三峡库区(万州段)消落带4种乡土草本植物的水淹胁迫响应

钟 彦, 唐 恒， 田 辉, 甘丽萍†

(1.重庆三峡学院教师教育学院，404100, 重庆；2.重庆三峡学院生物与食品工程学院，404100, 重庆)

三峡工程建成运行后，采取“冬蓄夏排”的水库调水方式，年水位在145～175 m之间， 30 m高程变化区间所覆盖的面积被称为消落带。这种调水方式使库区生态系统受到严重的负面影响[1]，其中消落带植被物种多样性呈现下降趋势[2]，水土流失严重[3]，进而导致消落带生态系统结构和功能受损。近年，消落带人工植被的修复及库区生态系统恢复广受社会各界的重视，恢复消落带植被的有效方法之一是人工植被重建[3-4]。消落带植物不仅要耐水淹，且在退水后,植物能否快速恢复各项指标将直接影响到其再次耐受水淹逆境后的生存[5]。水淹现象是自然界中常见的一种植物逆境生长环境，对植物在水淹期及水淹后的光合特性适应机制的研究是消落带植被恢复的重要基础，也是解决水库消落带生态环境问题的前提[6-7]。水淹胁迫下，植物为了减缓由胁迫造成的压力，光合参数、生长特性和解剖结构都会做出相应的调整[8-9]，植株体内气体交换参数、丙二醛、渗透调节物质、抗氧化酶系等生理生化指标也发生变化[10-11]。研究表明三峡库区消落带共生长着 58科 175种植物，5个灌丛群落，49个草本植物群落，一年生植物是优势群落。狗尾草(Setariaviridis)、马唐(Digitariasanguinalis)、酸模叶蓼(Polygonumlapathifolium)、苍耳(Xanthiumsibiricum)、双穗雀稗(Paspalumdistichum)、狗牙根(Cynodondactylon)等为优势种并都已经有水淹胁迫的报道[5-6,12]。消落带植物种间生态位重叠值较高，种间竞争强烈，消落区还处于群落演替的初级阶段，在江水的自然起落选择下，很多草本植物虽然不能全程适应水淹或干旱的环境，都将通过在不同生态位，即在不同水淹时间和退水后恢复时间的存活，来完成在消落带区的短时配置，在库区植被生态保持中贡献各自的力量。消落区万州段有很多存活的草本植物在陆地能安全越冬，但在被水淹的消落带能存活多久，水淹后的生理变化如何？还有很多植物没有被研究。本研究选择万州消落带退水期存活且冬季能在陆地生长的几种植物如苍耳、马兰(Kalimerisindica)、鱼腥草(Houttuyniacordata)及酸模(Rumexacetosa)来进行水淹实验，测定相关的光合指标与生理指标，比较不同植物在水分胁迫中的响应敏感性，探讨其耐淹机理，为库区消落带植被物种更替及生态位补给中提供参考数据。

1 材料与方法

1.1 材料与药品

实验材料：2017年9月上旬，在三峡库区消落带(万州段)挖取鱼腥草，酸模，马兰及苍耳幼苗，将每种植物生长一致(株高(20±2)cm)的幼苗统一栽入塑料花盆中，每盆1株，栽种土壤为当地消落带沙壤土，栽植前拌匀，将植株放置于重庆三峡学院生物与食品工程学院的遮阴棚里，植物生长稳定后，移出放在自然空地上备用。

1.2 实验设计

将实验用苗随机分为3组，每组10盆。设置对照组CK(自然室外，无人工浇水，control group)、水淹组(submerged group，SG)和恢复组(restored group，RG)。水淹组将盆栽植株放入高50 cm，口径40 cm的水桶内，注水至淹没植株最顶端。实验过程中每3 d更换1次水。水淹15 d后，将水淹组带植物连盆取出，自然环境生长15 d为恢复组。于水淹开始的第15天和恢复生长的第15天，进行叶片光合参数、丙二醛MDA质量摩尔浓度、可溶性蛋白、可溶性糖和脯氨酸质量分数以及SOD(superoxide dismutase)、CAT(catalase)的测定；对根系进行取样，进行根活力测定(TTC质量分数测定)。每个样品做3次重复。

1.3 指标测定

1)形态指标。试验采用直尺测量根系主根长，人工计数植株存活叶片数和须根数。水淹当天(0 d)，水淹后15 d、水淹最长存活期及水淹15 d+恢复后15 d分别进行植株各生长指标的测定，其中，苍耳及鱼腥草测量根系长度，酸模及马兰计数须根数量。每种处理测量5株，取平均值。

2)光合指标。选取植株顶部健康功能叶，利用GFS- 3000光合仪测定植株净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr)。每处理选取3盆，共3个重复。

3)生理生化指标。MDA质量摩尔浓度测定采用硫代巴比妥酸比色法，脯氨酸(Pro)质量分数参照李合生的方法进行测定[13]，可溶性蛋白质量分数测定利用考马斯亮蓝G- 250染色法[13]；可溶性糖质量分数测定利用蒽酮-硫酸法，根系活力测定利用氯化三苯基四氮唑(TTC)法[14]；SOD及CAT活性测定参照Knrzer等[15]的方法。

1.4 结果分析

利用统计分析软件 SPSS 19.0 分析实验数据，光合指标和生理生化指标的影响采用单因素方差分析(One-way ANOVA)，并用多重比较检验差异显著性，显著水平为0.05。

2 结果与分析

2.1 形态指标

水淹15 d后，酸模、鱼腥草及马兰叶片存活数显著降低，苍耳叶片数与处理当天相比没有改变，酸模须根数和鱼腥草根系长度较显著降低，苍耳根系长度有显著增长；水淹22 d后，酸模和苍耳叶片还有存活，但与水淹15 d相比有显著减少，部分叶片腐烂，鱼腥草和马兰叶片基本都腐烂坏死，酸模和马兰根系迅速坏死回缩，苍耳和鱼腥草根系没有变化；水淹15 d+恢复15 d后，马兰须根系与水淹15 d相比显著减少，苍耳存活叶片数继续减少，但主根系有显著的增长，鱼腥草和酸模的叶片数及根系指标与水淹15 d没有差别(表1)。

表1 不同水淹条件下4种植物形态指标变化Tab.1 Changes of morphological characteristics of 4 plants under different submerging conditions

2.2 4种植物光合指标

在4种植物水淹后叶片都有存活的15 d进行取样，4种植物叶片光合指标与对照相比，变化趋势不太一致(图1)。其中，酸模和苍耳的各项指标与对照相比没有显著变化，鱼腥草Pn和Ci与对照相比显著降低，马兰的Ci和Gs也与对照呈显著降低；恢复15 d后，酸模的Pn、Tr，苍耳的Pn、Gs与对照相比有显著升高，马兰的Ci与对照相比呈显著降低。短期的水淹并没有显著降低酸模和苍耳的Pn，反而在恢复后还出现显著上升，这表明短暂的水淹刺激对植物有较好的光合能力的激发。

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

1) 丙二醛质量摩尔浓度。不同水淹处理4种植株后叶片MDA的质量摩尔浓度对水淹的响应基本一致，水淹15 d和恢复15 d后，MDA质量摩尔浓度都有不同程序的上升趋势。其中苍耳和马兰在水淹15 d的MDA值相比对照达到显著差异，酸模在复水恢复15 d后MDA值与对照达到了显著差异(图2)。说明植物在淹水环境中MDA的积累与分解有一点时序性的差异。

图2 不同水淹条件下的4种植物丙二醛质量摩尔浓度Fig.2 Malondialdehyde (MAD)content of four plants under different submerging conditions

2)根系活力。 不同水淹处理植株植物根系的活力(TTC质量分数)对水淹的响应有所差异(图 3)，酸模、苍耳和鱼腥草在水淹15 d后根系TTC质量分数与对照相比都有上升，其中酸模与对照达到了显著差异，苍耳达到极显著差异，分别增加 33.3%和65.0%，而且恢复15 d后酸模、苍耳TTC质量分数比对照也出现明显的上升趋势，分别增加36.4%和35.7%。而马兰的根系在水淹15 d后TTC质量分数有下降的趋势。说明酸模和苍耳根系在水淹环境中反而激活根系的活力，并且在恢复后持续表达。

图3 不同水淹条件下的4种植物根系活力(TTC质量分数)Fig.3 Root vitality (TTC content)of four plants under different submerging conditions

3)渗透调节物质的变化。如图4所示，水淹15 d后4种植物的渗透调节物质大部分都有不同程度的上升。酸模在恢复15 d后可溶性糖质量分数与对照相比达到显著差异。酸模和苍耳的Pro质量分数在水淹15 d后及恢复15 d后与对照相比达到显著上升，其中水淹15 d苍耳中Pro质量分数上升量达到了极显著差异，上升60.0%。而马兰在水淹后该值有下降的趋势。说明酸模和苍耳主要通过Pro质量分数上升来进行渗透物质的调节，对水淹有较灵敏的渗透调节能力。

图4 不同水淹条件下的4种植物可溶性蛋白、可溶性糖和脯氨酸质量分数Fig.4 Soluble protein, soluble sugar and proline contents of four plants under different submerging conditions

4) 抗氧化酶活性的变化 。不同水淹处理植株叶片抗氧化酶活性对水淹的响应有所差异(图 5)，酸模、苍耳和马兰在水淹 15 d 和恢复后15 d后SOD 活性均有上升，并且与对照达到了显著差异，分别增加45.5%、35.5%；75.0%、35.7%和56.3%、100.7%。酸模和苍耳水淹15 d和恢复15 d CAT活性与SOD保持相同趋势，分别上升17.1%、12.2%和57.9%、50.6%。但鱼腥草和马兰在水淹15 d后CAT都显著下降，分别下降48.4%和32.8%。酸模、苍耳在水淹环境中迅速提升抗氧化酶活力，来适应缺氧环境。

图5 不同水淹条件下的4种植物超氧化物歧化酶和过氧化氢酶活性Fig.5 Superoxide dismutase (a) and catalase (b) activity of four plants under different submerging conditions

3 讨论

3.1 形态变化

为了缓解水淹缺氧对植物造成的伤害，不同植物会采用不同的方式来逃避或适应。本实验中，鱼腥草和马兰在水淹15 d后地上部分陆续坏死，根系能多维持一段时间，酸模和苍耳适应水淹的时间在22 d左右，苍耳主根系在水淹的环境中长度有显著增长，恢复后还能适度增长。表明水淹胁迫发生初期，植物地上部分减小，根系生长量增加，当逆境胁迫持续存在时，地上部分逐渐死亡，而地下通过减少须根的数量和主根回缩来维持生命，延续存活。很明显，苍耳在水淹环境中根系生长更为积极。笔者在长江边调查也发现，次年退水后，大量的苍耳植株已枯死，但茎干依然挺立，庞大的根系依然牢牢固定在土壤中，说明在水淹过程中其根系具有顽强的生命力。

3.2 光合指标

许多植物在水淹胁迫后，光合速率会下降。普遍情况下，在遭受水淹后的前期光合作用明显降低，但是随着时间的延长，耐淹物种会产生一定的适应性，逐渐恢复正常水平或达到稳定状态[16]。本研究中苍耳、酸模在水淹条件下存活较好，水淹15 d后长势与对照相比变化不大，鱼腥草和马兰部分叶片开始腐烂衰败。光合指标测定结果表明，水淹15 d后苍耳和酸模叶片Pn并没有显著下降，在恢复15 d后还出现了显著上升，这表明短暂的水淹刺激对植物有较好的激发能力，苍耳在恢复15 d后，根系长度依然能保持适度增长，说明植物在“逃离”水环境后植物试图加速生长，可以理解为在防患动机的驱使下，此过程中需要大量能量和碳水化合物的供给，因此需要提高光合速率，从而表现出较高的净光合速率。

鱼腥草Pn和Ci与对照相比显著降低，表明其对水淹环境的有较灵敏的应急反应，但与苍耳和酸模相比，同样的处理时间Pn值下降表明其相对耐淹能力弱，不耐淹植物的Pn则会一直呈现下降的趋势[17]。研究表明当鱼腥草遭到水淹胁迫时，光合作用、有机物合成等正常生理活动会遭到影响，最严重的伤害是鱼腥草细胞内的活性O2大量累积，导致膜通透性的改变[11]。可见，鱼腥草不能适应长期水淹环境，有一定的局限性。

Gs的变化对植物水分吸收与利用状况及CO2的同化能力有着重要的影响[10,18]。在水淹15 d后，马兰Ci和Gs与对照相比显著降低，说明了对水淹环境的敏感性，但Pn并没有降低，在此情况下，净光合速率与CO2浓度及气孔因素不完全呈正相关。水淹胁迫导致植物净光合速率下降的原因还可能与非气孔因素有关[10]，因此气体交换参数之间没有必然的关联，它们从不同的角度反映了植物的光合合成受到的影响。

3.3 生理指标

MDA质量摩尔浓度的上升体现植物细胞膜质过氧化程度加剧，说明细胞膜受到了伤害。本研究中苍耳和马兰在水淹15 d MDA质量摩尔浓度相比对照急速上升，达到显著差异，说明水淹对其有伤害，但在恢复15 d后MDA质量摩尔浓度很快降低，证实它们较强的自我代谢与恢复能力。而酸模在恢复15 d后MDA质量摩尔浓度与对照相比有较高上升，达到了显著差异，说明MDA的积累与释放有一定的时效性，水淹对该植物的影响有滞后性。

不同水淹处理植株植物根系的活力(TTC质量分数)对水淹的响应有所差异，苍耳在水淹15 d后根系TTC质量分数与对照相比迅速上升，达到极显著差异，而且主根系长度在此时显著增加，说明根系在水淹环境下有较强的自我调节与修复能力，笔者在江边调查中拔出水中生长的苍耳，发现其根系有横走趋势，须根更多，这对于提高氧气向根部的扩散起到了重要的作用，植株根系也因此可以获取更多的氧气[10,19]，从而减轻细胞膜脂的过氧化伤害。恢恢复淹后酸模与苍耳的TTC质量分数同样与对照相比增加较多，达到了显著差异，说明在短暂的水胁迫后根系激发了植物的一种速生本能。而马兰的根系在水淹15 d后TTC质量分数有下降的趋势，说明在水胁迫中的根系生长能力受到影响。

可溶性蛋白、脯氨酸以及可溶性糖这3种渗透调节物质在植物抵御水淹逆境中发挥了重要的作用，其质量分数的增加被认为是植物适应水淹胁迫的机制[10,19]。水淹15 d后，调查的4种植物可溶性糖和可溶性蛋白质都没有显著的变化，这表明植株并没有通过生物大分子来抵御水淹胁迫。从另一个方面说明短暂的水淹并没有明显抑制这几种植物叶片中蛋白质的合成或促进其分解。酸模和苍耳在水淹和恢复后叶片中的脯氨酸质量分数与对照相比显著上升，说明渗透调节主要是通过脯氨酸升高来表达，然后启动植物的胁迫代谢反应来适应变化的环境。

水淹条件下，抗氧化系统清除活性氧的能力降低[20]。耐缺氧胁迫物种的调节方式在于通过增加体内的SOD活性来抵御体内ROS产生的潜在伤害[21]。逆境胁迫下，细胞内易产生H2O2破坏膜系统的稳定，而CAT通过分解H2O2为H2O和O2，从而清除H2O2来维护膜的稳定性[22]。酸模、苍耳和马兰在水淹15 d和恢复15 d后SOD 活性均有显著性上升，说明这几种植物通过提高SOD的活性来对抗活性氧的积累，而酸模和苍耳通过提高SOD和CAT2种酶的协同作用巩固减轻有害物质对组织细胞的损伤。需要注意的是植物抗氧化酶的活性并不会随着胁迫程度的增强而无限的增大[23]。当超过一定程度的胁迫后，抗氧化酶也会失衡。

植物受到水淹胁迫后会产生胁迫互偿效应，一种植物在某些指标方面受到抑制，但在另外一些功能方面又有一种增强效应。单一指标的增加或降低不能说明植物的耐水淹程序，还需要整合各项指标来探明整个植株的响应机制。

4 结论

酸模和苍耳能够在水淹22 d后地上部分依然存活，水淹15 d后的光合指标没有明显降低，多数生理指标都显著性增加来响应水淹胁迫，特别是苍耳的根系活力及Pro质量分数都极显著增加, 水淹和恢复后根系长度依然有增长，光合指标与根系活力等与对照相比都有较大程度的增强，这表明短暂的水淹刺激对苍耳和酸模有较好的激发能力，“逃离”水环境后植物试图加速生长，表明它们属于水淹灵敏型或高耐水淹性；而鱼腥草在水淹后光合指标明显下降，生理方面没有较及时的响应，表现出对水胁迫的迟钝性；马兰通过降低根系活力来维持根系在缺氧环境中的能量平衡，表现出低耐水淹。不同植物水淹后在形态和生理指标上有不同的适应方式和适应能力，这些基础数据能为库区消落带植被物种更替及生态位补给中提供参考依据。