三峽庫區(萬州段)消落帶4種鄉土草本植物的水淹脅迫響應

鐘 彥, 唐 恒， 田 輝, 甘麗萍?

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

三峽工程建成運行后，采取“冬蓄夏排”的水庫調水方式，年水位在145～175 m之間， 30 m高程變化區間所覆蓋的面積被稱為消落帶。這種調水方式使庫區生態系統受到嚴重的負面影響[1]，其中消落帶植被物種多樣性呈現下降趨勢[2]，水土流失嚴重[3]，進而導致消落帶生態系統結構和功能受損。近年，消落帶人工植被的修復及庫區生態系統恢復廣受社會各界的重視，恢復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,植物能否快速恢復各項指標將直接影響到其再次耐受水淹逆境后的生存[5]。水淹現象是自然界中常見的一種植物逆境生長環境，對植物在水淹期及水淹后的光合特性適應機制的研究是消落帶植被恢復的重要基礎，也是解決水庫消落帶生態環境問題的前提[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、生長特性和解剖結構都會做出相應的調整[8-9]，植株體內氣體交換參數、丙二醛、滲透調節物質、抗氧化酶系等生理生化指標也發生變化[10-11]。研究表明三峽庫區消落帶共生長著 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)等為優勢種并都已經有水淹脅迫的報道[5-6,12]。消落帶植物種間生態位重疊值較高，種間競爭強烈，消落區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水淹或干旱的環境，都將通過在不同生態位，即在不同水淹時間和退水后恢復時間的存活，來完成在消落帶區的短時配置，在庫區植被生態保持中貢獻各自的力量。消落區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)來進行水淹實驗，測定相關的光合指標與生理指標，比較不同植物在水分脅迫中的響應敏感性，探討其耐淹機理，為庫區消落帶植被物種更替及生態位補給中提供參考數據。

1 材料與方法

1.1 材料與藥品

實驗材料：2017年9月上旬，在三峽庫區消落帶(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)的幼苗統一栽入塑料花盆中，每盆1株，栽種土壤為當地消落帶沙壤土，栽植前拌勻，將植株放置于重慶三峽學院生物與食品工程學院的遮陰棚里，植物生長穩定后，移出放在自然空地上備用。

1.2 實驗設計

將實驗用苗隨機分為3組，每組10盆。設置對照組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，注水至淹沒植株最頂端。實驗過程中每3 d更換1次水。水淹15 d后，將水淹組帶植物連盆取出，自然環境生長15 d為恢復組。于水淹開始的第15天和恢復生長的第15天，進行葉片光合參數、丙二醛MDA質量摩爾濃度、可溶性蛋白、可溶性糖和脯氨酸質量分數以及SOD(superoxide dismutase)、CAT(catalase)的測定；對根系進行取樣，進行根活力測定(TTC質量分數測定)。每個樣品做3次重復。

1.3 指標測定

1)形態指標。試驗采用直尺測量根系主根長，人工計數植株存活葉片數和須根數。水淹當天(0 d)，水淹后15 d、水淹最長存活期及水淹15 d+恢復后15 d分別進行植株各生長指標的測定，其中，蒼耳及魚腥草測量根系長度，酸模及馬蘭計數須根數量。每種處理測量5株，取平均值。

2)光合指標。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。

3)生理生化指標。MDA質量摩爾濃度測定采用硫代巴比妥酸比色法，脯氨酸(Pro)質量分數參照李合生的方法進行測定[13]，可溶性蛋白質量分數測定利用考馬斯亮藍G- 250染色法[13]；可溶性糖質量分數測定利用蒽酮-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 結果分析

利用統計分析軟件 SPSS 19.0 分析實驗數據，光合指標和生理生化指標的影響采用單因素方差分析(One-way ANOVA)，并用多重比較檢驗差異顯著性，顯著水平為0.05。

2 結果與分析

2.1 形態指標

水淹15 d后，酸模、魚腥草及馬蘭葉片存活數顯著降低，蒼耳葉片數與處理當天相比沒有改變，酸模須根數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，蒼耳存活葉片數繼續減少，但主根系有顯著的增長，魚腥草和酸模的葉片數及根系指標與水淹15 d沒有差別(表1)。

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

2.2 4種植物光合指標

在4種植物水淹后葉片都有存活的15 d進行取樣，4種植物葉片光合指標與對照相比，變化趨勢不太一致(圖1)。其中，酸模和蒼耳的各項指標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，反而在恢復后還出現顯著上升，這表明短暫的水淹刺激對植物有較好的光合能力的激發。

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) 丙二醛質量摩爾濃度。不同水淹處理4種植株后葉片MDA的質量摩爾濃度對水淹的響應基本一致，水淹15 d和恢復15 d后，MDA質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值相比對照達到顯著差異，酸模在復水恢復15 d后MDA值與對照達到了顯著差異(圖2)。說明植物在淹水環境中MDA的積累與分解有一點時序性的差異。

圖2 不同水淹條件下的4種植物丙二醛質量摩爾濃度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質量分數)對水淹的響應有所差異(圖 3)，酸模、蒼耳和魚腥草在水淹15 d后根系TTC質量分數與對照相比都有上升，其中酸模與對照達到了顯著差異，蒼耳達到極顯著差異，分別增加 33.3%和65.0%，而且恢復15 d后酸模、蒼耳TTC質量分數比對照也出現明顯的上升趨勢，分別增加36.4%和35.7%。而馬蘭的根系在水淹15 d后TTC質量分數有下降的趨勢。說明酸模和蒼耳根系在水淹環境中反而激活根系的活力，并且在恢復后持續表達。

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

3)滲透調節物質的變化。如圖4所示，水淹15 d后4種植物的滲透調節物質大部分都有不同程度的上升。酸模在恢復15 d后可溶性糖質量分數與對照相比達到顯著差異。酸模和蒼耳的Pro質量分數在水淹15 d后及恢復15 d后與對照相比達到顯著上升，其中水淹15 d蒼耳中Pro質量分數上升量達到了極顯著差異，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質量分數上升來進行滲透物質的調節，對水淹有較靈敏的滲透調節能力。

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量分數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有所差異(圖 5)，酸模、蒼耳和馬蘭在水淹 15 d 和恢復后15 d后SOD 活性均有上升，并且與對照達到了顯著差異，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、蒼耳在水淹環境中迅速提升抗氧化酶活力，來適應缺氧環境。

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。本實驗中，魚腥草和馬蘭在水淹15 d后地上部分陸續壞死，根系能多維持一段時間，酸模和蒼耳適應水淹的時間在22 d左右，蒼耳主根系在水淹的環境中長度有顯著增長，恢復后還能適度增長。表明水淹脅迫發生初期，植物地上部分減小，根系生長量增加，當逆境脅迫持續存在時，地上部分逐漸死亡，而地下通過減少須根的數量和主根回縮來維持生命，延續存活。很明顯，蒼耳在水淹環境中根系生長更為積極。筆者在長江邊調查也發現，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的生命力。

3.2 光合指標

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，耐淹物種會產生一定的適應性，逐漸恢復正常水平或達到穩定狀態[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。光合指標測定結果表明，水淹15 d后蒼耳和酸模葉片Pn并沒有顯著下降，在恢復15 d后還出現了顯著上升，這表明短暫的水淹刺激對植物有較好的激發能力，蒼耳在恢復15 d后，根系長度依然能保持適度增長，說明植物在“逃離”水環境后植物試圖加速生長，可以理解為在防患動機的驅使下，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，表明其對水淹環境的有較靈敏的應急反應，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則會一直呈現下降的趨勢[17]。研究表明當魚腥草遭到水淹脅迫時，光合作用、有機物合成等正常生理活動會遭到影響，最嚴重的傷害是魚腥草細胞內的活性O2大量累積，導致膜通透性的改變[11]?？梢?，魚腥草不能適應長期水淹環境，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。水淹脅迫導致植物凈光合速率下降的原因還可能與非氣孔因素有關[10]，因此氣體交換參數之間沒有必然的關聯，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

MDA質量摩爾濃度的上升體現植物細胞膜質過氧化程度加劇，說明細胞膜受到了傷害。本研究中蒼耳和馬蘭在水淹15 d MDA質量摩爾濃度相比對照急速上升，達到顯著差異，說明水淹對其有傷害，但在恢復15 d后MDA質量摩爾濃度很快降低，證實它們較強的自我代謝與恢復能力。而酸模在恢復15 d后MDA質量摩爾濃度與對照相比有較高上升，達到了顯著差異，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質量分數)對水淹的響應有所差異，蒼耳在水淹15 d后根系TTC質量分數與對照相比迅速上升，達到極顯著差異，而且主根系長度在此時顯著增加，說明根系在水淹環境下有較強的自我調節與修復能力，筆者在江邊調查中拔出水中生長的蒼耳，發現其根系有橫走趨勢，須根更多，這對于提高氧氣向根部的擴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]，從而減輕細胞膜脂的過氧化傷害?；只謴脱秃笏崮Ｅc蒼耳的TTC質量分數同樣與對照相比增加較多，達到了顯著差異，說明在短暫的水脅迫后根系激發了植物的一種速生本能。而馬蘭的根系在水淹15 d后TTC質量分數有下降的趨勢，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種滲透調節物質在植物抵御水淹逆境中發揮了重要的作用，其質量分數的增加被認為是植物適應水淹脅迫的機制[10,19]。水淹15 d后，調查的4種植物可溶性糖和可溶性蛋白質都沒有顯著的變化，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的合成或促進其分解。酸模和蒼耳在水淹和恢復后葉片中的脯氨酸質量分數與對照相比顯著上升，說明滲透調節主要是通過脯氨酸升高來表達，然后啟動植物的脅迫代謝反應來適應變化的環境。

水淹條件下，抗氧化系統清除活性氧的能力降低[20]。耐缺氧脅迫物種的調節方式在于通過增加體內的SOD活性來抵御體內ROS產生的潛在傷害[21]。逆境脅迫下，細胞內易產生H2O2破壞膜系統的穩定，而CAT通過分解H2O2為H2O和O2，從而清除H2O2來維護膜的穩定性[22]。酸模、蒼耳和馬蘭在水淹15 d和恢復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種酶的協同作用鞏固減輕有害物質對組織細胞的損傷。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而無限的增大[23]。當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生脅迫互償效應，一種植物在某些指標方面受到抑制，但在另外一些功能方面又有一種增強效應。單一指標的增加或降低不能說明植物的耐水淹程序，還需要整合各項指標來探明整個植株的響應機制。

4 結論

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后的光合指標沒有明顯降低，多數生理指標都顯著性增加來響應水淹脅迫，特別是蒼耳的根系活力及Pro質量分數都極顯著增加, 水淹和恢復后根系長度依然有增長，光合指標與根系活力等與對照相比都有較大程度的增強，這表明短暫的水淹刺激對蒼耳和酸模有較好的激發能力，“逃離”水環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明顯下降，生理方面沒有較及時的響應，表現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境中的能量平衡，表現出低耐水淹。不同植物水淹后在形態和生理指標上有不同的適應方式和適應能力，這些基礎數據能為庫區消落帶植被物種更替及生態位補給中提供參考依據。