滨海沙地植物厚藤叶片生理特征的季节变化

金 贇， 朱栗琼， 招礼军， 化 彬， 权佳惠， 刘金炽

( 广西大学 林学院， 广西森林生态与保育重点实验室， 南宁 530004 )

滨海沙地处于海陆交界地带，物质与能量变化剧烈。在全球气候变暖的背景下，滨海沙地气候变化异常、极端天气频发，极端易变的环境限制了大部分植物在该地区定居生长(Griffiths & Orians, 2003；Lum & Barton, 2020)。季节更替引起温度、水分及光照等多个环境因子改变，植物生理特征在季节变化中受环境因子影响会做出适应性变化，其变化程度和规律反映了植物适应能力的强弱和对环境的适应策略(蒋志荣等，2008)。沙生植物作为滨海沙地生态系统的重要组成部分，在海岸带生态稳定中发挥重要作用(赵艳云等，2014)，其对环境变化的响应和适应策略成为了生态学研究的热点问题之一。研究发现，滨海沙地植物长期适应环境变化，在生理上形成了对季节性环境变化的适应机制，如在夏秋季节受强光胁迫，滨海沙地植物光合作用效率降低，气孔逐渐关闭保护植物避免过多失水和高光灼伤(蔡水花等，2014；葛露露等，2018)；冬季低温干旱下，植物叶片养分含量和酶促代谢物SOD、POD和CAT的活性增高，叶片能够积累更多养分并提高细胞活性抵御低温伤害(Fernanda et al., 2014；张秋芳等，2019；Carlo et al., 2019)等。这些生理性适应机制主要表现为光合作用、渗透调节、酶系统保护作用的功能调节，使滨海沙地植物能够在极端恶劣生境中得以存活繁衍(吴锡麟等，2013；童升洪等，2020)。

厚藤(-)又名马鞍藤，系旋花科(Convolvulaceae)番薯属()多年生匍匐藤本植物，广布于全球热带及亚热带沿海地区，是广西海岸沙生植物区系中的优势种和建群种。研究表明，厚藤拥有大量不定根且匍匐茎延伸可长达10 m，有防风固沙和恢复生态等重要生态功能，在滨海生态恢复和重建过程具有重要应用价值(Jung et al., 2020)。近年来，有关厚藤耐旱策略(Kamakura & Furukawa, 2008)、耐盐机理(杜月青等，2011；Liu et al., 2020)及自身药用价值等方面的研究均有报道(冯小慧等，2018；杜成智等，2019)。但是，关于厚藤对滨海沙地这一特殊生境的生理生态适应性研究尚未见报道。叶片是植物进行光合作用的场所，对环境的变化较为敏感，其生理性状能较好地反映植物对环境的高度适应能力和在复杂生境下的自我调控能力(李旭等，2020)。鉴于此，本文以原生境下的厚藤为研究对象，在测定分析厚藤叶片的生理学特征在自然环境下季节变化规律的基础上，探讨厚藤叶片各生理指标与环境因子间的关系，拟回答科学问题“厚藤在适应不同季节水热变化过程中具有怎样的生理生化响应特征？”，从而阐明厚藤在滨海沙地特殊生境下应对环境变化的适应策略，为其开发利用及滨海沙地植被恢复提供理论指导和科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究地位于广西防城港东兴市江平镇万尾金滩(108°12′—108°18′ E，21°51′—21°53′ N)，属南亚热带海洋性季风气候，年平均气温22.6 ℃，历年最高气温为36.5 ℃，最低气温为2.8 ℃，年降水量约为2 890.5 mm，集中于6—8月，约占全年降雨量68%，年均日照数约为1 494.3 h。土壤类型主要为滨海盐土(砂质)，pH 6.69，含有机质3.96 g·kg，全氮0.19 g·kg，全磷0.11 g·kg，全钾3.09 g·kg。区内植被以草本及灌木为主，群落优势种有厚藤、老鼠艻()、单叶蔓荆 ()、绢毛飘拂草()等。

1.2 样品采集

根据华南地区气候季节划分(简茂球，1994)，分别于2017年4月(春季)、7月(夏季)、9月(秋季)、11月(冬季)进行样品采集，不同采样季节气象条件见表1。在研究区域内选择具有代表性的厚藤群落设置3个10 m × 10 m的样地，每个样地内选择5株生长状况相似，长势一致的厚藤成熟植株，对植株近顶端的成熟叶片进行叶绿素荧光测定，并采集5～8片放入冰袋保存，迅速带回实验室测定各生理指标。

表 1 2017年防城港环境因子季节性平均值及变化范围Table 1 Seasonal averages and variation ranges of environmental factors in Fangchenggang in 2017

1.3 叶片生理指标测定

在野外样地采用Hansatech叶绿素荧光仪(PEA)测定待测叶片的最小荧光()、最大荧光()，计算PS Ⅱ最大光能转化效率 [=(-)/]以及PS Ⅱ光化学潜在活性 [=(-)/]。将样品带回实验室后，参照李合生(2000)的方法，采用研磨-分光光度计法测定叶绿素含量，酸性茚三酮法测定脯氨酸含量，蒽酮比色法测定可溶性糖的含量，硫代巴比妥酸法测定丙二醛(MDA)含量，愈创木酚比色法测定过氧化物酶(POD)活性，氮蓝四唑(NBT)法测定超氧化物歧化酶(SOD)活性，高锰酸钾滴定法测定过氧化氢酶(CAT)活性。各项生理指标重复测定3次。

1.4 数据处理

数据采用Excel 2013软件进行数据统计和图表绘制，采用SPSS 25.0软件进行显著性检验、相关性分析、主成分分析。

2 结果与分析

2.1 不同季节厚藤叶片叶绿素含量变化

叶绿素作为光合主要色素，其含量决定了植物光合过程中对光能的获取能力，受环境因子变化影响。由图1可知，厚藤叶绿素含量随季节更替整体呈现出递减趋势，即春季>夏季>冬季>秋季。厚藤叶片叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b含量均在春季显著高于其他三个季节(<0.05)，而自夏季开始下降，随后保持稳定趋势(>0.05)。可见在春季，厚藤具有较强的捕光能力。由于叶绿素a和叶绿素b的光合特性略有不同，其含量变化及比值会对植物的光合作用产生不同影响。图1：A，B结果显示，夏季叶绿素a和叶绿素b显著下降，叶绿素a的下降幅度是叶绿素b的3倍，叶绿素a/b虽有变化但整体在1.48～2.18之间波动 (图1：D)，始终低于理论值3∶1，未达显著水平(>0.05)。表明厚藤叶片对光能的捕获方式受季节变化发生改变，但始终保持较强的光能利用效率。

不同小写字母表示不同季节间存在显著差异(P<0.05)。下同。Different lowercase letters indicate significant differences among different seasons (P<0.05). The same below.图 1 厚藤叶片叶绿素含量季节变化Fig. 1 Seasonal changes of chlorophyll contents in Ipomoea pes-caprae leaves

2.2 厚藤叶片叶绿素荧光参数的季节变化

PS Ⅱ最大光能转化效率()和PS Ⅱ潜在活性()是衡量光抑制程度的重要指标。有研究认为，植物在非胁迫状态下为0.75～0.85，0.44可作为PS Ⅱ是否受损的临界值，该值越低，反映植物受到光抑制的程度越高(Kalaji et al., 2016)。由图2可知，厚藤叶片不同季节和变化趋势一致，夏季和冬季间无显著差异(>0.05)，显著高于春季和秋季(<0.05)，在春季和秋季分别为0.49和0.48，接近受损临界值，而夏季和冬季分别为0.75和0.74，接近于非胁迫状态区间最低值。在春季和秋季分别为1.01和0.96，而夏季和冬季分别为2.94和2.86。表明厚藤春季和秋季PS Ⅱ反应中心受到抑制，PS Ⅱ潜在活性较低。

图 2 厚藤叶片叶绿荧光素参数季节变化Fig. 2 Seasonal changes of chlorophyll fluorescence parameters in Ipomoea pes-caprae leaves

2.3 不同季节厚藤叶片渗透物质含量及抗氧化酶活性变化

渗透调节物质的累积可以增加植物细胞溶质浓度，降低渗透势保持膨压，维持细胞正常形态和生理代谢，对植物抵抗非生物胁迫有着重要作用。研究结果显示，厚藤叶片脯氨酸含量随季节变化呈上升趋势(图3：A)，冬季含量显著高于其他三季(<0.05)，分别为春季的4.3倍、夏季的3.7倍、秋季的1.2倍，秋季含量显著高于春季、夏季，且春夏之间无显著差异(>0.05)。可见叶片在秋、冬季节开始合成积累脯氨酸，在冬季含量达到顶峰，表现较高渗透调节能力。冬季可溶性糖含量显著高于其他三个季节(<0.05)(图3：B)，分别是春季的1.66倍、夏季的2.44倍、秋季的2.92倍，说明可溶性糖在冬季大量合成并累积，而其他三个季节的消耗速度大于合成速度。MDA是膜质过氧化的产物，由图3：C可知，MDA含量随季节变化差异不大，整体在0.21～1.48 nmol·g之间浮动，未达到显著水平(>0.05)，表明各季节厚藤叶片内活性氧的产生与清除处于动态平衡，细胞膜脂过氧化作用较弱，膜脂未受到严重活性氧毒害。

图 3 厚藤渗透物质含量季节变化Fig. 3 Seasonal changes of osmotic substances contents in Ipomoea pes-caprae leaves

抗氧化酶是植物活性氧(ROS)清除系统中的重要酶，能维持活性氧自由基产生与清除系统的平衡(耿东梅等，2014)，当植物受到逆境伤害时，抗氧化酶活性被激发以清除植物体内多余的ROS，保护植物膜系统。研究结果显示：厚藤叶片中过氧化物酶(POD)活性随季节变化而呈现上升趋势(图4：A)，各季节间差异不显著(>0.05)，在春季活性最低，为65.26 U·g·min，夏季、秋季、冬季POD活性分别为93.00、137.66、160.26 U·g·min，冬季达到最高值；超氧化物歧化酶(SOD)活性夏季、秋季、冬季间差异不显著(>0.05)(图4：B)，春季显著高于其他三个季节(<0.05)，是夏季的8.61倍、秋季的4.25倍、冬季的8.3倍；过氧化氢酶(CAT)活性变化趋势与SOD活性一致，春季活性最高，达到298.07 U·g·min，是其他季节的5倍左右。可见厚藤叶片组织中SOD和CAT较POD对植物的保护作用明显，且叶片抗氧化能力在春季最强，说明厚藤叶片在春季受到逆境胁迫压力较大，叶片组织中SOD和CAT活性被激发，共同保护厚藤细胞膜系统免受环境伤害。

图 4 厚藤抗氧化酶活性季节变化Fig. 4 Seasonal changes of antioxidant enzyme activities in Ipomoea pes-caprae leaves

2.4 厚藤生理指标与环境因子相关性分析及主成分分析

将厚藤叶片各项生理指标与气候因子进行相关性分析，得到相关系数矩阵(表2)。由表2可知，厚藤叶片各生理指标之间存在相关性，叶绿素含量与脯氨酸呈显著负相关(<0.05)，与CAT和SOD活性呈极显著正相关(<0.01)，表明厚藤叶绿素含量与渗透调节和抗氧化作用紧密相关。SOD与MDA有显著正相关(<0.05)，且与CAT有极显著正相关关系(<0.01)，与和有显著负相关关系(<0.05)，说明抗氧化酶活性对细胞膜脂化程度和植物光合作用产生影响。温度和日照数与可溶性糖有极显著负相关关系，说明对可溶性糖含量产生显著影响。

表 2 厚藤叶片生理指标间的相关性分析Table 2 Correlation analysis of physiological indexes of Ipomoea pes-caprae leaves

植物对环境变化的响应是多个生理生化机制综合作用的结果，单个指标无法准确反映植物对环境变化的响应情况。因此，本研究对厚藤季节变化影响下的10个生理指标进行主成分分析(表3)。 由表3可知，10项生理指标可转化为3项综合指标，即成分1、成分2、成分3，贡献率累积达88.050%(大于85%)，能反映各生理指标的相对重要性和相互关系。在主成分因子载荷分析中，因子载荷高，说明对其所在主成分影响较大。在主成分1中，SOD活性、CAT活性和叶绿素b含量因子载荷高，对主成分1影响较大，主要包含抗氧化酶系统和光合作用系统的相关特征指标。在主成分2中，脯氨酸含量、可溶性糖含量及POD活性影响较大，主要为渗透调节物质含量，反映叶片渗透调节能力。在主成分3中，和以及可溶性糖含量因子载荷较高，和与植物光合作用强弱有关，可溶性糖是植物光合作用重要产物，集中反映了植物光合作用情况。因此，抗氧化酶系统、光合作用与渗透调节在厚藤的季节性适应机制中都起着重要作用，其中光合作用和抗氧化酶系统作用显著，是影响厚藤季节性适应能力的关键。

表 3 厚藤叶片生理指标初始因子载荷矩阵Table 3 Initial factor loading matrix of leaf physiological indexes for Ipomoea pes-caprae

3 讨论与结论

广西滨海沙地属南亚热带海洋性季风气候，季节更替所带来的温度、湿度及光强变化剧烈，影响植物的生长发育。当环境因子的变化引起植物不适应时，植物生理特征会做出适应性改变以适应环境变化。

叶绿素具有能量转换和捕捉光能的作用，叶绿素含量与光合作用紧密相关 (Ilze & Antons, 2017；吕丹等，2019)。大多数植物在受到逆境胁迫时，叶绿素酶活性提高，促进叶绿体的降解和抑制其合成，使得叶绿素含量降低，光合作用减弱(周余华和梁宇翔，2021)，也有研究表明，一些抗逆性较强的树种如沙木蓼()、多花柽柳()等在干旱胁迫下叶片叶绿素含量升高，表现出较强抗旱能力(罗青红等，2014；孙龙等，2014)。尽管叶绿素在光合作用过程中的重要性已被承认， 但其与光合作用能力之间的关系仍然存在争议，黄丽(2013)认为叶绿素含量不能完全反映光合能力差异。本研究发现，厚藤在干旱低温的春季，叶绿素含量升高，但与光合作用相关的、和可溶性糖含量指标降低，说明春季叶绿素含量的增加可能不会加强厚藤的光合作用，而是由于胁迫环境下，植物渗透压增大抑制了叶绿素降解有关基因的表达，加上细胞失水导致叶绿素浓度上升，与靳月等(2018)和张曦等(2016)的研究结果相类似。叶绿素a和叶绿素b在光合作用中功能不同，潘昕等(2013)提出叶绿素a/b的值可以用来判断植物的抗旱能力，干旱胁迫下叶绿素a/b的值变化幅度越小，植物抗旱能力越强。在季节变化过程中，随着夏、秋、冬季节降雨增多，日照数增大，叶绿素含量下降，叶绿素a的下降幅度是叶绿素b的3倍，可能由于是逆境下光合系统的还原端产生ROS，在ROS作用下叶绿素a比叶绿素b更易被分解破坏(陈士超等，2017)。而叶绿素a/b始终保持稳定且低于阳生植物理论值(3∶1)，表现出厚藤具有较强的抗旱性和适应性，可保护光合作用反应中心免受过剩光能的伤害(张金玲等，2017；Ayumi & Ryouichi, 2019)。

叶绿素荧光是光合作用的探针，任何环境因子对光合作用的影响都可以通过叶绿素荧光动力学参数快速、灵敏且无损伤地反映出来(耿东梅等，2014)。代表了PS Ⅱ潜在活性，是表征植物是否受到环境胁迫的重要指标(Kalaji et al., 2016)。在自然环境中，厚藤在春季和秋季降幅明显，接近PS Ⅱ受损临界值，可见厚藤春季和秋季PS Ⅱ反应中心受到抑制，PS Ⅱ潜在活性较低，但PS Ⅱ仍未受到损害。这可能是由于春季较高含量的叶绿素对PS Ⅱ反应中心的结构和功能有一定的保护作用，但严峻的干旱环境条件仍然使PS Ⅱ反应中心处于抑制状态(肖瑞雪等，2018)。在秋季降雨量增加，干旱胁迫得到缓解的同时，高温强光条件下厚藤叶绿素循环机制发生改变，引起叶绿素a/b的值下降，厚藤捕获有效光组成变化进而抑制了光系统作用，与葛露露等(2018)研究结果相一致。

脯氨酸和可溶性糖是重要的有机渗透调节物质，其含量积累可以提高植物细胞液的渗透压，增强细胞的吸收保水能力，是植物抵御逆境胁迫的重要生理调节机制(车韦才等，2020)。研究发现，短枝木麻黄()通过增强渗透调节能力和降低膜脂过氧化作用来适应外界环境变化(李楠等，2019)，单叶蔓荆叶片在逆境下积累的脯氨酸在抑制细胞膜脂过氧化和维护细胞膜稳定上起重要作用(周瑞莲等，2013)。在本研究中，厚藤叶片中脯氨酸和可溶性糖含量随季节变化明显，而MDA质量摩尔浓度无显著变化，说明厚藤可通过调整渗透调节物质含量避免细胞膜系统膜脂过氧化，对自然生境下环境变化表现出较强适应性；而脯氨酸含量随季节变化上升，在冬季达到最高，即水分严重亏缺和气温较低的季节，此时植物体内累积大量脯氨酸，一方面发挥渗透调节作用缓解水分散失保护植物体内原生质，另一方面可以调节活性氧的产生和清除，保护细胞膜结构完整。由此可见，叶片中脯氨酸的累积是厚藤应对低温干旱逆境的有效防护措施，与朱军涛等(2011)的研究结果相同。厚藤叶片可溶性糖含量与温度和日照数呈极显著负相关关系，在冬季显著增高，春、夏、秋季节呈下降趋势，表明可溶性糖含量在这三个季节逐渐被消耗，而在冬季合成积累。可能是由于厚藤在冬季合成和储存更多可溶性糖为越冬做准备，而到了春季，随季节变化气温回升，光照数增加，植物呼吸作用增强，消耗了大量可溶性糖。这与李培广等(2012)对梭梭树的研究结果一致。

保护酶系统SOD、POD、CAT作为植物内源的ROS清除剂，可通过协同作用减少ROS对植物细胞造成的伤害，MDA是植物细胞质膜过氧化物的最终产物，可用于衡量细胞受活性氧类物质伤害的程度(梁芳等，2021)。在本研究中，厚藤叶片MDA含量四季无显著差异，其SOD和CAT酶活性在春季显著高于其他季节，结合叶绿素含量变化以及厚藤叶片生理指标间的相关性分析，发现SOD和CAT活性与叶绿素含量之间存在极显著正相关关系，认为是在春季厚藤失水引起叶绿素含量上升但未发生有效光合作用，导致ROS增多激发SOD和CAT活性，使得细胞中MDA保持较低水平，维护细胞膜的完整性。随着降雨量增加，植物干旱胁迫解除，植物细胞维持相对稳态，ROS对细胞膜的胁迫程度下降。因此，尽管SOD、CAT活性相较春季有所下降，但MDA含量依然保持较低水平。此外，本研究还发现POD活性随季节呈上升趋势，与CAT、SOD活性变化趋势不同，可见SOD、POD和CAT活性相互此消彼长，使抗氧化酶活性总体维持较高水平，说明厚藤具有极其强大的抗氧化酶系统以适应环境变化，与荩草()抗氧化酶系统对干旱和遮阴的响应机制相似(孙帅等，2018)。

相关性和主成分分析显示，各指标和气候因子间存在相关性，温度和日照数对可溶性糖含量影响显著，叶绿素含量和抗氧化酶活性能够较好地反映厚藤对季节变化的响应情况。厚藤可通过抗氧化酶系统、光合作用与渗透调节作用来适应环境季节性变化，其中光合作用和抗氧化酶系统作用是厚藤适应季节变化的关键。

综上所述，厚藤叶片生理指标具有显著的季节变化特征。随着季节变化，厚藤可通过调整叶绿素a与叶绿素b下降速度使叶绿素a/b保持稳定，同时提高渗透调节物质含量和抗氧化酶活性以适应季节变化，因此可作为沙地生态恢复前期建群种。