濕地植物適應(yīng)洪水脅迫的結(jié)構(gòu)與生理研究進(jìn)展

張 霞，楊朝東，周存宇，李 騰，張夢(mèng)迪，譚德寶

（1.長(zhǎng)江大學(xué)濕地生態(tài)與農(nóng)業(yè)利用教育部工程研究中心，湖北 荊州 434025；2.長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院，武漢 430010）

在洪水脅迫期間，植物會(huì)發(fā)生一系列形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理變化以保護(hù)植物體；主要引起植物缺氧，如玉米（Zea mays）、燕麥（Avena sativa）、小麥（Triticum aestivum）等僅1 d 時(shí)間就不可逆轉(zhuǎn)死亡，這類植物稱為洪水敏感型。濕地植物通過逃避無氧環(huán)境而存活，這類植物稱為洪水耐受型［1-3］。濕地植物受到洪水脅迫時(shí)，植物體的細(xì)胞、組織器官等多方面協(xié)同改善體內(nèi)通氣狀況，忍耐或逃避低氧狀態(tài)并且能恢復(fù)生長(zhǎng)。因完整植株的通氣組織儲(chǔ)存有一定量的氧氣，體內(nèi)并非處于完全無氧狀態(tài)，可進(jìn)行有氧呼吸，所以稱為植物表觀耐低氧（Apparent tolerance）［1，3-5］。濕地植物逃避洪水淹沒的低氧環(huán)境，一種方式是通過莖或葉伸長(zhǎng)生長(zhǎng)到水面以上重新獲得空氣，長(zhǎng)出不定根，保持葉片表面氣膜，體內(nèi)形成通氣組織和防止氧氣自由擴(kuò)散的屏障結(jié)構(gòu)等的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)逃避低氧脅迫策略（low O2escape strategies，LOES）。另一種方式是通過莖和葉的極緩慢生長(zhǎng)；停止大部分生理活動(dòng)；保存和節(jié)約利用體內(nèi)碳水化合物直到解除洪水淹沒；或者激發(fā)無氧呼吸產(chǎn)出ATP，解決體內(nèi)面臨的能量危機(jī)；合成物質(zhì)中和細(xì)胞積累的有害物質(zhì)；延長(zhǎng)存活時(shí)間等的生理靜止逃避低氧脅迫策略（low O2quiescence strategies，LOQS）［1，3-5，6-11］。

植物真耐無氧（true tolerance）是指植物組織細(xì)胞處于無氧狀態(tài)，只能依賴細(xì)胞顯微或超微結(jié)構(gòu)的流動(dòng)重排和細(xì)胞內(nèi)部生理代謝來維持生命活動(dòng)［1，12-14］。植物細(xì)胞受到缺氧和無氧脅迫時(shí)，細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)包括內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、核糖體等細(xì)胞器重新排列，尤其線粒體膜比其他細(xì)胞器先受到脅迫，表現(xiàn)出極其復(fù)雜的流動(dòng)重排和自我修復(fù)能力。在無氧狀況下，細(xì)胞進(jìn)行無氧呼吸，合成脂類物質(zhì)和含氮化合物作為細(xì)胞色素氧化酶的電子最終受體（替代氧的功能），電子進(jìn)一步傳遞給植物血紅蛋白，產(chǎn)生ATP 供生命活動(dòng)［13，14］。

濕地植物常有較強(qiáng)的質(zhì)外體屏障結(jié)構(gòu)以控制植物內(nèi)部與環(huán)境中的水、離子和氧氣等的交換，具有保護(hù)植物體的重要功能［11，15-18］；同時(shí)發(fā)達(dá)的通氣組織給組織提供氧氣以保障生命活動(dòng)［19-22］。植物受到淹水脅迫而缺氧時(shí)，主要通過無氧呼吸、植物血紅蛋白-NO 途徑、乳酸代謝途徑和乙醇發(fā)酵途徑有關(guān)酶活性升高及其有關(guān)基因的表達(dá)來解決生命活動(dòng)的能量危機(jī)［3-5，23-25］；其次是增加了淹水土壤和植物之間的氧化還原電位，增強(qiáng)活性氧和活性氮代謝，同時(shí)抗氧化保護(hù)酶活性升高及其有關(guān)基因的表達(dá)來消除代謝中的有害物質(zhì)［3-5，9，26-28］。因此，當(dāng)濕地植物受到洪水脅迫時(shí)，其屏障結(jié)構(gòu)和通氣組織、乳酸代謝途徑和乙醇發(fā)酵途徑關(guān)鍵酶及抗氧化保護(hù)酶代謝及其有關(guān)基因表達(dá)等成為現(xiàn)代分子生理生態(tài)學(xué)的研究熱點(diǎn)［1，3-5，11，22-23］。

1 濕地植物屏障結(jié)構(gòu)和生理功能

濕地植物適應(yīng)濕地環(huán)境在于體表屏障結(jié)構(gòu)保護(hù)體內(nèi)通氣組織的氧氣不易擴(kuò)散出去，為水淹沒部位提供氧氣，以保障生命活動(dòng)［7，16-17，29-33］。屏障結(jié)構(gòu)是指植物體各器官內(nèi)、外皮層初生壁的凱氏帶，或次生壁栓質(zhì)化和木質(zhì)化，以及植物體表角質(zhì)層共同組成的保護(hù)組織，強(qiáng)調(diào)其細(xì)胞壁組織化學(xué)特征，具保護(hù)植物體的功能［15-18］。屏障結(jié)構(gòu)的生理功能與其細(xì)胞發(fā)育、組織化學(xué)、結(jié)構(gòu)類型、不同器官和物種等密切聯(lián)系［17，21，22，34］。如水稻（Oryza sativa）根內(nèi)、外皮層來源于同一初始子細(xì)胞，它們之間的屏障結(jié)構(gòu)具有相似的發(fā)育過程［35］。水稻胚軸、莖和葉等的角質(zhì)層、胞壁凱氏帶或栓質(zhì)化和木質(zhì)化修飾組成其質(zhì)外體屏障結(jié)構(gòu)［36-38］。

1.1 屏障結(jié)構(gòu)類型

不同類型濕地植物莖和葉的屏障結(jié)構(gòu)有所差異，狗牙根（Cynodon dactylon）型植物耐長(zhǎng)期淹沒（6個(gè)月）又能旱生，莖具角質(zhì)層，內(nèi)、外皮層，栓質(zhì)化和木質(zhì)化周緣厚壁層較為發(fā)達(dá)［29-33］。白茅（Imperata cylindrica）型植物不耐長(zhǎng)期淹沒（僅1 周以下）能旱生，莖表面有角質(zhì)層和木質(zhì)化周緣厚壁層［18，29］?？招纳徸硬荩ˋlternanthera philoxeroides）型莖葉表皮外具木質(zhì)化角質(zhì)層［30］。浮葉植物和沉水植物的屏障結(jié)構(gòu)十分脆弱，通常莖、葉表面無或少有角質(zhì)層［39-42］。如莼菜（Brasenia schreberi）莖表皮外角質(zhì)層不連續(xù)，根狀莖離層細(xì)胞壁具凱氏帶、栓質(zhì)化和木質(zhì)化，根莖和直立莖維管束鞘細(xì)胞壁具木質(zhì)化凱氏帶，花柄和葉僅具表皮外不連續(xù)角質(zhì)層和黏液［42］。莼菜黏液毛早期向外分泌黏液形成角質(zhì)層泡，老化脫落后角質(zhì)層圍繞黏液毛基部而表現(xiàn)出不連續(xù)性，因此莼菜表現(xiàn)出不耐污染的特征［30，42］。

1.2 根尖生理功能

濕地植物根通常有內(nèi)、外皮層保護(hù)，通氣組織的空氣不易釋放出體外，而根尖內(nèi)、外皮層發(fā)育之前，離子能透過并進(jìn)入維管柱，即離子通透性生理［15，16，18，20，21，29，32，33，43］，該時(shí)期的此部位是離子進(jìn)入植物體的重要通道。同時(shí)根尖、莖尖因屏障結(jié)構(gòu)發(fā)育不全，或側(cè)根穿過外皮層部位，有少量氧氣釋放（ROL），即植物泌氧生理［17，18，20-22］。可見濕地植物根尖具有吸收離子和ROL 釋放的雙重功能，但為2個(gè)完全不同的生理過程。濕地植物種類不同，其根有或無外皮層而ROL 類型也不相同，如空心蓮子草整條根無外皮層保護(hù)而都有ROL 釋放［30，44］。植物根泌氧提高水體溶氧量，幫助植物抵御外界不良環(huán)境［20，45，46］。

2 濕地植物忍耐洪水脅迫的逆境生理

受到洪水脅迫時(shí)，濕地植物生長(zhǎng)所需的氧氣、CO2和光照急劇減少，必將阻礙光合作用和有氧呼吸，導(dǎo)致碳水化合物合成減少?gòu)亩拗破渖L(zhǎng)發(fā)育［47］。缺氧促進(jìn)淹水土壤和植物之間氧化還原電位增加，從而導(dǎo)致活性氧（ROS）的產(chǎn)生，ROS 傳遞細(xì)胞內(nèi)/細(xì)胞間信號(hào)，但隨著ROS 濃度的升高，會(huì)氧化膜脂、光合色素、蛋白質(zhì)和核酸，破壞植物的正常代謝［48，49］。植物中CO2含量增加，伴隨著植物毒素在還原性土壤中的積累，從而抑制有氧呼吸［50］，轉(zhuǎn)向以無氧呼吸、乙醇發(fā)酵途徑和乳酸代謝途徑為生命活動(dòng)提供能量［1，3，4］。此外，一旦洪水消退，器官和組織重新獲得氧氣，也常導(dǎo)致氧化應(yīng)激性損傷［8］。

2.1 抗氧化防御系統(tǒng)

在無氧呼吸、乙醇發(fā)酵途徑和乳酸代謝過程中，活性氧濃度的升高會(huì)破壞植物細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)而引起代謝紊亂［48，49］，為了減輕活性氧的氧化損傷，保護(hù)組織和細(xì)胞，植物體內(nèi)已經(jīng)形成了復(fù)雜的抗氧化防御系統(tǒng)［47］?？寡趸Ｗo(hù)酶主要有超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）和過氧化氫酶（CAT）等；非酶抗氧化劑主要有生育酚、抗壞血酸、谷胱甘肽、類胡蘿卜素等，解毒活性氧的有害影響?？寡趸Ｗo(hù)酶的含量和活性隨著洪水脅迫加劇而提高，并誘導(dǎo)相關(guān)基因的表達(dá)［3，4，51］。此外，不同植物還積累不同的糖和氨基酸等滲透保護(hù)劑來保護(hù)自己免受脅迫，如甘氨酸甜菜堿、甘露醇，脯氨酸等在緩解滲透壓力方面起著重要作用［3］。在應(yīng)激狀態(tài)下，代謝產(chǎn)物也會(huì)損傷細(xì)胞，積累脂質(zhì)過氧化物丙二醛和氧化損傷產(chǎn)生的DNA 片段［3，5］。

2.2 能量代謝途徑

濕地植物體內(nèi)細(xì)胞受低氧或者接近完全無氧脅迫時(shí)，測(cè)得細(xì)胞色素氧化酶不再結(jié)合氧氣，有氧呼吸才停止，此后無氧呼吸被激發(fā)［52］。通過提高無氧呼吸、乙醇發(fā)酵途徑和乳酸代謝途徑有關(guān)酶的活性，如丙酮酸脫羧酶（PDC）活性升高［1］，或者誘導(dǎo)有關(guān)酶的基因表達(dá)提高，如乙醇脫氫酶（ADH），乳酸脫氫酶（LDH）和丙酮酸脫羧酶（PDC）的mRNA 含量上升［1，3-5，23，53-55］；或 者 采 取 生 理 靜 止 策 略，如Rorippa sylvestris依靠保持高的碳水化合物含量和ADH 基因極低水平表達(dá)而存活［56-58］。植物血紅蛋白-NO 循環(huán)的主要功能是調(diào)節(jié)NO 水平和清除O2，從而防止氧化損傷［23］。水稻等植物種子貯藏大量碳水化合物，內(nèi)部無氧氣，在淹沒條件下淀粉酶活性升高，淀粉含量下降，可溶性糖含量升高，通過無氧呼吸為種子萌發(fā)、生長(zhǎng)發(fā)育提供能量和中間化合物［4，9，26，59］?？梢娭参锛?xì)胞在完全無氧時(shí)有氧呼吸才停止，并開始無氧呼吸或者生理活動(dòng)基本靜止。

2.3 葉片光合生理生化響應(yīng)

李屬（Prunusspp.）植物及其砧木在洪水脅迫下，Mariana 2624 品種是典型的耐受型，氣體交換參數(shù)等不受影響［24，60-64］；而Mazzard F12/1 品種是典型的敏感型，光合速率和氣孔導(dǎo)度降低［61］。湖北海棠（Malus hupehensis）在洪水脅迫下，葉片生化特征表現(xiàn)為淹水抑制光合色素合成，降低了葉綠素和類胡蘿卜素含量，葉綠素a/b 下降，類胡蘿卜素/葉綠素升高；因淹水季節(jié)不同，脯氨酸和丙二醛含量先升后降或者先降后升；可溶性糖和可溶性蛋白含量顯著上升?？寡趸Ｗo(hù)酶表現(xiàn)為葉片超氧化物歧化酶活性總體先升后降；過氧化物酶活性先降后升。光合生理表現(xiàn)為葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度以及氣孔限制值均顯著低于對(duì)照，胞間CO2濃度影響不顯著［27，28，64］。

3 濕地植物忍耐洪水脅迫的遺傳機(jī)制

伸長(zhǎng)生長(zhǎng)逃避低氧脅迫策略和生理靜止逃避低氧脅迫策略是濕地植物適應(yīng)洪水環(huán)境的兩大重要策略。從深水水稻品種C9285 中克隆的2 個(gè)乙烯響應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子基因SNORKEL1（SK1）和SNORKEL2（SK2）參與水稻莖的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)［65，66］，這2 個(gè)基因都能抵消Sub1A-1的限制生長(zhǎng)發(fā)育功能。Sub1A-1基因完全控制莖葉緩慢的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)而忍耐洪水脅迫，保存可供呼吸的可溶性糖，以便在洪水退去后恢復(fù)生長(zhǎng)［67-69］。

在淹水條件下，乙烯啟動(dòng)水稻C9285 的SK1/2基因表達(dá)，SKs促進(jìn)水中的節(jié)間活性赤霉素積累［66，70，71］，即乙烯促進(jìn)赤霉素的合成，引發(fā)節(jié)間伸長(zhǎng)生長(zhǎng)，而赤霉素合成酶SD1 直接促進(jìn)赤霉素合成并提高含量［72］。在淹水條件下，乙烯響應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子Sub1A、Sub1B和Sub1C基因都表現(xiàn)上調(diào)表達(dá)［73］，Sub1控制莖葉緩慢的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)，保存能源物質(zhì)和葉綠素含量，以便在退水后恢復(fù)生長(zhǎng)，植株表現(xiàn)出生理活動(dòng)基本靜止［67-69，74，75］。具有淹水誘導(dǎo)Sub1A的水稻品種限制或有限地產(chǎn)生乙烯，在淹水期間乙烯維持赤霉素信號(hào)抑制物的mRNA 和蛋白質(zhì)積累［76，77］，響應(yīng)赤霉素的蔗糖和淀粉分解代謝基因被Sub1A所抑制，從而限制莖伸長(zhǎng)生長(zhǎng)，減少碳水化合物的消耗，使其在水下生存和退水后恢復(fù)生長(zhǎng)［1，3-5］。Bui 等［78］強(qiáng)調(diào)了Sub1在淹水條件下水稻根系生理調(diào)控的重要性，耐淹品種表現(xiàn)出較高的根系活性，如根尖活力和過氧化物酶活性升高，從而使其在淹水條件下根系和地上部損傷減少到最?。?3］。

4 濕地植物研究展望和應(yīng)用前景

濕地植物通過形態(tài)結(jié)構(gòu)和抗氧化防御系統(tǒng)保護(hù)植物體的內(nèi)、外環(huán)境，乳酸代謝途徑和乙醇發(fā)酵途徑等提供生命能量，受遺傳控制的逃避低氧脅迫策略而適應(yīng)水濕環(huán)境。在洪水脅迫下，濕地植物生長(zhǎng)發(fā)育因缺乏氧氣、CO2和陽光等而受到限制，光合速率等降低。采用乙烯響應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子SKs基因促進(jìn)莖的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)到達(dá)水面以上，重新獲得氧氣的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)逃避低氧脅迫策略，或者乙烯響應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子Sub1A-1基因控制莖葉的緩慢伸長(zhǎng)生長(zhǎng)，極低的生理活動(dòng)逃避低氧脅迫策略，通過這2 大重要策略忍耐和適應(yīng)洪水脅迫。洪水脅迫引起濕地植物缺氧，促進(jìn)了活性氧的產(chǎn)生，它破壞正常的生理代謝，體內(nèi)的抗氧化防御系統(tǒng)包括抗氧化酶、非酶抗氧化劑和滲透保護(hù)劑等保護(hù)組織免受氧化損傷。體內(nèi)CO2含量增加從而抑制有氧呼吸，轉(zhuǎn)向以無氧呼吸、乙醇發(fā)酵途徑和乳酸代謝途徑為生命活動(dòng)提供能量。在形態(tài)結(jié)構(gòu)方面，莖皮孔膨大并增多，從皮孔長(zhǎng)出不定根并具通氣組織；屏障結(jié)構(gòu)具界面保護(hù)功能，保護(hù)體內(nèi)通氣組織的氧氣不易擴(kuò)散出去。根尖無屏障結(jié)構(gòu)，離子能透過并進(jìn)入維管柱，此部位有少量ROL 釋放，緩解環(huán)境有毒害物質(zhì)對(duì)根尖的破壞。

濕地植物適應(yīng)并具有固定河湖消漲帶土壤的生態(tài)修復(fù)功能。泥蒿（Artemisia selengensis）和狗牙根為耐長(zhǎng)期淹沒的水陸兩棲植物，泥蒿和虉草（Phalaris arundinacea）等是冬春季生長(zhǎng)植物，在水文波動(dòng)的河湖岸邊，或者特定夏秋/秋冬淹沒區(qū)域，選擇適宜植物種類，能達(dá)到固定土壤的生態(tài)修復(fù)作用。濕地植物屏障結(jié)構(gòu)發(fā)育與其離子吸收和ROL 釋放之間有密切關(guān)系，根莖尖、根尖、側(cè)根穿過部位有氧氣釋放，可提高水體氧氣含量，促進(jìn)污染水體中需氧微生物活動(dòng)，促進(jìn)微生物徹底分解有機(jī)污染物。根尖是離子吸收部位，植物其余部分特別是莖有發(fā)達(dá)屏障結(jié)構(gòu)能抵御離子脅迫，保證植物體存活；去除水體污染離子需選擇根系發(fā)達(dá)、根尖數(shù)量多的物種，提高離子吸收效率和氧氣釋放總量；以及發(fā)達(dá)根系表面吸附有機(jī)污染物，達(dá)到凈化水體的目的。