水淹脅迫誘導喜旱蓮子草莖發(fā)生類環(huán)割效應

鄒 曼,任心怡,林 鋒,阿依巧麗,曾 波,張小萍

三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室,重慶市三峽庫區(qū)植物生態(tài)與資源重點實驗室,西南大學生命科學學院, 重慶 400715

在全球氣候變化的大背景下,強降雨天氣頻繁出現,洪澇災害也時有發(fā)生,越來越多的陸生植物面臨不同程度的水淹脅迫[1- 2]。在植物遭受的水淹脅迫中,以植株的部分結構或器官遭受水淹(即局部水淹)最為常見。喜旱蓮子草(Alternantheraphiloxeroides(Mart.) Griseb.)是在我國有廣泛分布的一種莧科植物,具有較強的水淹耐受能力。野外觀察發(fā)現,當喜旱蓮子草遭受局部水淹時,位于水面上的未受淹的莖段與位于水面下的受淹莖段相比,常會表現出加粗膨大的現象。

植物光合作用生產的碳水化合物是植物賴以生長和存活的物質基礎。光合器官(主要是葉)生產的光合產物會被運輸到所有需要碳水化合物的組織和器官中,根據植物的需求用于生長、代謝利用、或合成貯藏化合物[3- 6]。因此,碳水化合物在植物體內的運輸是基礎而重要的生理過程。碳水化合物的運輸需要暢通的運輸通道,如果運輸通道被阻斷而不暢通或者阻塞,碳水化合物就無法運輸到需要碳水化合物的組織和器官中從而在運輸通道被阻斷處或者阻塞處產生積累[7- 8]。我們所熟知的環(huán)割效應就是植物主干或枝在被環(huán)割損傷韌皮部(即運輸通道)后導致環(huán)割位置處產生瘤狀物而致環(huán)割位置處的形態(tài)學上端的主干或枝發(fā)生膨大的現象[9]。由于環(huán)割導致的碳水化合物積累可以促進花芽分化及果實和種子的產量,環(huán)割在園林園藝生產上有廣泛應用[10- 14]。

已有不少研究表明碳水化合物的運輸是一主動運輸過程,在運輸中需要耗能才能使運輸順利進行[15- 17]?？梢韵胂?如果在運輸中能量供應不足,碳水化合物的運輸將受阻從而使碳水化合物發(fā)生積累；這種由于能量供應不足導致的碳水化合物運輸受阻而發(fā)生積累致使植株主干或枝膨大的現象與植物由于環(huán)割損傷導致的碳水化合物運輸受阻而發(fā)生積累使植株主干或枝膨大的現象類似,在外觀表現上是相同的。我們把這種不是由于物理損傷而是因能量供應不足導致碳水化合物運輸受阻積累而使植株主干或枝膨大的現象稱為類環(huán)割效應。

在降雨、洪汛、潮汛、水壩修建等引發(fā)的水淹發(fā)生時,除了植物被完全淹沒于水下外,常見的更多的情況是植物被局部淹沒,即位于土壤基質中的根以及植株的下部組織和器官被淹沒于水中,而植株上部的組織和器官仍位于水面上。植物遭受局部淹沒時,由于氧在水中的低溶解度和低擴散能力,水體內氧含量遠低于空氣中的氧含量[18- 20],假如植物沒有發(fā)達的氣體運輸通道能夠通過其位于水面上的組織器官把氧氣從空氣中有效地運輸到位于水面下的組織和器官中,則被水淹沒的組織和器官將面臨氧氣缺乏從而發(fā)生有氧呼吸減弱能量供應不足的問題。在此情況下,我們可以推測,當局部淹沒的植物其水上部分光合組織生產的光合產物向水面下的根系及其他需要光合產物的組織器官進行輸送時,由于被淹組織內能量供應不足,光合產物向被淹組織中的運輸會受限從而在植物位于水面上的未受淹組織中發(fā)生積累而引發(fā)類環(huán)割效應。

為了明確在遭受局部水淹時喜旱蓮子草未受淹的莖段是否確實會發(fā)生增粗膨大以及莖段中的碳水化合物是否會發(fā)生積累,以探究遭受局部水淹的喜旱蓮子草莖的膨大與莖中碳水化合物積累的關系,我們對喜旱蓮子草在遭受局部水淹時植株體內的碳水化合物狀況和莖形態(tài)變化進行了研究。

1 材料與方法

1.1 研究材料

喜旱蓮子草又名空心蓮子草,是莧科蓮子草屬的多年生草本植物。喜旱蓮子草葉對生,莖由節(jié)和節(jié)間組成,節(jié)實心無孔隙孔道等通氣組織,節(jié)間具有中空的髓腔。喜旱蓮子草原產于南美洲,在我國分布廣泛,水陸生境均可生長[21]。該物種耐淹能力強,在遭受長時間水淹后存活率仍非常高[22],是非常好的用于研究植物水淹脅迫響應和水淹耐受機制的植物物種。

1.2 植株培養(yǎng)與實驗處理

2015年7月,在重慶北碚嘉陵江河岸帶自然生長的喜旱蓮子草克隆種群中,選擇健壯、生長良好、莖粗細相近的植株,剪取長約20 cm具有完整頂梢的莖段做為扦插苗,帶回西南大學三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室實驗研究基地后,用混合均勻的黃壤和腐殖土(比例為1∶1)作為栽培基質,將扦插苗栽植于裝滿栽培基質的花盆中(盆高10 cm,內徑12 cm),每盆栽植一株,每株扦插苗莖基部的兩個節(jié)埋入土中以使其生根。所有植株均放置于相同的環(huán)境中進行培養(yǎng),培養(yǎng)期間接受自然光照并進行澆水、除草等日常管理,保證培養(yǎng)的植株具有良好的生長條件。一個月后,待植株培養(yǎng)生長到合適大小后,選擇生長健壯、莖長一致、具有的葉片數量相同且葉片大小盡量一致的植株用于實驗處理(表1),所有的植株均由莖、葉、地下部分構成,莖上不具有側枝。

表1 實驗處理前喜旱蓮子草植株的莖長、莖基徑、莖節(jié)間數量

本研究設置2個實驗處理組,把上述選擇好的植株隨機分配到這兩個實驗處理組中,每組20株。第一個處理組為水淹處理組,將該組的植株(連同栽種植株的花盆)懸吊在裝滿自來水的水池中(水池長3 m、寬2.5 m、水深2 m),每株植株使其莖的一半淹沒于水中(莖被淹沒的節(jié)間數約為7個),一半露出于水面上,并用紅色絲線標記莖被水淹沒的位置,保證在整個實驗期間水池中的水位不變同時植株莖被淹的位置不變。第二個處理組為不進行水淹的對照組,同樣在植株莖一半的位置(相當于水淹處理組植株莖被水淹沒的位置)用紅色絲線進行標記。兩個處理組中的所有植株具有的葉的數量相同、葉片大小近乎一致,且所有的葉均位于莖的遠端段上(即紅色絲線標記處以遠的莖段上)。對照組植株放置于水池旁的曠地上,使其與水淹處理株具有相同的光照和溫度條件,在整個實驗期間對對照組植株進行澆水管理保證其土壤具有合適的水分含量。在實驗期間,使水淹處理組所在水池中的水處于緩慢流動和緩慢連續(xù)換水的狀態(tài),水池中的水pH值保持在7.6—7.9之間,溶氧含量保持為飽和溶氧含量的95%—100%；對水淹處理組和對照組植株均進行防蟲、除草等常規(guī)管理。

1.3 植株測量與碳水化合物測定

2015年12月,實驗處理結束后,所有實驗植株均由莖、葉、地下部分構成,莖上無側枝產生；對所有實驗植株進行測定。測量水淹處理組和對照組各植株的莖各節(jié)間的直徑,并切取水淹處理株水面上未淹莖段中膨大程度最大的節(jié)間的橫切切片和對照株對應節(jié)間的橫切切片,用體視顯微鏡(SMZ25, 日本尼康)觀察并測定節(jié)間的莖壁厚度(NIS-elements Imaging Software, version 4.30)。測量結束后,取植株莖紅色絲線標記位置以上的莖段(對水淹處理株即水面上的未受淹莖段)和成熟全展葉,在80 ℃下烘干至恒重后分別用球磨儀(WS-MM400,德國)研磨成粉末,測定莖和葉中的非結構性碳水化合物含量。

植物體內的非結構性碳水化合物主要由單糖、低聚糖、多糖構成。在本研究中非結構性碳水化合物的測定采用在傳統(tǒng)的蒽酮硫酸法[23]的基礎上改進后的方法進行。先在80 ℃水浴中用80%乙醇浸提莖或葉粉末樣品中的單糖及低聚糖,80%乙醇浸提后的樣品殘渣在80 ℃水浴中用純水浸提水溶性多糖[24],經純水浸提后的樣品殘渣加入2 mol/L鹽酸在60 ℃水解后用于檢測不可溶性多糖。上述操作所得提取液(待測液)用蒽酮試劑測定各類糖的具體含量,這三類糖含量的總和即為樣品中非結構性碳水化合物的含量。

1.4 數據分析

為了檢測水淹植株位于水面上的未受淹莖段的節(jié)間相比水面下的被淹莖節(jié)間是否發(fā)生了膨大,以植株被淹沒莖段(未水淹對照處理株相應地為紅色絲線標記處以下的莖段)所有節(jié)間直徑的平均值為參照(以后簡稱參照直徑),對植株未受淹莖段(對照處理株相應地為紅色絲線標記處以上的莖段)的以下指標進行測定：

膨大節(jié)間數(個)：未淹莖段上直徑比參照直徑大的節(jié)間數量；

膨大節(jié)間比例(%)：未淹莖段所有節(jié)間中膨大節(jié)間占有的百分比；

最大膨大量(cm)：未淹莖段所有節(jié)間中膨大程度最大的節(jié)間的直徑與參照直徑的差值；

平均膨大量(cm)：未淹莖段所有節(jié)間直徑與參照直徑差值的平均值。

采用獨立樣本T檢驗檢測水淹植株與未水淹對照植株的莖膨大狀況、最大膨大程度節(jié)間莖壁厚、非結構性碳水化合物含量是否有差異。數據分析使用SPSS 22.0完成,作圖使用Origin 9.0完成。

圖1 水淹喜旱蓮子草植株位于水面上的莖段與水面下莖段和未水淹植株對應的上部莖段與下部莖段的節(jié)間平均直徑(平均值±標準差)Fig.1 The average diameter (means ± s.d.) of internodes on the abovewater and belowwater stem parts of partially submerged Alternanthera philoxeroides plants and the counterpart stem parts of unsubmerged plants **表示不同處理之間有極顯著差異(P< 0.01)；ns表示不同處理之間沒有顯著差異(P >0.05)

2 結果

2.1 水淹和未水淹喜旱蓮子草植株的莖形態(tài)

研究結果表明,喜旱蓮子草植株遭受水淹后,其位于水面上的未受淹莖段與水面下的受淹莖段相比發(fā)生了明顯的膨大現象,未受淹莖段的節(jié)間平均直徑明顯大于受淹莖段節(jié)間平均直徑(P<0.01,圖1)；但是,對未水淹喜旱蓮子草植株而言,其上部莖段(相當于水淹植株的未受淹莖段)和下部莖段(相當于水淹植株的受淹莖段)節(jié)間平均直徑并無差異(P>0.05,圖1),上部莖段也無明顯膨大現象發(fā)生。與未水淹植株相比,水淹植株水面上的未受淹莖段發(fā)生膨大的節(jié)間數顯著增多(P<0.05,圖2)。另外,實驗結果表明,水淹植株位于水面上的未淹莖段上發(fā)生膨大的節(jié)間數量占未淹莖段上所有節(jié)間數量的百分比顯著高于未水淹植株,其值高達75%(P<0.01,圖2)。

圖2 水淹喜旱蓮子草植株位于水面上的莖段和未水淹植株對應莖段上發(fā)生膨大的節(jié)間數量及百分比(平均值±標準差)Fig.2 Number and proportion (means ± s.d.) of diameter-widened internodes on the abovewater stem parts of partially submerged Alternanthera philoxeroides plants and the counterpart stem parts of unsubmerged plants*表示不同處理之間有顯著差異(P< 0.05)；**表示不同處理之間有極顯著差異(P< 0.01)

研究結果表明,水淹不僅增加了喜旱蓮子草位于水面上的未淹莖段上的膨大節(jié)間數量,也顯著增大了未淹莖段上節(jié)間的膨大程度。與未水淹植株相比,水淹植株未淹莖段的節(jié)間最大膨大量顯著增強(P<0.01),節(jié)間直徑最大膨大量約為未水淹植株對應莖段的節(jié)間直徑最大膨大量的2倍(圖3)。比較水淹植株水面上未淹莖段所有節(jié)間與未水淹植株對應莖段所有節(jié)間的膨大量平均值,發(fā)現兩者也有極顯著差異(P<0.01)；水淹植株未淹莖段所有節(jié)間平均膨大量(即節(jié)間直徑增粗量平均值)達到0.05 cm,而未淹植株對應莖段的平均膨大量小于0,這說明水淹植株位于水面上的莖段相對于水面下的莖段在膨大加粗,而未淹植株主莖上部莖段直徑并不比下部莖段的直徑大,相反顯得要更小(圖3)。此外,研究結果表明,水淹植株水面上未淹莖段中具有最大膨大程度的節(jié)間的莖壁厚顯著大于未淹植株對應節(jié)間的莖壁厚,二者之間具有極顯著差異(P<0.001)(圖4)。

圖3 水淹喜旱蓮子草植株位于水面上的莖段和未水淹植株對應莖段上節(jié)間的最大膨大量和平均膨大量 (平均值±標準差)Fig.3 The maximum and average diameter increment (means±s.d.) of internodes on the abovewater stem parts of partially submerged Alternanthera philoxeroides plants and the counterpart stem parts of unsubmerged plants**表示不同處理之間有極顯著差異(P< 0.01)

圖4 水淹喜旱蓮子草植株位于水面上莖段中具最大膨大程度的節(jié)間和未水淹植株對應節(jié)間的莖壁厚(平均值±標準差)Fig.4 The stem wall thickness (means±s.d.) of the widest internodes on the abovewater stem parts of partially submerged Alternanthera philoxeroides plants and the counterpart internodes of unsubmerged plants***表示不同處理之間有極顯著差異(P< 0.001)

2.2 水淹和未水淹喜旱蓮子草植株莖、葉非結構性碳水化合物含量

對水淹喜旱蓮子草植株位于水面上的未淹莖段和未水淹喜旱蓮子草植株對應的莖段(即紅色絲線標記位置以上的莖段)中的非結構性碳水化合物含量檢測發(fā)現：醇溶性單糖及低聚糖含量在水淹植株與未水淹(對照)植株之間無顯著差異(P>0.05)；不可溶性糖含量在二者之間有顯著差異(P<0.05),分別為13 mg/g和17 mg/g；水溶性多糖在喜旱蓮子草莖中含量較高,水淹植株和未水淹植株中的含量分別為557 mg/g和432 mg/g,水淹植株中的含量顯著高于未水淹植株(P<0.01,圖5)。就非結構性碳水化合物來看,水淹植株位于水面上的未淹莖段的非結構性碳水化合物含量顯著高于未水淹對照植株對應莖段(P<0.01)。

對水淹喜旱蓮子草植株位于水面上的未淹莖段上的葉(位于水面下的水淹莖段上沒有葉存在)和未受淹喜旱蓮子草植株對應莖段上的葉的糖含量檢測發(fā)現：葉中的醇溶性單糖及低聚糖含量在水淹處理株和未水淹對照株之間無顯著差異(P>0.05),葉中的不可溶性糖在水淹處理株和未水淹對照株之間也無顯著差異(P>0.05),但水淹處理株葉中的水溶性多糖含量顯著高于未水淹對照株,達到未淹對照株的6.5倍之多(P<0.001,圖5)。

圖5 水淹喜旱蓮子草植株位于水面上的莖段和葉和未水淹植株對應莖段及其上的葉的非結構性碳水化合物含量(平均值±標準差)Fig.5 Non-structural carbohydrates content (means±s.d.) in the abovewater unsubmerged stem parts and leaves of partially submerged Alternanthera philoxeroides plants and the counterpart stem parts and leaves of unsubmerged plants對每一類型的糖,不同字母表示其含量在不同處理之間有顯著差異(P < 0.05)

3 討論

植物莖的生長包括從形態(tài)學下端向形態(tài)學上端的伸長生長和莖直徑增加的增粗生長。植物的莖或枝在向形態(tài)學上端伸長生長的過程中,已長出的莖或枝同時也在進行著增粗生長。雖然雙子葉植物和單子葉植物莖增粗生長的方式和過程不同,但毫無疑問,兩者的莖形態(tài)學下端開始增粗生長的時間都要早于莖形態(tài)學上端,形態(tài)學下端生長時間相對較長,從而都表現出莖形態(tài)學下端比莖形態(tài)學上端粗的形態(tài)特征[25]。觀察自然界中具有莖和枝的植物,無論是喬木、灌木還是草本植物,都會發(fā)現其莖、枝從形態(tài)學下端向形態(tài)學上端逐漸變細,這是植物莖、枝通常具有的特點。本研究發(fā)現,未遭受水淹的喜旱蓮子草的莖從形態(tài)學下端向形態(tài)學上端總體呈現出逐漸變細的趨勢,符合植物莖通常具有的特點；但遭受水淹的喜旱蓮子草其莖未受淹的屬于形態(tài)學上端的莖段比受淹的屬于形態(tài)學下端的莖段更粗,直徑更大(圖1)。另外,遭受水淹的喜旱蓮子草位于水面上的莖段中膨大節(jié)間的莖壁厚極顯著地大于未水淹喜旱蓮子草植株莖的對應節(jié)間(圖4)。上述研究結果說明水淹脅迫導致了喜旱蓮子草的莖形態(tài)發(fā)生了改變,使得水淹的喜旱蓮子草位于水面上的莖段膨大加粗。

已有很多研究表明,當木本植物莖被環(huán)割后,環(huán)割部位以上屬于形態(tài)學上端的莖會膨大加粗,直徑增大[8,26]。有研究表明木本植物環(huán)割后上部莖的直徑增大,可能是碳水化合物在上部莖中積累而引起的[27- 28]。王文杰等研究發(fā)現莖被環(huán)割后的紅松(PinuskoraiensisSieb. et Zucc.)其環(huán)割位置上部的樹皮中碳水化合物含量顯著升高[29]。本研究發(fā)現,水淹后喜旱蓮子草未受淹的形態(tài)學上端莖段的碳水化合物含量要顯著高于未水淹的喜旱蓮子草形態(tài)學上端莖段的碳水化合物含量(圖5),說明水淹脅迫導致了碳水化合物在喜旱蓮子草位于水面上的未受淹莖段中的積累。水淹的喜旱蓮子草體內碳水化合物在未受淹的形態(tài)學上端莖段中積聚,增加了形態(tài)學上端莖段中的碳水化合物含量,促進了形態(tài)學上端莖段的增粗生長,使得形態(tài)學上端的莖段膨大加粗。

碳水化合物作為植物生存與生長的物質基礎,由源(光合器官)生產后輸送至各需求庫。碳水化合物的運輸需要運輸通道,運輸通道受損會導致運輸受阻,比如莖、枝環(huán)割使作為運輸通道的韌皮部受損導致環(huán)割部位以上的形態(tài)學上端積累營養(yǎng)物質而發(fā)生膨大。此外,由于碳水化合物的運輸是一耗能的過程,因此碳水化合物的運輸不僅需要通道,同時也需要能量的提供[17]。在本研究中,喜旱蓮子草莖被淹后,由于水體環(huán)境中的氧含量遠低于空氣中的氧含量,同時喜旱蓮子草莖中致密的不具通氣組織的節(jié)影響了氧氣在莖中的運輸,因此喜旱蓮子草被淹沒的莖段和地下根系難以獲得和未水淹前一樣充足的氧供應。盡管當氧氣供應不足時缺氧的組織和器官也可以通過無氧呼吸獲得一些能量,但獲得能量的數量和效率是遠遠不能和有氧呼吸相比的,在其他條件一致的情況下同樣數量的碳水化合物在有氧條件下呼吸所產生的能量比無氧條件下產生的能量要高許多倍[30](如1 mol葡萄糖在有氧呼吸的情況下最多可產生38 mol ATP,而在無氧呼吸的情況下最多只能產生8 mol ATP[31])。因此,喜旱蓮子草受淹的莖段和地下根系必定會遭遇因氧氣缺乏而帶來的能量產生不足的問題。本研究發(fā)現,與未水淹喜旱蓮子草相比,當喜旱蓮子草莖遭受局部水淹時,莖未被淹的形態(tài)學上端莖段中碳水化合物含量增高(圖5),同時莖直徑增粗發(fā)生膨大(圖1、2、3、4)；盡管水淹喜旱蓮子草植株的莖并沒有發(fā)生類似于環(huán)割一樣的物理損傷使碳水化合物運輸通道受損,但水淹導致的受淹莖段缺氧而帶來的被淹組織器官能量不足同樣也會使碳水化合物運輸受限和積累并在喜旱蓮子草莖上引發(fā)與物理環(huán)割一樣的組織和器官膨大的現象。本研究結果表明,在水淹的情況下,喜旱蓮子草未受淹莖段會因營養(yǎng)物質向受淹莖段運輸受限而發(fā)生與物理環(huán)割類似的莖直徑增粗膨大的類環(huán)割效應。