定與變化水位中,當(dāng)植物受到脅迫時,會通過調(diào)節(jié)MDA含量、抗氧化酶活性、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)等以響應(yīng)逆境環(huán)境。在穩(wěn)定水環(huán)境中,試驗所設(shè)置淹水梯度均使灰化苔草受到不同程度逆境脅迫,主要表現(xiàn)為植物內(nèi)穩(wěn)態(tài)平衡的破壞、細胞膜質(zhì)過氧化。在8、16 cm淹水梯度下、灰化苔草生理能快速適應(yīng)水位環(huán)境,24—40 cm淹水范圍內(nèi)、灰化苔草通過調(diào)節(jié)各物質(zhì)的含量對淹水環(huán)境進行適應(yīng)性響應(yīng),而在48、56 cm淹水梯度下,淹水梯度超過植物閾值、植株開始出現(xiàn)枯萎死亡現(xiàn)象。在變化水位中,灰化苔草表現(xiàn)較強的調(diào)節(jié)能力,在0.2 cm/d的變化強度下、植物長勢優(yōu)于對照組,各生理指標較好,在0.4—1.2 cm/d的變化范圍內(nèi),植物對變化水位環(huán)境的適應(yīng)時間與變化強度成正比。在1.4 cm/d的變化強度下,灰化苔草細胞膜結(jié)構(gòu)受損,超過植物調(diào)節(jié)極限。因此,以灰化苔草對濕地進行生態(tài)恢復(fù)時,應(yīng)避免長期的淹水環(huán)境,而對生境中水位變化進行低強度的調(diào)控有助于調(diào)節(jié)植株生理代謝過程。