三峽庫區(qū)(萬州段)消落帶4種鄉(xiāng)土草本植物的水淹脅迫響應(yīng)

鐘 彥, 唐 恒， 田 輝, 甘麗萍?

(1.重慶三峽學(xué)院教師教育學(xué)院，404100, 重慶；2.重慶三峽學(xué)院生物與食品工程學(xué)院，404100, 重慶)

三峽工程建成運(yùn)行后，采取“冬蓄夏排”的水庫調(diào)水方式，年水位在145～175 m之間， 30 m高程變化區(qū)間所覆蓋的面積被稱為消落帶。這種調(diào)水方式使庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)受到嚴(yán)重的負(fù)面影響[1]，其中消落帶植被物種多樣性呈現(xiàn)下降趨勢[2]，水土流失嚴(yán)重[3]，進(jìn)而導(dǎo)致消落帶生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能受損。近年，消落帶人工植被的修復(fù)及庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)廣受社會各界的重視，恢復(fù)消落帶植被的有效方法之一是人工植被重建[3-4]。消落帶植物不僅要耐水淹，且在退水后,植物能否快速恢復(fù)各項(xiàng)指標(biāo)將直接影響到其再次耐受水淹逆境后的生存[5]。水淹現(xiàn)象是自然界中常見的一種植物逆境生長環(huán)境，對植物在水淹期及水淹后的光合特性適應(yīng)機(jī)制的研究是消落帶植被恢復(fù)的重要基礎(chǔ)，也是解決水庫消落帶生態(tài)環(huán)境問題的前提[6-7]。水淹脅迫下，植物為了減緩由脅迫造成的壓力，光合參數(shù)、生長特性和解剖結(jié)構(gòu)都會做出相應(yīng)的調(diào)整[8-9]，植株體內(nèi)氣體交換參數(shù)、丙二醛、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、抗氧化酶系等生理生化指標(biāo)也發(fā)生變化[10-11]。研究表明三峽庫區(qū)消落帶共生長著 58科 175種植物，5個灌叢群落，49個草本植物群落，一年生植物是優(yōu)勢群落。狗尾草(Setariaviridis)、馬唐(Digitariasanguinalis)、酸模葉蓼(Polygonumlapathifolium)、蒼耳(Xanthiumsibiricum)、雙穗雀稗(Paspalumdistichum)、狗牙根(Cynodondactylon)等為優(yōu)勢種并都已經(jīng)有水淹脅迫的報道[5-6,12]。消落帶植物種間生態(tài)位重疊值較高，種間競爭強(qiáng)烈，消落區(qū)還處于群落演替的初級階段，在江水的自然起落選擇下，很多草本植物雖然不能全程適應(yīng)水淹或干旱的環(huán)境，都將通過在不同生態(tài)位，即在不同水淹時間和退水后恢復(fù)時間的存活，來完成在消落帶區(qū)的短時配置，在庫區(qū)植被生態(tài)保持中貢獻(xiàn)各自的力量。消落區(qū)萬州段有很多存活的草本植物在陸地能安全越冬，但在被水淹的消落帶能存活多久，水淹后的生理變化如何？還有很多植物沒有被研究。本研究選擇萬州消落帶退水期存活且冬季能在陸地生長的幾種植物如蒼耳、馬蘭(Kalimerisindica)、魚腥草(Houttuyniacordata)及酸模(Rumexacetosa)來進(jìn)行水淹實(shí)驗(yàn)，測定相關(guān)的光合指標(biāo)與生理指標(biāo)，比較不同植物在水分脅迫中的響應(yīng)敏感性，探討其耐淹機(jī)理，為庫區(qū)消落帶植被物種更替及生態(tài)位補(bǔ)給中提供參考數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與藥品

實(shí)驗(yàn)材料：2017年9月上旬，在三峽庫區(qū)消落帶(萬州段)挖取魚腥草，酸模，馬蘭及蒼耳幼苗，將每種植物生長一致(株高(20±2)cm)的幼苗統(tǒng)一栽入塑料花盆中，每盆1株，栽種土壤為當(dāng)?shù)叵鋷橙劳粒灾睬鞍鑴?，將植株放置于重慶三峽學(xué)院生物與食品工程學(xué)院的遮陰棚里，植物生長穩(wěn)定后，移出放在自然空地上備用。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

將實(shí)驗(yàn)用苗隨機(jī)分為3組，每組10盆。設(shè)置對照組CK(自然室外，無人工澆水，control group)、水淹組(submerged group，SG)和恢復(fù)組(restored group，RG)。水淹組將盆栽植株放入高50 cm，口徑40 cm的水桶內(nèi)，注水至淹沒植株最頂端。實(shí)驗(yàn)過程中每3 d更換1次水。水淹15 d后，將水淹組帶植物連盆取出，自然環(huán)境生長15 d為恢復(fù)組。于水淹開始的第15天和恢復(fù)生長的第15天，進(jìn)行葉片光合參數(shù)、丙二醛MDA質(zhì)量摩爾濃度、可溶性蛋白、可溶性糖和脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及SOD(superoxide dismutase)、CAT(catalase)的測定；對根系進(jìn)行取樣，進(jìn)行根活力測定(TTC質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定)。每個樣品做3次重復(fù)。

1.3 指標(biāo)測定

1)形態(tài)指標(biāo)。試驗(yàn)采用直尺測量根系主根長，人工計(jì)數(shù)植株存活葉片數(shù)和須根數(shù)。水淹當(dāng)天(0 d)，水淹后15 d、水淹最長存活期及水淹15 d+恢復(fù)后15 d分別進(jìn)行植株各生長指標(biāo)的測定，其中，蒼耳及魚腥草測量根系長度，酸模及馬蘭計(jì)數(shù)須根數(shù)量。每種處理測量5株，取平均值。

2)光合指標(biāo)。選取植株頂部健康功能葉，利用GFS- 3000光合儀測定植株凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)。每處理選取3盆，共3個重復(fù)。

3)生理生化指標(biāo)。MDA質(zhì)量摩爾濃度測定采用硫代巴比妥酸比色法，脯氨酸(Pro)質(zhì)量分?jǐn)?shù)參照李合生的方法進(jìn)行測定[13]，可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定利用考馬斯亮藍(lán)G- 250染色法[13]；可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定利用蒽酮-硫酸法，根系活力測定利用氯化三苯基四氮唑(TTC)法[14]；SOD及CAT活性測定參照Knrzer等[15]的方法。

1.4 結(jié)果分析

利用統(tǒng)計(jì)分析軟件 SPSS 19.0 分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，光合指標(biāo)和生理生化指標(biāo)的影響采用單因素方差分析(One-way ANOVA)，并用多重比較檢驗(yàn)差異顯著性，顯著水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 形態(tài)指標(biāo)

水淹15 d后，酸模、魚腥草及馬蘭葉片存活數(shù)顯著降低，蒼耳葉片數(shù)與處理當(dāng)天相比沒有改變，酸模須根數(shù)和魚腥草根系長度較顯著降低，蒼耳根系長度有顯著增長；水淹22 d后，酸模和蒼耳葉片還有存活，但與水淹15 d相比有顯著減少，部分葉片腐爛，魚腥草和馬蘭葉片基本都腐爛壞死，酸模和馬蘭根系迅速壞死回縮，蒼耳和魚腥草根系沒有變化；水淹15 d+恢復(fù)15 d后，馬蘭須根系與水淹15 d相比顯著減少，蒼耳存活葉片數(shù)繼續(xù)減少，但主根系有顯著的增長，魚腥草和酸模的葉片數(shù)及根系指標(biāo)與水淹15 d沒有差別(表1)。

表1 不同水淹條件下4種植物形態(tài)指標(biāo)變化Tab.1 Changes of morphological characteristics of 4 plants under different submerging conditions

2.2 4種植物光合指標(biāo)

在4種植物水淹后葉片都有存活的15 d進(jìn)行取樣，4種植物葉片光合指標(biāo)與對照相比，變化趨勢不太一致(圖1)。其中，酸模和蒼耳的各項(xiàng)指標(biāo)與對照相比沒有顯著變化，魚腥草Pn和Ci與對照相比顯著降低，馬蘭的Ci和Gs也與對照呈顯著降低；恢復(fù)15 d后，酸模的Pn、Tr，蒼耳的Pn、Gs與對照相比有顯著升高，馬蘭的Ci與對照相比呈顯著降低。短期的水淹并沒有顯著降低酸模和蒼耳的Pn，反而在恢復(fù)后還出現(xiàn)顯著上升，這表明短暫的水淹刺激對植物有較好的光合能力的激發(fā)。

Control (CK) refers to plants growing in the pot outside without submerging， the same below. 圖1 不同水淹條件下的4種植物Pn、Ci、Gs和 TrFig.1 Pn, Ci, Gs and Tr of four plants under different submerging conditions

1) 丙二醛質(zhì)量摩爾濃度。不同水淹處理4種植株后葉片MDA的質(zhì)量摩爾濃度對水淹的響應(yīng)基本一致，水淹15 d和恢復(fù)15 d后，MDA質(zhì)量摩爾濃度都有不同程序的上升趨勢。其中蒼耳和馬蘭在水淹15 d的MDA值相比對照達(dá)到顯著差異，酸模在復(fù)水恢復(fù)15 d后MDA值與對照達(dá)到了顯著差異(圖2)。說明植物在淹水環(huán)境中MDA的積累與分解有一點(diǎn)時序性的差異。

圖2 不同水淹條件下的4種植物丙二醛質(zhì)量摩爾濃度Fig.2 Malondialdehyde (MAD)content of four plants under different submerging conditions

2)根系活力。 不同水淹處理植株植物根系的活力(TTC質(zhì)量分?jǐn)?shù))對水淹的響應(yīng)有所差異(圖 3)，酸模、蒼耳和魚腥草在水淹15 d后根系TTC質(zhì)量分?jǐn)?shù)與對照相比都有上升，其中酸模與對照達(dá)到了顯著差異，蒼耳達(dá)到極顯著差異，分別增加 33.3%和65.0%，而且恢復(fù)15 d后酸模、蒼耳TTC質(zhì)量分?jǐn)?shù)比對照也出現(xiàn)明顯的上升趨勢，分別增加36.4%和35.7%。而馬蘭的根系在水淹15 d后TTC質(zhì)量分?jǐn)?shù)有下降的趨勢。說明酸模和蒼耳根系在水淹環(huán)境中反而激活根系的活力，并且在恢復(fù)后持續(xù)表達(dá)。

圖3 不同水淹條件下的4種植物根系活力(TTC質(zhì)量分?jǐn)?shù))Fig.3 Root vitality (TTC content)of four plants under different submerging conditions

3)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的變化。如圖4所示，水淹15 d后4種植物的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)大部分都有不同程度的上升。酸模在恢復(fù)15 d后可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)與對照相比達(dá)到顯著差異。酸模和蒼耳的Pro質(zhì)量分?jǐn)?shù)在水淹15 d后及恢復(fù)15 d后與對照相比達(dá)到顯著上升，其中水淹15 d蒼耳中Pro質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升量達(dá)到了極顯著差異，上升60.0%。而馬蘭在水淹后該值有下降的趨勢。說明酸模和蒼耳主要通過Pro質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升來進(jìn)行滲透物質(zhì)的調(diào)節(jié)，對水淹有較靈敏的滲透調(diào)節(jié)能力。

圖4 不同水淹條件下的4種植物可溶性蛋白、可溶性糖和脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.4 Soluble protein, soluble sugar and proline contents of four plants under different submerging conditions

4) 抗氧化酶活性的變化 。不同水淹處理植株葉片抗氧化酶活性對水淹的響應(yīng)有所差異(圖 5)，酸模、蒼耳和馬蘭在水淹 15 d 和恢復(fù)后15 d后SOD 活性均有上升，并且與對照達(dá)到了顯著差異，分別增加45.5%、35.5%；75.0%、35.7%和56.3%、100.7%。酸模和蒼耳水淹15 d和恢復(fù)15 d CAT活性與SOD保持相同趨勢，分別上升17.1%、12.2%和57.9%、50.6%。但魚腥草和馬蘭在水淹15 d后CAT都顯著下降，分別下降48.4%和32.8%。酸模、蒼耳在水淹環(huán)境中迅速提升抗氧化酶活力，來適應(yīng)缺氧環(huán)境。

圖5 不同水淹條件下的4種植物超氧化物歧化酶和過氧化氫酶活性Fig.5 Superoxide dismutase (a) and catalase (b) activity of four plants under different submerging conditions

3 討論

3.1 形態(tài)變化

為了緩解水淹缺氧對植物造成的傷害，不同植物會采用不同的方式來逃避或適應(yīng)。本實(shí)驗(yàn)中，魚腥草和馬蘭在水淹15 d后地上部分陸續(xù)壞死，根系能多維持一段時間，酸模和蒼耳適應(yīng)水淹的時間在22 d左右，蒼耳主根系在水淹的環(huán)境中長度有顯著增長，恢復(fù)后還能適度增長。表明水淹脅迫發(fā)生初期，植物地上部分減小，根系生長量增加，當(dāng)逆境脅迫持續(xù)存在時，地上部分逐漸死亡，而地下通過減少須根的數(shù)量和主根回縮來維持生命，延續(xù)存活。很明顯，蒼耳在水淹環(huán)境中根系生長更為積極。筆者在長江邊調(diào)查也發(fā)現(xiàn)，次年退水后，大量的蒼耳植株已枯死，但莖干依然挺立，龐大的根系依然牢牢固定在土壤中，說明在水淹過程中其根系具有頑強(qiáng)的生命力。

3.2 光合指標(biāo)

許多植物在水淹脅迫后，光合速率會下降。普遍情況下，在遭受水淹后的前期光合作用明顯降低，但是隨著時間的延長，耐淹物種會產(chǎn)生一定的適應(yīng)性，逐漸恢復(fù)正常水平或達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)[16]。本研究中蒼耳、酸模在水淹條件下存活較好，水淹15 d后長勢與對照相比變化不大，魚腥草和馬蘭部分葉片開始腐爛衰敗。光合指標(biāo)測定結(jié)果表明，水淹15 d后蒼耳和酸模葉片Pn并沒有顯著下降，在恢復(fù)15 d后還出現(xiàn)了顯著上升，這表明短暫的水淹刺激對植物有較好的激發(fā)能力，蒼耳在恢復(fù)15 d后，根系長度依然能保持適度增長，說明植物在“逃離”水環(huán)境后植物試圖加速生長，可以理解為在防患動機(jī)的驅(qū)使下，此過程中需要大量能量和碳水化合物的供給，因此需要提高光合速率，從而表現(xiàn)出較高的凈光合速率。

魚腥草Pn和Ci與對照相比顯著降低，表明其對水淹環(huán)境的有較靈敏的應(yīng)急反應(yīng)，但與蒼耳和酸模相比，同樣的處理時間Pn值下降表明其相對耐淹能力弱，不耐淹植物的Pn則會一直呈現(xiàn)下降的趨勢[17]。研究表明當(dāng)魚腥草遭到水淹脅迫時，光合作用、有機(jī)物合成等正常生理活動會遭到影響，最嚴(yán)重的傷害是魚腥草細(xì)胞內(nèi)的活性O(shè)2大量累積，導(dǎo)致膜通透性的改變[11]。可見，魚腥草不能適應(yīng)長期水淹環(huán)境，有一定的局限性。

Gs的變化對植物水分吸收與利用狀況及CO2的同化能力有著重要的影響[10,18]。在水淹15 d后，馬蘭Ci和Gs與對照相比顯著降低，說明了對水淹環(huán)境的敏感性，但Pn并沒有降低，在此情況下，凈光合速率與CO2濃度及氣孔因素不完全呈正相關(guān)。水淹脅迫導(dǎo)致植物凈光合速率下降的原因還可能與非氣孔因素有關(guān)[10]，因此氣體交換參數(shù)之間沒有必然的關(guān)聯(lián)，它們從不同的角度反映了植物的光合合成受到的影響。

3.3 生理指標(biāo)

MDA質(zhì)量摩爾濃度的上升體現(xiàn)植物細(xì)胞膜質(zhì)過氧化程度加劇，說明細(xì)胞膜受到了傷害。本研究中蒼耳和馬蘭在水淹15 d MDA質(zhì)量摩爾濃度相比對照急速上升，達(dá)到顯著差異，說明水淹對其有傷害，但在恢復(fù)15 d后MDA質(zhì)量摩爾濃度很快降低，證實(shí)它們較強(qiáng)的自我代謝與恢復(fù)能力。而酸模在恢復(fù)15 d后MDA質(zhì)量摩爾濃度與對照相比有較高上升，達(dá)到了顯著差異，說明MDA的積累與釋放有一定的時效性，水淹對該植物的影響有滯后性。

不同水淹處理植株植物根系的活力(TTC質(zhì)量分?jǐn)?shù))對水淹的響應(yīng)有所差異，蒼耳在水淹15 d后根系TTC質(zhì)量分?jǐn)?shù)與對照相比迅速上升，達(dá)到極顯著差異，而且主根系長度在此時顯著增加，說明根系在水淹環(huán)境下有較強(qiáng)的自我調(diào)節(jié)與修復(fù)能力，筆者在江邊調(diào)查中拔出水中生長的蒼耳，發(fā)現(xiàn)其根系有橫走趨勢，須根更多，這對于提高氧氣向根部的擴(kuò)散起到了重要的作用，植株根系也因此可以獲取更多的氧氣[10,19]，從而減輕細(xì)胞膜脂的過氧化傷害。恢恢復(fù)淹后酸模與蒼耳的TTC質(zhì)量分?jǐn)?shù)同樣與對照相比增加較多，達(dá)到了顯著差異，說明在短暫的水脅迫后根系激發(fā)了植物的一種速生本能。而馬蘭的根系在水淹15 d后TTC質(zhì)量分?jǐn)?shù)有下降的趨勢，說明在水脅迫中的根系生長能力受到影響。

可溶性蛋白、脯氨酸以及可溶性糖這3種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)在植物抵御水淹逆境中發(fā)揮了重要的作用，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加被認(rèn)為是植物適應(yīng)水淹脅迫的機(jī)制[10,19]。水淹15 d后，調(diào)查的4種植物可溶性糖和可溶性蛋白質(zhì)都沒有顯著的變化，這表明植株并沒有通過生物大分子來抵御水淹脅迫。從另一個方面說明短暫的水淹并沒有明顯抑制這幾種植物葉片中蛋白質(zhì)的合成或促進(jìn)其分解。酸模和蒼耳在水淹和恢復(fù)后葉片中的脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)與對照相比顯著上升，說明滲透調(diào)節(jié)主要是通過脯氨酸升高來表達(dá)，然后啟動植物的脅迫代謝反應(yīng)來適應(yīng)變化的環(huán)境。

水淹條件下，抗氧化系統(tǒng)清除活性氧的能力降低[20]。耐缺氧脅迫物種的調(diào)節(jié)方式在于通過增加體內(nèi)的SOD活性來抵御體內(nèi)ROS產(chǎn)生的潛在傷害[21]。逆境脅迫下，細(xì)胞內(nèi)易產(chǎn)生H2O2破壞膜系統(tǒng)的穩(wěn)定，而CAT通過分解H2O2為H2O和O2，從而清除H2O2來維護(hù)膜的穩(wěn)定性[22]。酸模、蒼耳和馬蘭在水淹15 d和恢復(fù)15 d后SOD 活性均有顯著性上升，說明這幾種植物通過提高SOD的活性來對抗活性氧的積累，而酸模和蒼耳通過提高SOD和CAT2種酶的協(xié)同作用鞏固減輕有害物質(zhì)對組織細(xì)胞的損傷。需要注意的是植物抗氧化酶的活性并不會隨著脅迫程度的增強(qiáng)而無限的增大[23]。當(dāng)超過一定程度的脅迫后，抗氧化酶也會失衡。

植物受到水淹脅迫后會產(chǎn)生脅迫互償效應(yīng)，一種植物在某些指標(biāo)方面受到抑制，但在另外一些功能方面又有一種增強(qiáng)效應(yīng)。單一指標(biāo)的增加或降低不能說明植物的耐水淹程序，還需要整合各項(xiàng)指標(biāo)來探明整個植株的響應(yīng)機(jī)制。

4 結(jié)論

酸模和蒼耳能夠在水淹22 d后地上部分依然存活，水淹15 d后的光合指標(biāo)沒有明顯降低，多數(shù)生理指標(biāo)都顯著性增加來響應(yīng)水淹脅迫，特別是蒼耳的根系活力及Pro質(zhì)量分?jǐn)?shù)都極顯著增加, 水淹和恢復(fù)后根系長度依然有增長，光合指標(biāo)與根系活力等與對照相比都有較大程度的增強(qiáng)，這表明短暫的水淹刺激對蒼耳和酸模有較好的激發(fā)能力，“逃離”水環(huán)境后植物試圖加速生長，表明它們屬于水淹靈敏型或高耐水淹性；而魚腥草在水淹后光合指標(biāo)明顯下降，生理方面沒有較及時的響應(yīng)，表現(xiàn)出對水脅迫的遲鈍性；馬蘭通過降低根系活力來維持根系在缺氧環(huán)境中的能量平衡，表現(xiàn)出低耐水淹。不同植物水淹后在形態(tài)和生理指標(biāo)上有不同的適應(yīng)方式和適應(yīng)能力，這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)能為庫區(qū)消落帶植被物種更替及生態(tài)位補(bǔ)給中提供參考依據(jù)。