三峽水庫消落區(qū)周期性水淹對狗牙根非結(jié)構(gòu)性碳水化合物積累與分配的影響

張立冬，李 新，秦洪文，郝艷龍，劉正學，*

(1.重慶三峽學院 環(huán)境與化學工程學院/三峽庫區(qū)水環(huán)境演變與污染防治重慶高校市級重點實驗室，重慶 404100；2.重慶市萬州區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，重慶 404100；3.重慶三峽學院 生命科學與工程學院，重慶 404100)

水淹是人工或自然濕地植物常常面臨的環(huán)境脅迫之一。水淹導致植物碳水化合物消耗增加、合成減少[1-2]，儲備的碳水化合物主要被用于能量供給、形態(tài)結(jié)構(gòu)及生理生化水平調(diào)整等，進而抵御水淹脅迫維系植物生存[3-4]。研究發(fā)現(xiàn)非結(jié)構(gòu)性碳水化合物積累（存量）水平與植株水淹脅迫耐受性呈正相關(guān)，且濕地水文節(jié)律（水淹周期、時長等）能改變植株非結(jié)構(gòu)性碳水化合物分配模式[5-7]。

三峽水庫不同于一般大型水庫，根據(jù)“蓄清排洪”水位調(diào)度原則，水庫水位實行與原自然消落區(qū)水位消漲節(jié)律相反的“冬蓄夏泄”調(diào)度方案，在風浪線177 m（正常蓄水位175 m+2 m）至防洪限制水位145 m之間形成新的退化生態(tài)系統(tǒng)——水庫消落區(qū)，具有水位落差大（0～30 m）、持續(xù)時間長（一般5～6個月，甚至可達9個月）、反季節(jié)性淹沒（11月至翌年5月）及洪汛不定期淹沒等特征。在這種極端“人工-自然”二元干擾作用下，狗牙根[Cynodon dactylon(Linn.)Pers.]、牛鞭草（Hemarthria altissima）等消落區(qū)適宜植物非結(jié)構(gòu)性碳水化合物積累與分配行為如何變化已逐漸引起人們的重視，但目前僅局限在模擬水淹研究水平[8-10]，而在實際消落區(qū)周期性水淹研究鮮有報道。

因此，本文以三峽水庫消落區(qū)具有典型代表性的適宜多年生草本植物——狗牙根[Cynodon dactylon(Linn.)Pers.]為研究對象，在海拔高程151～152 m上，對不同年限適應(yīng)株根、地上莖、匍匐莖和葉非結(jié)構(gòu)性碳水化合物（NSC）凈增長量以及其他相關(guān)指標進行測定，分析周期性水淹脅迫對狗牙根NSC積累與分配的影響，進而探索狗牙根對周期性水淹脅迫的適應(yīng)策略。

1 材料與方法

1.1 試驗樣地概況及材料

試驗樣地位于重慶市萬州區(qū)陳家壩曬網(wǎng)村曬網(wǎng)壩 （108°26′52″E，30°49′48″N），為典型消落區(qū)灘涂地，海拔151～152 m。自三峽水庫建成來，一般情況下該區(qū)域每年9月至翌年5月處于淹沒狀態(tài)，部分年份由于夏季洪汛導致成陸期間遭受二次淹沒或提前淹沒。其自然植被主要物種分別為狗牙根、丁香蓼、水蓼、牛筋草、鱧腸、鬼針草、牛毛氈、露珠珍珠菜、萱草、香附子、澤瀉、稗和李氏禾，整體區(qū)域狗牙根數(shù)量較低[11]。2013-2015年成陸期，每年6月分別將狗牙根種子（水利部中國科學院水工程生態(tài)研究所饋贈）按不同區(qū)域進行撒播，進而得到經(jīng)歷一次水淹、兩次水淹及三次水淹適應(yīng)株。

1.2 樣品采集及生長相關(guān)指標測定

2016年5月，待樣地露出水面，按出水5 d（植株處于泥水淤積狀態(tài)）、10 d，20 d，30 d，40 d和50 d后分別對兩年適應(yīng)株（經(jīng)歷兩次水淹）、三年適應(yīng)株（經(jīng)歷三次水淹）、多年適應(yīng)株（本地自然生長狗牙根）及對照株（180 m左右自然生長狗牙根）地上莖高及最長葉長進行測量。按Arndt[12]等的方法采集植株樣品，置于冰盒保存，帶回試驗室。一年適應(yīng)株由于泥沙淤積未取得樣品。

1.3 總光合色素與非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量測定

參照秦洪文等[13]的方法，將葉片盡數(shù)取下，混合并精確稱取1 g新鮮葉片，采用80%丙酮浸提法測定總光合色素含量；不同年限適應(yīng)株根、地上莖、匍匐莖及葉樣品，先后用自來水和去離子水清洗干凈，100℃烘箱內(nèi)殺青5 min，80℃烘干至恒質(zhì)量，采用蒽酮比色法測定可溶性糖含量及淀粉含量[13]。NSC含量為可溶性糖含量與淀粉含量之和，NSC凈增長量為不同測量點NSC含量與出水5 d時含量之差。

1.4 數(shù)據(jù)分析與處理

統(tǒng)計分析軟件SPSS 20.0用于實驗數(shù)據(jù)的處理與分析。采用單因素方差分析法(one-way ANOVA)對不同年限適應(yīng)株恢復生長期間地上莖高、葉長、NSC凈增長量變化進行分析，并用Duncan多重比較判斷不同年限適應(yīng)株之間差異性。P＜0.05為差異顯著,P＜0.01為差異極顯著；繪圖采用Origin 8.0軟件完成。所有數(shù)據(jù)以平均值±標準誤形式表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 周期性水淹對狗牙根地上莖高及葉長的影響

當水位降至海拔約150 m后，分別對出水5 d，10 d，20 d，30 d，40 d和50 d不同年限狗牙根適應(yīng)株地上莖高進行測量，結(jié)果見圖1（a）。從不同年限適應(yīng)株地上莖高變化趨勢看，不同測量點地上莖高均無顯著性變化；與對照相比，在出水20 d和30 d時，消落區(qū)不同年限適應(yīng)株地上莖高顯著低于對照株，而在其他測量時間無顯著性差異，但平均地上莖高均小于對照（表1）。恢復生長期間不同年限適應(yīng)株葉片顯著性增長，見圖1（b）。與對照相比，在不同測量點不同年限適應(yīng)株最長葉長均顯著低于對照株。

圖1 恢復生長期不同適應(yīng)年限狗牙根適應(yīng)株地上莖高及葉長變化Fig.1 The changes of aerial stem and leaf length of Cynodon dactylon(Linn.)Pers.with different years in period of recovery

表1 恢復生長期不同適應(yīng)年限狗牙根適應(yīng)株地上莖高變化Table 1 The aerial stem length changes Cynodon dactylon(Linn.)Pers.with different years in period of recovery

2.2 周期性水淹對狗牙根葉片數(shù)及總?cè)~綠素含量的影響

經(jīng)過50 d恢復生長，不同年限適應(yīng)株葉片數(shù)呈先增加后降低變化趨勢，見圖2（a）。出水10 d時，不同年限適應(yīng)株葉片數(shù)均顯著大于對照株；出水20 d時，三年適應(yīng)株及多年適應(yīng)株葉片數(shù)總體大于兩年適應(yīng)株及對照株；出水30 d，40 d，50 d時，不同年限適應(yīng)株葉片數(shù)與對照株相比無顯著性差異。

圖2 恢復生長期不同年限狗牙根適應(yīng)株葉片數(shù)及總?cè)~綠素含量變化Fig.2 The changes of leaf numbers and total chlorophyll content Cynodon dactylon(Linn.)Pers.with different years in period of recovery

不同年限適應(yīng)株總?cè)~綠素含量呈先增加后降低趨勢，見圖2（b）。出水30 d時，多年適應(yīng)株達到4.71 mg/g，顯著高于兩年及三年適應(yīng)株；出水50 d時，兩年、三年、多年適應(yīng)株總?cè)~綠素含量分別為1.75 mg/g，2.4 mg/g和2.1 mg/g，不同年限適應(yīng)株之間無顯著性差異。對照區(qū)狗牙根總?cè)~綠素含量呈先增加后降低再增加趨勢。10 d，20 d時，顯著低于不同年限適應(yīng)株；30 d時顯著高于兩年適應(yīng)株，低于多年適應(yīng)株，與三年適應(yīng)株無顯著性差異；40 d時，與兩年及三年適應(yīng)株差異不顯著，顯著性低于多年適應(yīng)株；50 d時顯著高于不同年限適應(yīng)株。

2.3 周期性水淹對狗牙根非結(jié)構(gòu)性碳水化合物積累的影響

經(jīng)過50 d恢復生長，不同年限適應(yīng)株各組織NSC凈增長量變化如圖3所示。兩年適應(yīng)株及三年適應(yīng)株根NSC凈增長量呈先增加后降低趨勢，出水50 d時與出水5 d時無顯著性差異。多年適應(yīng)株根NSC凈增長量呈先增加后降低再增加趨勢。對照株根NSC凈增長量呈先降低后增加趨勢，且在20～50 d測量期間無顯著性變化[圖3（a）]。結(jié)果表明，兩年及三年適應(yīng)株根測量期間無顯著性NSC積累，多年適應(yīng)株根則積累了大量NSC。

兩年適應(yīng)株地上莖NSC凈增長量呈先增加后降低再增加趨勢，出水50 d時顯著大于出水5 d時。三年適應(yīng)株地上莖NSC凈增長量呈先增加后降低趨勢，出水40 d和50 d呈負增長。多年生地上莖NSC凈增長量呈先增加后降低再增加趨勢，且測量期間總體顯著性大于對照[圖3（b）]。結(jié)果表明，兩年及多年適應(yīng)株地上莖測量期間積累了一定量NSC，且多年適應(yīng)株積累量顯著大于兩年適應(yīng)株，而三年適應(yīng)地上莖NSC無顯著積累。

兩年適應(yīng)株及三年適應(yīng)株匍匐莖NSC凈增長量呈先增加后降低趨勢，且不同測量點均呈正增長；多年適應(yīng)株匍匐莖NSC凈增長量呈先增加后降低趨勢，不同測量點均呈正增長。對照株匍匐莖NSC凈增長量呈逐漸增長趨勢[圖3（c）]。結(jié)果表明，不同年限適應(yīng)株匍匐莖測量期間均積累了一定量NSC。

不同年限適應(yīng)株葉NSC凈增長量均呈先增加后降低趨勢，三年及多年適應(yīng)株測量期間各測量點均呈正增長，而兩年適應(yīng)株出水50 d時呈負增長。對照株葉NSC凈增長量在測量期間呈正增長，且在10～50 d測量期間總體無顯著性變化[圖3（d）]。結(jié)果表明，三年及多年適應(yīng)株葉測量期間積累了一定量NSC，而兩年適應(yīng)株則無顯著性積累。

圖3 恢復生長期NSC凈增長量變化Fig.3 The changes of net growth of non-structure carbohydrate content in period of recovery

2.4 周期性水淹對狗牙根非結(jié)構(gòu)性碳水化合物分配的影響

50 d恢復生長期間，兩年及三年適應(yīng)株各組織NSC凈增長量總體呈先增加后降低趨勢，且匍匐莖凈增長量總體大于根、地上莖和葉[圖4（a，b）]。多年生適應(yīng)株根、地上莖和匍匐莖呈先增加后降低再增加趨勢，葉NSC凈增長量總體呈先增加后降低的趨勢，匍匐莖凈增長量總體顯著大于根、地上莖和葉[圖4（c）]。對照根NSC凈增長量總體上大于地上莖、匍匐莖和葉[圖4（d）]。結(jié)果表明，周期性水淹能改變狗牙根NSC分配模式，由分配至根中儲存改變?yōu)榉峙渲临橘肭o進行儲存。

圖4 恢復生長期不同年限適應(yīng)株不同組織NSC分配變化Fig.4 The change allocation of non-structure carbohydrate in different tissue adapted to different growth years

3 討論

經(jīng)過50 d恢復性生長，不同年限狗牙根適應(yīng)株均表現(xiàn)出一定程度NSC積累（圖3）。大量NSC積累必然導致植株生長及儲存投入減少[14]，恢復生長期間不同年限狗牙根適應(yīng)株地上莖及葉長無顯著性伸長生長，且平均地上莖高均小于正常生長植株（圖1A，表1），與Liao等[15]的研究結(jié)果一致，狗牙根經(jīng)長時間水淹后，恢復生長期間地上莖無顯著伸長生長。中華蚊母（Distylium chinense）同樣表現(xiàn)出類似現(xiàn)象，水淹后經(jīng)60 d恢復生長主干長度無顯著性變化[15-16]。

恢復生長初期植株將有限的儲能物質(zhì)用于新生葉的快速生長以獲得額外碳輸入[9]。不同年限適應(yīng)株出水后，葉片數(shù)及總?cè)~綠素含量均快速增加，而出水20 d后與出水30 d后，不同年限適應(yīng)株葉片數(shù)及總?cè)~綠素含量均呈下降趨勢（圖2）。葉綠素含量速降意味著葉片趨于衰老[17]；與恢復生長20 d時相比，40 d時兩年、三年、多年適應(yīng)株葉片數(shù)分別下降了20，60，45，而對照50 d恢復生長期間葉片數(shù)無顯著性變化，說明恢復生長期間不同年限適應(yīng)株新生葉壽命較短。有研究表明短葉壽命使得植株可快速獲得大量額外碳輸入并降低葉片暗呼吸消耗[18-20]，進而增強庫組織NSC積累：5～20 d恢復生長期間，不同年限適應(yīng)株各組織NSC凈增長量快速增加[圖3（a）-（c）]。隨著葉片數(shù)及總?cè)~綠素含量的降低，兩年及三年適應(yīng)株各組織NSC凈增長量總體呈下降趨勢，而多年適應(yīng)株根、地上莖和匍匐莖呈先下降再上升變化，且凈增長量分別顯著高于兩年適應(yīng)株、三年適應(yīng)株和對照株（圖2，3），其可能原因是：（1）多年適應(yīng)株出水30 d仍維持極高數(shù)量葉片數(shù)及總?cè)~綠素含量，為植株提供了高于兩年及三年適應(yīng)株的碳輸入；（2）較短葉長進一步降低暗呼吸損耗；（3）多年適應(yīng)株經(jīng)多年適應(yīng)性生長可提前儲備NSC以適應(yīng)消落區(qū)不定期提前水淹，深層次原因有待進一步研究。

植株水平碳分配受多種生物或非生物因子的影響[21-22]。草食動物取食則降低植物根部光合同化產(chǎn)物含量，進而抑制植株通過根莖再生[21]；干旱、短期水淹，光合同化產(chǎn)物傾向于分配至根部進行存儲[23-24]；紫外輻射亦增強光合同化產(chǎn)物從源向庫流動[25]；鹽脅迫則引起甘露醇合成量上升，而蔗糖、淀粉含量則降低，進而提高植株對鹽脅迫忍受能力[26]。Liao等[15]研究發(fā)現(xiàn)，水淹脅迫同樣影響植株恢復生長期碳分配，牛鞭草莖部生物量積累顯著增強。本研究中，狗牙根種子經(jīng)過撒播形成植株并經(jīng)歷不同次數(shù)周期性水淹后，其恢復生長50 d內(nèi)不同年限適應(yīng)株NSC凈增長量分配模式與正常生長植株（對照株）存在顯著差異，尤其是多年適應(yīng)株分配差異更為顯著（圖4），表明周期性水淹顯著影響狗牙根植株NSC水平分配，增強匍匐莖NSC積累，為植株應(yīng)對再次水淹提供必要的物質(zhì)儲備。

綜上所述，植物應(yīng)對水淹脅迫時，可主要采取以下3種策略：（1）通過形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)及生理生化水平調(diào)整——“逃避”[27]；（2）通過抑制不定根、通氣組織、莖延伸等以降低儲能物質(zhì)消耗——“靜默”[2，9]；（3）通過積累大量NSC增強水淹耐受性[28-29]。狗牙根作為三峽水庫消落區(qū)適宜多年生草本植物不僅可通過“靜默”策略降低儲能物質(zhì)消耗[10]，而且經(jīng)周期性水淹脅迫后，一方面恢復生長期呈一定程度的NSC積累，尤其是經(jīng)過多年適應(yīng)性生長植株積累量顯著高于正常生長植株；另一方面，恢復生長期NSC分配模式亦發(fā)生改變。表明周期性水淹不僅誘導狗牙根積累大量NSC，同時改變了植株NSC水平分配模式。

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