水淹脅迫下的水竹根系生理響應(yīng)與適應(yīng)特征

金 藝，李 旭，傅松玲，蘇文會(huì)，范少輝，景 雄，儲(chǔ)昊煜，倪惠菁

水淹脅迫下的水竹根系生理響應(yīng)與適應(yīng)特征

金 藝1, 2，李 旭1，傅松玲1*，蘇文會(huì)2，范少輝2，景 雄2，儲(chǔ)昊煜2，倪惠菁2

(1. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園林學(xué)院，合肥 230036；2. 國(guó)際竹藤中心，國(guó)家林業(yè)局竹藤科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，安徽太平竹林生態(tài)觀測(cè)研究站，北京 100102)

水竹(Oliv.)是優(yōu)良的筍材兩用竹種，對(duì)其研究多圍繞其豐產(chǎn)培育技術(shù)開(kāi)展，關(guān)于水竹對(duì)水淹脅迫的適應(yīng)特征與響應(yīng)機(jī)制尚不清楚。為探究水淹脅迫下水竹的根系泌H+特征等生理響應(yīng)及適應(yīng)特征，通過(guò)人工模擬脅迫梯度，采用非損傷微測(cè)技術(shù)(NMT)，測(cè)定水竹根系在全淹及半淹條件下的H+流速、抗氧化酶活性、內(nèi)源激素含量以及非結(jié)構(gòu)性碳水化物含量等變化規(guī)律。結(jié)果表明：水竹遭受水淹脅迫后根系所處環(huán)境的酸堿水平發(fā)生改變，根系泌H+現(xiàn)象明顯，隨脅迫時(shí)間延長(zhǎng)，通過(guò)自身調(diào)節(jié)適應(yīng)脅迫逐漸使得H+外排現(xiàn)象回落。水竹根系超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)和過(guò)氧化物酶(POD)活性整體隨脅迫程度增強(qiáng)而上升。另外，根系的淀粉和可溶性糖含量隨水淹脅迫時(shí)間延長(zhǎng)逐漸下降，水淹脅迫短時(shí)間內(nèi)影響了水竹體內(nèi)非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的含量，但含量仍在正常范圍之內(nèi)。綜上，水竹遭受水淹脅迫后根系所處環(huán)境的酸堿水平發(fā)生改變，短時(shí)間內(nèi)影響了水竹體內(nèi)碳水化合物的含量，顯著提高了根系抗氧化能力以清除活性氧(ROS)；通過(guò)內(nèi)源激素的協(xié)同作用，抑制自身生長(zhǎng)以適應(yīng)淹水環(huán)境。

水竹；水淹脅迫；根部H+流速；抗氧化能力；內(nèi)源激素；非結(jié)構(gòu)性碳水化合物

自然界中水本身對(duì)植物無(wú)害，但淹水所引起的次生脅迫使得植物根系處于缺氧狀態(tài)，進(jìn)而引起無(wú)氧呼吸導(dǎo)致植物體內(nèi)產(chǎn)生乙醇、乙醛等有毒物質(zhì)的累積。水淹脅迫作為一種常見(jiàn)的非生物因子脅迫之一，對(duì)植物的形態(tài)學(xué)、生理生化特性等方面會(huì)產(chǎn)生一定影響[1]。耐澇植物可通過(guò)自身的生理生化調(diào)節(jié)機(jī)制消除有害影響，適應(yīng)濕水(水淹)環(huán)境。在水淹脅迫響應(yīng)過(guò)程中，離子、多元醇、多胺、碳水化合物、氨基酸、蛋白質(zhì)等物質(zhì)均參與脅迫的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)保護(hù)其細(xì)胞、大分子物質(zhì)，使植物減輕或免受水分脅迫導(dǎo)致的消極影響。我國(guó)是持續(xù)性暴雨及洪澇災(zāi)害頻發(fā)的國(guó)家，特別是受東亞夏季風(fēng)和青藏高原影響的長(zhǎng)江流域，大量的林地極易遭受水淹脅迫，對(duì)我國(guó)林業(yè)生態(tài)建設(shè)產(chǎn)生了不利影響[2]。植物遭受外界脅迫時(shí)體內(nèi)產(chǎn)生大量活性氧(Reactive oxygen species, ROS)。作為一類(lèi)氧的單電子還原產(chǎn)物，活性氧包括氧的一電子還原產(chǎn)物超氧陰離子(·O2-)、二電子還原產(chǎn)物過(guò)氧化氫(H2O2)、三電子還原產(chǎn)物羥基自由基(·OH)和單線態(tài)氧(1O2)。高濃度ROS具有很強(qiáng)的氧化能力，能引起質(zhì)膜的過(guò)氧化，累積丙二醛(Malondialdehyde, MDA)等多種有害過(guò)氧化產(chǎn)物，造成一系列生理生化紊亂，嚴(yán)重時(shí)則影響植物正常生長(zhǎng)發(fā)育。植物體自身的抗氧化酶防御系統(tǒng)會(huì)對(duì)ROS及時(shí)進(jìn)行清除以維護(hù)自身正常生長(zhǎng)[3]。在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中，一些植物能夠通過(guò)自身代謝途徑、抗氧化酶系統(tǒng)以及激素含量水平的調(diào)節(jié)來(lái)抵御短期或較長(zhǎng)期的水淹生境得以存活[4]。這些抗氧化酶系統(tǒng)包括：超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase, SOD)、過(guò)氧化氫酶(Catalase, CAT)和過(guò)氧化物酶(Peroxidase, POD)等。此外，逆境下參與調(diào)控植物生理機(jī)制的還包括內(nèi)源激素，如脫落酸(Abscisic acid, ABA)、赤霉素(Gibberellin, GA)和生長(zhǎng)素(Auxin, IAA)[5]。研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)水分脅迫會(huì)增加水稻(L.)抗氧化酶活性[6]，隨著水淹脅迫程度的增加，桑苗()葉片中抗氧化酶活性會(huì)顯著上升[7]，而虎尾草()的POD和CAT活性逐漸上升，SOD活性先升后降[8]。韓乃鵬[9]研究發(fā)現(xiàn)，耐受性較強(qiáng)的植物在遭受水淹脅迫時(shí)，SOD、POD和CAT活性短時(shí)間內(nèi)會(huì)增強(qiáng)，隨著脅迫時(shí)長(zhǎng)的增加，酶活性會(huì)逐步減弱。同時(shí)，在水淹脅迫下，植物可調(diào)節(jié)GA和ABA生物合成以提高植物逆境脅迫耐受性[5, 10]。3種美洲黑楊無(wú)性系在澇漬缺氧條件下其葉片ABA和莖部乙烯含量顯著提高，促進(jìn)不定根的形成[11]。水淹脅迫下不同無(wú)性系雜交鵝掌楸ABA含量表現(xiàn)為先升后降再升，GA含量明顯下降，且抗性強(qiáng)的變化幅度小。IAA含量則表現(xiàn)為先降后升再降趨勢(shì)，抗性強(qiáng)的變化幅度大[12]。水淹脅迫深度及脅迫時(shí)間顯著影響著耐水淹植物野古草()和秋華柳()非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(Non-structural carbohydrate, NSC)含量及生物量的積累，脅迫程度的增加會(huì)導(dǎo)致植株可溶性糖和淀粉等NSC含量下降速度加快，直至淹水后期NSC儲(chǔ)備近乎消耗殆盡，植株死亡[13]。植物在生長(zhǎng)過(guò)程中，其根系不僅從周?chē)h(huán)境中攝取物質(zhì)，同時(shí)也會(huì)向生長(zhǎng)介質(zhì)中分泌質(zhì)子，釋放無(wú)機(jī)離子等根系分泌物，植物根系細(xì)胞將CO2、C2H2、HCO3-、H+、氨基酸等低分子量化合物主動(dòng)或被動(dòng)釋放到周?chē)H環(huán)境中，根系分泌物吸收和釋放的動(dòng)態(tài)變化是植物響應(yīng)環(huán)境脅迫最直接明顯的反應(yīng)[14]。水竹(Oliv.)隸屬禾本科剛竹屬，是優(yōu)良的筍材兩用竹種，產(chǎn)于黃河流域及其以南[15]。從水竹適生區(qū)看，該竹種在河溝兩岸甚至長(zhǎng)期水淹的洼地均長(zhǎng)勢(shì)良好，能較好地耐水淹脅迫。近年來(lái)，水竹的相關(guān)研究多圍繞其豐產(chǎn)培育技術(shù)開(kāi)展，主要集中在栽培管理技術(shù)[16]、造林經(jīng)營(yíng)技術(shù)[17]和設(shè)施栽培[18]等方面，而關(guān)于水竹對(duì)水淹脅迫的適應(yīng)特征與響應(yīng)機(jī)制尚不清楚，例如水竹作為適應(yīng)性強(qiáng)、耐水淹竹種，水淹脅迫環(huán)境下根系周?chē)釅A水平如何變化？水竹體內(nèi)抗氧化酶系統(tǒng)如何協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)？如何調(diào)配內(nèi)源激素的分泌？碳水化合物的分配作何反應(yīng)？鑒于此，本文通過(guò)模擬淹水環(huán)境，探究不同淹水處理(根系半淹、全淹)下水竹的適應(yīng)性及生理響應(yīng)特征，明確其在水淹脅迫下的生理生化適應(yīng)機(jī)制，以期揭示水竹抗水濕規(guī)律，為拓展其濕地生態(tài)利用提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

驗(yàn)材料取自安徽省黃山市黃山區(qū)西北部(30°21’N，118°01’E)太平湖邊天然水竹林。該地位于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，雨量充足，土壤肥沃，小氣候特點(diǎn)顯著。年平均氣溫15.4 ℃，年平均降水量1 000 mm以上，年平均無(wú)霜期225 d，年平均日照時(shí)數(shù)1 752.7 h。每年4月底至5月初太平湖水位上漲，屆時(shí)湖水淹至水竹植株地上部位0.5 ~ 0.8 m處，水淹時(shí)長(zhǎng)15 d左右。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與樣品采集處理

2018年10月，于太平湖天然水竹林隨機(jī)帶蔸(平均高約20 cm、直徑約25 cm)挖取60棵生長(zhǎng)狀況一致的健康無(wú)蟲(chóng)害一年生(2017—2018)水竹植株(平均胸徑1.67 cm，平均株高225.10 cm) 作為試驗(yàn)材料，挖出當(dāng)下立刻移栽于高30 cm、直徑45 cm的移栽盆中，將其根部完全置于移栽盆，覆營(yíng)養(yǎng)土澆水(盆底預(yù)鋪5 cm厚營(yíng)養(yǎng)土，放入竹蔸后填滿(mǎn))。將盆栽苗帶回，統(tǒng)一放置于試驗(yàn)大棚中澆水養(yǎng)護(hù)至2019年7月。試驗(yàn)設(shè)置兩個(gè)水淹梯度，處理組T1、T2和一個(gè)空白對(duì)照組CK。處理組Ⅰ為根部半淹，即清水淹至移栽盆50%處(T1)；處理組Ⅱ?yàn)楦咳停磳⒁圃耘?00%淹沒(méi)于清水中(T2)；保持正常澆水養(yǎng)護(hù)為空白對(duì)照組(CK)。共3個(gè)處理組，每組20棵水竹植株。2019年7月初將水竹盆栽植株進(jìn)行水淹處理，按時(shí)間梯度分別處理3、6、9、12及15 d，在不同時(shí)間梯度處理下于各處理組中隨機(jī)取3盆水竹植株進(jìn)行根系采樣。取成熟健康鮮根樣品，從植株上分離后立即對(duì)樣品進(jìn)行速凍處理(按處理組存放入預(yù)先盛滿(mǎn)冰袋的泡沫箱)，隨即置于–20 ℃冰箱保存，用于相關(guān)生理指標(biāo)的測(cè)定。

1.3 水竹根系生理指標(biāo)測(cè)定

利用非損傷微測(cè)技術(shù)NMT (Non-invasive micro-test technology，美國(guó)揚(yáng)格公司Younger USA LLC, Amherst, MA 01002, USA，旭月公司Xuyue (Beijing) Sci. &Tech. Co., Ltd., Beijing, China)檢測(cè)水淹脅迫下水竹盆栽苗一級(jí)側(cè)根、二級(jí)側(cè)根成熟區(qū)H+流速變化（圖1）。該試驗(yàn)中對(duì)水竹盆栽苗根部進(jìn)行統(tǒng)一的全水淹處理，設(shè)置3個(gè)時(shí)間梯度：24、48和72 h，另設(shè)置一個(gè)空白對(duì)照(Normal watering, NW)。采樣時(shí)對(duì)各處理時(shí)間梯度下的試驗(yàn)苗根部，用蒸餾水沖洗干凈，分別選取無(wú)破損且外觀一致的根，使用濾紙條和樹(shù)脂塊，將一條根部固定在培養(yǎng)皿底部，露出檢測(cè)區(qū)域。向培養(yǎng)皿中加入測(cè)試液(0.5 KCl，0.1 CaCl2，0.5 MES，pH 6.0)，浸沒(méi)根部，靜置30 min，再棄去測(cè)試液，加入5～10 mL新鮮測(cè)試液，上樣檢測(cè)。在顯微鏡下找到成熟區(qū)上的1個(gè)待測(cè)位點(diǎn)，將H+流速傳感器置于距根表面檢測(cè)位點(diǎn)30 μm處，開(kāi)始檢測(cè)，每個(gè)位點(diǎn)檢測(cè)5 min，每組檢測(cè)6個(gè)重復(fù)。操作imFluxes V 2.0軟件(旭月公司Xuyue (Beijing) Sci. &Tech. Co., Ltd., Beijing, China) 直接讀取并輸出H+流速數(shù)據(jù)，流速單位為pmol·cm-2·s-1，其正值代表外排，負(fù)值代表吸收。超氧化物歧化酶活性采用氮藍(lán)四唑(NBT)光化還原法測(cè)定[19]；過(guò)氧化氫酶活性采用過(guò)氧化氫分解法測(cè)定[19]；過(guò)氧化物酶活性采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定[19]；丙二醛含量采用硫代巴比妥酸(TBA)法測(cè)定[20]；赤霉素、脫落酸和生長(zhǎng)素含量采用酶聯(lián)免疫吸附分析法(ELISA, Shanghai Enzyme-linked Biotechnology Co., Ltd., Shanghai, China)測(cè)定[21]。淀粉及可溶性糖采用蒽酮比色法測(cè)定[22]：在提取液中加入鹽酸，105 ℃消煮120 min，活性碳脫色，過(guò)濾，濾液加入蒽酮，沸水浴12 min，測(cè)定吸光度。

圖1 非損傷微測(cè)技術(shù)檢測(cè)根系成熟區(qū)H+流速實(shí)測(cè)圖

Figure 1 Measurement chart of H+flux in maturation zone of root system by non-invasive micro-tests

1.4 數(shù)據(jù)分析

文中所有數(shù)據(jù)均運(yùn)用WPS Office 2019和SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析，圖表均采用R studio 3.6.3和Sigmaplot 12.5軟件完成。采用LSD多重比較分析不同處理梯度各參數(shù)的顯著性差異，顯著性水平設(shè)定為= 0.05。采用雙因素方差(Two-way ANOVA)分析時(shí)間、處理及其相互作用對(duì)植物生理性狀的影響(SOD、CAT、POD、MDA、ABA、GA、IAA、可溶性糖和淀粉)。采用R studio 3.6.3進(jìn)行PCA主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 水淹脅迫對(duì)水竹根系H+流速特征的影響

水竹根系在遭遇水淹脅迫后，其根系的一級(jí)側(cè)根及二級(jí)側(cè)根均表現(xiàn)出泌H+趨勢(shì)，二級(jí)側(cè)根對(duì)淹水的泌H+響應(yīng)較一級(jí)側(cè)根更為敏感。隨著水淹時(shí)間的增加，根系泌H+能力呈現(xiàn)先增強(qiáng)后減弱的趨勢(shì)(圖2)。不同水淹時(shí)間處理下的水竹一級(jí)側(cè)根H+凈流速均表現(xiàn)為外排，二級(jí)側(cè)根H+凈流速均表現(xiàn)為吸收狀態(tài)。其中，一級(jí)側(cè)根淹水處理24 h時(shí)的H+外排現(xiàn)象最明顯；二級(jí)側(cè)根在受到水淹脅迫后，H+凈流速下的吸收水平顯著低于對(duì)照組(< 0.05)，此后隨著水淹脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，H+流速變化不顯著。分析認(rèn)為，水竹的H+流速變化體現(xiàn)了淹水下水竹對(duì)低氧脅迫的自適應(yīng)過(guò)程，根系受水淹脅迫進(jìn)行無(wú)氧呼吸致使泌H+現(xiàn)象加劇，改變了根系所處的酸堿環(huán)境。

圖2 水淹脅迫下不同脅迫時(shí)長(zhǎng)水竹根系(一級(jí)根、二級(jí)根)H+流速

Figure 2 Comparison of root (the first-order lateral root and the second-order lateral root) hydrogen ion flux (secretion capacity) ofOliv. under different flooding time

2.2 水淹脅迫對(duì)水竹根系抗氧化能力的影響

雙因素方差分析表明，脅迫強(qiáng)度和脅迫時(shí)長(zhǎng)對(duì)水竹根系SOD、CAT和POD酶活性影響顯著(< 0.01)，脅迫強(qiáng)度和脅迫時(shí)長(zhǎng)交互水竹根系SOD酶活性影響顯著(< 0.01)，脅迫時(shí)長(zhǎng)對(duì)水竹根系丙二醛(MDA)含量影響顯著(< 0.01)(表1)。半水淹T1和全水淹T2兩種淹水模式處理下不同淹水時(shí)長(zhǎng)的水竹根系抗氧化酶活性及膜脂過(guò)氧化產(chǎn)物MDA含量的變化情況結(jié)果（圖3）表明，淹水后的水竹根系SOD、CAT和POD酶活性均顯著高于未淹水的空白對(duì)照組(< 0.05)。隨著淹水時(shí)長(zhǎng)的增加，水竹根的抗氧化酶活性增強(qiáng)，且全淹組較半淹組的抗氧化酶活性強(qiáng)。在不同淹水處理下，水竹根系中MDA含量較CK組并無(wú)顯著性差異(> 0.05)。

2.3 水淹脅迫下水竹根系內(nèi)源激素含量的變化

雙因素方差分析表明，脅迫強(qiáng)度和脅迫時(shí)長(zhǎng)及其交互作用對(duì)水竹根系A(chǔ)BA、GA和IAA含量影響極顯著(< 0.001，< 0.01) (表1)。隨著脅迫時(shí)間的增加，半水淹(T1)和全水淹(T2)兩種水淹強(qiáng)度下，水竹根系A(chǔ)BA含量均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，且在第15天處理下的ABA含量達(dá)到峰值，水淹脅迫組 (T1和T2) 的水竹根系A(chǔ)BA含量顯著高于其對(duì)照組(CK)(< 0.05)(圖4)。隨著淹水處理時(shí)間的增加，水竹根系GA和IAA含量均呈下降趨勢(shì)。除第9天淹水處理外，其余各處理時(shí)間梯度下，脅迫組水竹根系的GA和IAA含量均顯著低于對(duì)照組，且根系在全水淹處理下GA和IAA含量均顯著低于半水淹處理含量(< 0.05)。不同淹水模式處理下水竹的SOD、CAT、POD、MDA、ABA、GA及IAA 7種生理指標(biāo)的PCA分析結(jié)果（圖5）顯示，其根部的第一主成分方差貢獻(xiàn)率為75.8%，第二主成分方差貢獻(xiàn)率為10.9%，共貢獻(xiàn)達(dá)86.7%，第一、第二主成分能夠反映不同分組間7個(gè)生理指標(biāo)的差異。且各生理指標(biāo)間存在顯著相關(guān)性，IAA、GA與其他生理指標(biāo)顯著負(fù)相關(guān)，其余各生理指標(biāo)間均呈現(xiàn)顯著正相關(guān)性。

不同小寫(xiě)字母表示相同脅迫時(shí)長(zhǎng)時(shí)不同脅迫強(qiáng)度間的差異顯著性(P < 0.05)。下同。

Figure 3 Effects of different stress intensities and different stress duration to activities ofSOD(A), CAT(B), POD(C) and MDA(D) in the root system of

表1 脅迫強(qiáng)度與時(shí)長(zhǎng)對(duì)水竹根系各生理指標(biāo)的雙因素方差分析

注：表中數(shù)值為值，***<0.001，**<0.01和*<0.05。

2.4 水淹脅迫對(duì)水竹葉根非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量的影響

雙因素方差分析表明，脅迫強(qiáng)度和脅迫時(shí)長(zhǎng)及其交互作用對(duì)水竹根系可溶性糖和淀粉含量影響極顯著(< 0.01) (表1)。不同時(shí)間淹水處理(T1、T2)下水竹根系中的可溶性糖和淀粉含量較CK組均有下降，且隨著淹水處理時(shí)間的增加，水竹根系非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量呈下降趨勢(shì)(圖6)。

圖4 不同脅迫強(qiáng)度不同脅迫時(shí)長(zhǎng)下水竹根系內(nèi)源激素含量

Figure 4 Endogenous hormone contents in root system ofOliv. under different stress intensities and different stress duration

圖5 不同水淹脅迫下水竹根系各生理指標(biāo)的主成分分析

Figure 5 Principal component analysis of physiological indexes in roots and leaves ofOliv.

圖6 不同時(shí)長(zhǎng)水淹脅迫對(duì)水竹葉片及根系非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量的影響

Figure 6 The effect of water flooding stress on the leafand root non-structural carbohydrate concentrations inOliv.

3 討論與結(jié)論

在植物生長(zhǎng)過(guò)程中，根系一方面從生長(zhǎng)介質(zhì)中攝取養(yǎng)分和水分；另一方面，也向生長(zhǎng)介質(zhì)中分泌質(zhì)子(H+)等低分子量化合物，根系的酸堿(pH)可調(diào)控植物根系的生長(zhǎng)，H+吸收和釋放的動(dòng)態(tài)變化是植物響應(yīng)環(huán)境脅迫的直接生理反應(yīng)[15, 23]。我們發(fā)現(xiàn)，水淹脅迫下水竹根系整體上對(duì)H+呈外排狀態(tài)，隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，H+外排現(xiàn)象逐漸減弱。研究表明，水淹處理對(duì)水竹產(chǎn)生次生脅迫，根系進(jìn)行無(wú)氧呼吸致使H+外排現(xiàn)象加劇，這改變了水竹根系所處環(huán)境的酸堿水平，隨脅迫時(shí)間延長(zhǎng)，水竹通過(guò)自身調(diào)節(jié)適應(yīng)脅迫，逐漸使得H+外排現(xiàn)象回落，可見(jiàn)水竹對(duì)水淹脅迫具有較好的生理調(diào)控能力?？寡趸赶到y(tǒng)將脅迫過(guò)程中形成的過(guò)氧化物歧化為水和氧氣等物質(zhì)。植物在正常的生理活動(dòng)中體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生活性氧，逆境脅迫下活性氧增加打破活性氧的平衡[24]。植物會(huì)通過(guò)抗氧化酶系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)生的活性氧進(jìn)行清除[25-26]以維持自身正常生長(zhǎng)。正常情況下，植物體在受到逆境脅迫時(shí)，體內(nèi)抗氧化酶活性會(huì)隨活性氧的累積而顯著升高[25-27]。龐欣等[28]在研究汞脅迫對(duì)小麥幼苗抗氧化酶活性的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)小麥幼苗受到汞脅迫后根系SOD酶活性顯著增加。張永峰等[29]發(fā)現(xiàn)隨著混合鹽堿處理濃度的增大，經(jīng)處理的苗期紫花苜蓿葉片的SOD酶、CAT酶和POD酶活性均呈上升趨勢(shì)。自由基作用于脂質(zhì)發(fā)生過(guò)氧化反應(yīng)產(chǎn)生丙二醛，毒害植物細(xì)胞。MDA含量可以反映植物遭受逆境傷害的程度。當(dāng)植物長(zhǎng)期處于逆境脅迫下，ROS的大量產(chǎn)生導(dǎo)致植物體內(nèi)抗氧化酶系統(tǒng)對(duì)于活性氧的清除失衡時(shí)，MDA將會(huì)累積。李會(huì)云等[30]發(fā)現(xiàn)隨土壤含鹽量增加，MDA含量逐漸升高。本研究中水竹根系中的SOD、CAT和POD酶活性整體隨脅迫程度增強(qiáng)而上升，說(shuō)明水竹自身抗氧化酶系統(tǒng)對(duì)水淹脅迫造成的次生脅迫引起缺氧所產(chǎn)生的ROS產(chǎn)生了響應(yīng)，為清除多余的超氧陰離子和過(guò)氧化氫，其自身保護(hù)酶活性顯著增強(qiáng)。水竹根系MDA含量在各脅迫強(qiáng)度及時(shí)間節(jié)點(diǎn)下整體差異未達(dá)顯著水平(> 0.05)，因此在為時(shí)15 d的脅迫處理下未造成水竹體內(nèi)活性氧清除失衡，也未引起水竹細(xì)胞大量的膜脂過(guò)氧化反應(yīng)。從水竹根系A(chǔ)BA含量的變化情況可看出，水竹根系是通過(guò)提高根系A(chǔ)BA含量來(lái)應(yīng)對(duì)淹水環(huán)境脅迫，以調(diào)節(jié)自身對(duì)脅迫環(huán)境的適應(yīng)能力。在淹水環(huán)境中水竹通過(guò)調(diào)節(jié)GA和IAA激素含量減緩其自身生長(zhǎng)速率，以緩解環(huán)境脅迫造成的相關(guān)生理響應(yīng)以提高其抗逆性。此外，水淹脅迫顯著影響了水竹根系A(chǔ)BA、GA和IAA含量水平，在淹水處理的15 d內(nèi)，根系激素產(chǎn)生了應(yīng)激性反應(yīng)，脅迫環(huán)境下根系GA和IAA含量降低，ABA含量升高，水竹根系通過(guò)其自身內(nèi)源激素含量調(diào)節(jié)來(lái)應(yīng)對(duì)淹水環(huán)境所帶來(lái)的不良生長(zhǎng)影響。李迎春[31]在研究水淹脅迫對(duì)河竹()生理生化的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，其自身酶活性、激素水平和碳水化合物代謝等均存在明顯的水位效應(yīng)和時(shí)間效應(yīng)，能在一定時(shí)間內(nèi)有效運(yùn)行自身抗氧化酶系統(tǒng)和調(diào)節(jié)激素水平以應(yīng)對(duì)水淹脅迫。本研究發(fā)現(xiàn)，淹水環(huán)境下水竹同樣能有效調(diào)控自身抗氧化酶系統(tǒng)(SOD、POD和CAT)以及激素水平(GA、IAA和ABA)作出了相應(yīng)的抗逆生理響應(yīng)，并且水竹具較強(qiáng)的合理范圍內(nèi)的碳水化合物的代謝水平，通過(guò)適應(yīng)性生理保證了根系正常的生長(zhǎng)和代謝，這對(duì)其能夠在水淹環(huán)境下保持較好的生理狀態(tài)，維持較長(zhǎng)時(shí)間的正常生存具有重要意義。非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(NSC，主要組成是可溶性糖和淀粉)，為植物生長(zhǎng)和代謝提供底物，可被植物各器官儲(chǔ)存[32]。植物器官中NSC含量影響植物對(duì)環(huán)境脅迫的響應(yīng)，這個(gè)參數(shù)反映了C供應(yīng)水平、植物生長(zhǎng)、緩沖能力和適應(yīng)策略[33-36]。環(huán)境脅迫會(huì)致使植物大量消耗細(xì)胞內(nèi)NSC，脅迫程度的增加會(huì)導(dǎo)致植株可溶性糖和淀粉等碳水化合物下降速度加快，水淹后期NSC儲(chǔ)備近乎消耗殆盡，死亡率增加[13]。有些植物全淹環(huán)境下根系可溶性糖和淀粉含量顯著降低，脅迫解除后含量又會(huì)明顯升高[37]?？扇苄缘鞍鬃鳛闈B透調(diào)節(jié)物質(zhì)能在逆境脅迫下保護(hù)細(xì)胞膜系統(tǒng)免遭破壞。本研究在歷時(shí)15 d短時(shí)間水淹脅迫下，水竹根系的可溶性蛋白含量上升，淀粉和可溶性糖含量隨時(shí)間延長(zhǎng)逐漸下降，淹水脅迫短時(shí)間內(nèi)影響了水竹體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和碳水化合物等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量，水竹通過(guò)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的變化對(duì)周?chē)h(huán)境的改變作出應(yīng)答。水竹在水淹脅迫環(huán)境下表現(xiàn)出了良好的自我調(diào)控能力，各組水竹在水淹脅迫試驗(yàn)結(jié)束時(shí)仍保持良好的生長(zhǎng)，此結(jié)果為將水竹作為河湖濕地生態(tài)環(huán)境修復(fù)材料提供了理論基礎(chǔ)。隨著全球氣候的日益惡化，極端天氣頻發(fā)[38]，使得減輕生態(tài)系統(tǒng)負(fù)荷壓力、依靠生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力與自組織能力使其向有序的方向進(jìn)行演化顯得尤為重要。未來(lái)濕地生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)、植物種類(lèi)篩選仍是值得探究的課題，進(jìn)一步了解水竹對(duì)水環(huán)境有害物質(zhì)的凈化能力和作用機(jī)制仍是值得研究的方向。然而，本研究只討論了水竹淹水適應(yīng)性的生理響應(yīng)規(guī)律，任何生理層面上的調(diào)控機(jī)制都是通過(guò)相關(guān)基因水平上調(diào)或下調(diào)而引起的，因此，從分子水平揭示水竹的水淹脅迫適應(yīng)性的分子機(jī)制，為培育具有耐水淹能力強(qiáng)的竹子種類(lèi)和生態(tài)型更是值得進(jìn)一步研究的課題。

[1] 謝雯穎. 土壤水分脅迫對(duì)植物生理生態(tài)影響的研究進(jìn)展[J]. 科教導(dǎo)刊(電子版), 2015(36): 188.

[2] 黃榮輝, 陳棟, 劉永. 中國(guó)長(zhǎng)江流域洪澇災(zāi)害和持續(xù)性暴雨的發(fā)生特征及成因[J]. 成都信息工程學(xué)院學(xué)報(bào), 2012, 27(1): 1-19.

[3] 李璇, 岳紅, 王升, 等. 影響植物抗氧化酶活性的因素及其研究熱點(diǎn)和現(xiàn)狀[J]. 中國(guó)中藥雜志, 2013, 38(7): 973-978

[4] 譚淑端, 朱明勇, 張克榮, 等. 植物對(duì)水淹脅迫的響應(yīng)與適應(yīng)[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2009, 28(9): 1871-1877.

[5] 潘瑞熾. 植物生理學(xué)[M]. 7版. 北京: 高等教育出版社, 2012.

[6] 黃萬(wàn)勇, 盧成, 鄭世宗, 等. 淹水脅迫對(duì)水稻植株抗氧化酶變化的影響[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2017, 35(11): 1008-1012.

[7] 崔雪, 饒良懿, 周其令. 水淹脅迫下飼料桑苗()葉片形態(tài)及部分酶活性的變化[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2018, 37(12): 3633-3639.

[8] 夏斌, 劉瑩, 胡尚春, 等. 水淹脅迫對(duì)虎尾草生理指標(biāo)的影響[J]. 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2019, 47(7): 31-36.

[9] 韓乃鵬. 水淹脅迫對(duì)樂(lè)安河河岸帶植物群落的分布、生理和生長(zhǎng)狀況的影響[D]. 南昌: 江西師范大學(xué), 2017.

[10] 牛亞利, 趙芊, 張肖晗, 等. 赤霉素信號(hào)在非生物脅迫中的作用及其調(diào)控機(jī)制研究進(jìn)展[J]. 生物技術(shù)通報(bào), 2015, 31(10): 31-37.

[11] 徐錫增, 唐羅忠, 程淑婉. 澇漬脅迫下楊樹(shù)內(nèi)源激素及其它生理反應(yīng)[J]. 南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 1999, 23(1): 3-5.

[12] 潘向艷. 雜交鵝掌楸不同無(wú)性系對(duì)淹水脅迫的反應(yīng)[D]. 南京: 南京林業(yè)大學(xué), 2006.

[13] 葉小齊, 曾波. 三峽庫(kù)區(qū)兩種耐水淹植物的存活率和碳水化合物儲(chǔ)備關(guān)系[J]. 水生生物學(xué)報(bào), 2013, 37(3): 450-457.

[14] 張福鎖. 根分泌物及其在植物營(yíng)養(yǎng)中的作用（綜述） [J]. 北京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 1992, 18(4): 353-356.

[15] 易同培, 史軍義, 馬麗莎. 中國(guó)竹類(lèi)圖志[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2008.

[16] 劉迪欽, 馬宗艷. 水竹特性與栽培管理[J]. 湖南林業(yè)科技, 2005, 32(3): 64-65.

[17] 樓枝春, 王彩娥, 潘世民, 等. 水竹筍用林經(jīng)營(yíng)技術(shù)[J]. 林業(yè)科技開(kāi)發(fā), 2002, 16(1): 52.

[18] 嚴(yán)彥, 蘇文會(huì), 王瑋, 等. 設(shè)施栽培水竹出筍及幼竹高生長(zhǎng)規(guī)律研究[J]. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào), 2013, 29(1): 42-46.

[19] 陳建勛, 王曉峰. 植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M]. 2版. 廣州: 華南理工大學(xué)出版社, 2006.

[20] 李合生. 植物生理生化實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2000.

[21] SERGEEVA E, LIAIMER A, BERGMAN B. Evidence for production of the phytohormone indole-3-acetic acid by cyanobacteria[J]. Planta, 2002, 215(2): 229-238.

[22] 鄒琦. 植物生理生化實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M]. 北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社, 2003.

[23] 王玉書(shū), 劉海, 袁玲. 空心蓮子草根系分泌物對(duì)無(wú)機(jī)磷細(xì)菌的負(fù)化感效應(yīng)[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2017, 54(6): 1486-1496.

[24] 牛亞利, 趙芊, 張肖晗, 等. 赤霉素信號(hào)在非生物脅迫中的作用及其調(diào)控機(jī)制研究進(jìn)展[J]. 生物技術(shù)通報(bào), 2015(10): 31-37.

[25] 李璇, 岳紅, 王升, 等. 影響植物抗氧化酶活性的因素及其研究熱點(diǎn)和現(xiàn)狀[J]. 中國(guó)中藥雜志, 2013, 38(7): 973-978

[26] FOYER C H, DESCOURVIèRES P, KUNERT K J. Protection against oxygen radicals: an important defence mechanism studied in transgenic plants[J]. Plant Cell Environ, 1994, 17(5): 507-523.

[27] 王芳, 孫周平, 劉義玲. 缺氧及氧恢復(fù)對(duì)馬鈴薯塊莖線粒體中活性氧及抗氧化酶的影響[J]. 植物生理學(xué)報(bào), 2014, 50(3): 283-289.

[28] 龐欣, 王東紅, 彭安. 汞脅迫對(duì)小麥幼苗抗氧化酶活性的影響[J]. 環(huán)境化學(xué), 2001, 20(4): 351-355.

[29] 張永峰, 殷波. 混合鹽堿脅迫對(duì)苗期紫花苜?？寡趸富钚约氨┖康挠绊慬J]. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2009, 18(1): 46-50.

[30] 李會(huì)云, 郭修武. 鹽脅迫對(duì)葡萄砧木葉片保護(hù)酶活性和丙二醛含量的影響[J]. 果樹(shù)學(xué)報(bào), 2008, 25(2): 240-243.

[31] 李迎春. 河竹對(duì)淹水環(huán)境的生理生態(tài)響應(yīng)特征[D]. 北京: 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院, 2017.

[32] AI Z M, HE L R, XIN Q, et al. Slope aspect affects the non-structural carbohydrates and C: N: P stoichiometry ofon the Loess Plateau in China[J]. CATENA, 2017, 152: 9-17.

[33] MILLARD P, SOMMERKORN M, GRELET G A. Environmental change and carbon limitation in trees: a biochemical, ecophysiological and ecosystem appraisal[J]. New Phytol, 2007, 175(1): 11-28.

[34] POORTER L, KITAJIMA K. Carbohydrate storage and light requirements of tropical moist and dry forest tree species[J]. Ecology, 2007, 88(4): 1000-1011.

[35] KOZLOWSKI T T. Carbohydrate sources and sinks in woody plants[J]. Bot Rev, 1992, 58(2): 107-222.

[36] MYERS J A, KITAJIMA K. Carbohydrate storage enhances seedling shade and stress tolerance in a neotropical forest[J]. J Ecol, 2007, 95(2): 383-395.

[37] 秦洪文, 劉正學(xué), 鐘彥, 等. 水淹對(duì)瀕危植物疏花水柏枝生長(zhǎng)及恢復(fù)生長(zhǎng)的影響[J]. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào), 2014, 30(23): 284-288.

[38] IPCC. Climate Change 2018: Special report on global warming of 1.5 ℃[R]. Cambridge: Cambridge University Press, 2018.

Physiological response and adaptive characteristics ofOliv. roots under waterlogging stress

JIN Yi1, 2, LI Xu1, FU Songling1, SU Wenhui2, FAN Shaohui2, JING Xiong2, CHU Haoyu2, NI Huijing2

(1. School of Forestry and Landscape Architecture, Anhui Agricultural University, Hefei 230036; 2. Anhui Taiping Bamboo Forest Ecosystem Observation Station, Key Laboratory of Science and Technology of Bamboo and Rattan of State Forestry Administration, International Bamboo and Rattan Center, Beijing 100102)

Oliv. is an excellent dual-purpose bamboo species, and researches are mostly carried out on its high-yield cultivation technology. The adaptation characteristics and response mechanism ofOliv. to flooding stress still keep unclear. In this study, to explore the physiological response and adaptation characteristics of the root secretion H+ofOliv. under water stress, we artificially simulated the stress gradient and used non-damage micro-measurement technology (NMT) to determine the H+flow rate, antioxidant enzyme activity, endogenous hormone concentrations and non-structural carbohydrate concentrations in theOliv root system under full and semi-submerged conditions. The results showed that the acid and alkali levels in the root system changed afterOliv. was subjected to flooding stress. The root system secreted H+obviously, and the self-regulated adaptation stress gradually made H+efflux decline with the extension of stress time. The activities of superoxide dismutase (SOD), catalase (CAT) and peroxidase (POD) in the roots of theOliv. increased as the stress level increased. In addition, the starch and soluble sugar concentrations in the root system gradually decreased with the extension of the flooding stress time. The short-term flooding stress affected the concentrations of non-structural carbohydrates in theOliv., but the concentrations were still within the normal range. To sum up, the acid and alkali levels of the environment in the root system of the water bamboo changed after being flooded, which affected the carbohydrate content of theOliv. in a short period of time and significantly improved the antioxidant capacity of the root system to remove reactive oxygen species (ROS); the synergistic effect of endogenous hormones inhibited its own growth to adapt to the flooded environment.

Oliv.; waterlogging stress; root H+flux; antioxidant capacity; endogenous hormones; non-structural carbohydrate

S795

A

1672-352X (2021)01-0001-08

10.13610/j.cnki.1672-352x.20210319.023

2021-3-23 12:11:40

[URL] https://kns.cnki.net/kcms/detail/34.1162.S.20210319.1548.046.html

2020-05-12

國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題（2015BAD04B02）資助。

金 藝，碩士研究生。E-mail：jinyi209@yeah.net

傅松玲，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail：fusongling@ahau.edu.cn