弱光下不同水深對長喙毛茛澤瀉生長及生理特性的影響

朱光冕,曾柏全,*,曾文斌,沈 燕,詹 鵬,陳介南,呂賢良

1 中南林業(yè)科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,長沙 410000 2 浙江省麗水市蓮都區(qū)林業(yè)局,麗水 323000

在野外由于季節(jié)性降雨,水文條件較為復(fù)雜,濕生植物常生活在一個動態(tài)的環(huán)境中,經(jīng)歷洪水期、常水期和枯水期,水深的周期性變化對植物生長具有重要影響[1- 2]。不同植物對水深變化的響應(yīng)不同,在水深不適宜時,適應(yīng)性強(qiáng)的植物可以通過改變其生長情況和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量來適應(yīng)不良的水深環(huán)境[3- 4]。光是植物生存和生長發(fā)育重要的環(huán)境因子之一,過度光照不僅會抑制植物的光合作用,還會導(dǎo)致光合器官的損傷[5]。光照不足則會對植物產(chǎn)生不利的影響,弱光脅迫下植物的形態(tài)建成和生理生化過程往往會發(fā)生重大改變,其抗氧化物酶[6]、光合生理特性[7]、生物量及葉型特征[8]等生理生態(tài)特征都將出現(xiàn)顯著性變化。

長喙毛茛澤瀉(Ranalismarostratum)為澤瀉科(Alismataceae)毛茛澤瀉屬(Ranalisma),蓮座狀沼生小草本[9]。該屬有2種,在我國僅長喙毛茛澤瀉1種,其天然種群僅分布在湖南茶陵,浙江麗水和江西東鄉(xiāng)局部生境[10]。由于人類對其生境的破壞和植物本身生存、競爭能力較差,湖南茶陵和江西東鄉(xiāng)野外種群已消失[11]。該種在分類學(xué)上具有特殊地位,為國家一級保護(hù)野生植物[12]。野外調(diào)查表明,長喙毛茛澤瀉分布于林下遮蔭地帶的淺水沼澤中,能忍受一定時間的水淹,但不能在深水中長期生存；在光照強(qiáng)度較高的地方,植株葉片往往發(fā)生葉片發(fā)黃的現(xiàn)象,而光照不足又導(dǎo)致植株矮小、生長緩慢。目前,對長喙毛茛澤瀉的研究主要集中在生物學(xué)特性[9-11]和繁殖特性[13-14]等方面,但從水深和光照強(qiáng)度對植物的生長和生理特性的影響未見報道。本試驗通過在人工氣候箱內(nèi)進(jìn)行盆栽控水模擬不同水深和光照強(qiáng)度對于長喙毛茛澤瀉生長和生理特性的影響,探討植物野外瀕危原因及其對環(huán)境的適應(yīng)能力,為遷地保護(hù)和種群恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

供試材料采自浙江省麗水市蓮都區(qū)南明山。試驗地位于湖南省中南林業(yè)科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院(27°6′—28°10′N,111°6′—113°10′E),屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),年降水量1300—1500 mm,年日照數(shù)1450—1686 h,年平均氣溫15.9—18.2℃。

1.2 試驗材料

選用生長旺盛、長勢基本一致的長喙毛茛澤瀉作為供試材料,平均苗高(6±0.5)cm,葉片數(shù)為8葉,葉片呈卵圓形。實驗采用盆栽法,盆缽規(guī)格為33 cm×19 cm×14 cm(長×寬×高)。

1.3 弱光和水深處理

2017年8月將盆栽苗移入人工氣候箱內(nèi)進(jìn)行緩苗處理,培養(yǎng)條件為光照時間13 h,白天溫度為(25±2)℃,夜間溫度為(18±2)℃,晝夜?jié)穸?80±5)%,光照強(qiáng)度(400±10)μmol m-2s-1(在晴天9:00—10:00,采用LI-COR 6400便攜式光合作用測定系統(tǒng)測定其光合特性)。實驗采用雙因素完全隨機(jī)設(shè)計,共設(shè)置3個不同水深梯度：0 cm(水面與土面持平且保持表面濕潤,形成氣生環(huán)境)、3 cm(形成挺水環(huán)境)、6 cm(形成沉水環(huán)境)。根據(jù)長喙毛茛澤瀉光合作用的特點設(shè)置400 μmol m-2s-1(標(biāo)準(zhǔn)光照)和240 μmol m-2s-1(低于其光飽和點,形成低光照)。每個處理設(shè)置5個重復(fù)。9月上旬開始處理,持續(xù)40 d,之后進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的測定。

1.4 生長和生物量的測定

不同水深和光照強(qiáng)度處理40 d后,從各處理組中隨機(jī)選取5株植株,測定其葉長(游標(biāo)卡尺測定)、葉寬、葉柄長度和葉面積(Li-3000型葉面積測定儀,美國LI-COR),并將根部泥土沖洗干凈后,按根、莖、葉分別置于80℃烘箱內(nèi)烘干至恒重,測定其生物量。

1.5 植物生理指標(biāo)測定

取其葉片用于植物生理指標(biāo)的測定(包括超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、丙二醛(MDA)、脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖)。

其中SOD活性測定采用抑制氮藍(lán)四唑的光還原作用來測定酶的活力[15]、POD活性采用愈創(chuàng)木酚法測定[15]、MDA含量采用硫代巴比妥酸法測定[15]、脯氨酸采用酸性茚三酮法測定[16]、可溶性糖采用蒽酮法測定[15]、可溶性蛋白采用考馬斯亮藍(lán)G- 250染色法測定[15]。

1.6 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用SPSS 18.0軟件,作圖采用Origin 2018。平均值間的比較采用單因素方差分析(one-way ANOVA),多重比較采用Duncan新復(fù)極差法。水深與光照強(qiáng)度間的交互作用檢驗采用雙因素方差分析(two-way ANOVA)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水深和光照強(qiáng)度對長喙毛茛澤瀉各器官生物量及其分配的影響

從表1中可看出,40 d后,在同一光照強(qiáng)度下,不同水深對長喙毛茛澤瀉的葉生物量、莖生物量、根生物量和總生物量都具有極顯著性影響(P<0.01),隨著水深的增加,都呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢,并在水深為3 cm、標(biāo)準(zhǔn)光照下葉生物量(0.7 g)、莖生物量(0.2 g)、根生物量(0.24 g)和總生物量(1.15 g)分別出現(xiàn)最大值。在同一水深下,光照強(qiáng)度對植物葉生物量和總生物量具有極顯著性影響(P<0.01),對植物莖生物量具有顯著性影響(P<0.05),且水深與光照強(qiáng)度的交互作用對植物葉生物量和總生物量也產(chǎn)生顯著性影響(P<0.05),在標(biāo)準(zhǔn)光照下植物葉生物量、莖生物量和總生物量都顯著高于低光照下植物葉生物量、莖生物量和總生物量。但在同一水深條件下,不同光照強(qiáng)度對于植物根生物量沒有顯著性影響(P=0.063)。

表1 不同水深和光照強(qiáng)度對長喙毛茛澤瀉各器官生物量及其分配的影響

同列中標(biāo)有不同的大寫字母表示不同光強(qiáng)間的差異,不同小寫字母表示相同光強(qiáng)下不同水深間的差異(P<0.05)；*和**表示在0.05和0.01水平上差異顯著

2.2 不同水深和光照強(qiáng)度對長喙毛茛澤瀉葉形態(tài)特征的影響

從表2中可看出,水深與光照強(qiáng)度對長喙毛茛澤瀉葉型特征的影響各不相同。在同一光照強(qiáng)度下,不同水深對于植物葉片的葉寬和葉面積都具有極顯著性影響(P<0.01),且水深與光照強(qiáng)度的交互作用對植物葉寬和葉面積也產(chǎn)生極顯著性影響(P<0.01),隨著水深的增加,植株葉寬和葉面積都呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,并在水深處理為3 cm時,葉寬(2.16 cm)和葉面積(3.24 cm)出現(xiàn)最大值。水深與光照強(qiáng)度對植物葉長沒有顯著性影響(P=0.061)、(P=0.487),但水深與光照強(qiáng)度的交互作用對植物葉長有極顯著性影響(P<0.01)。在同一水深條件下,光照強(qiáng)度對植物葉柄長度沒有顯著性影響(P=0.859),但在同一光照強(qiáng)度下,水深對于植物葉柄長度有顯著性影響(P<0.05),植株的葉柄長度隨水深的增加而增加。

表2 不同水深和光照強(qiáng)度對長喙毛茛澤瀉葉形態(tài)特征的影響

2.3 不同水深和光照強(qiáng)度對長喙毛茛澤瀉生理指標(biāo)的影響

如圖1所示,在水深為3 cm、標(biāo)準(zhǔn)光照下長喙毛茛澤瀉葉片中SOD活性最高(124.78 U g-1min-1)。在同一光照強(qiáng)度下,水深為0 cm和6 cm時植株葉片SOD活性差異不大。在同一水深條件下,不同光照強(qiáng)度對植物葉片中SOD活性變化沒有顯著性影響(P=0.06)。

在同一光照強(qiáng)度下,不同水深對于植物葉片中POD活性具有極顯著性影響(P<0.01),隨著水深的增加,呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,水深為3 cm時葉片中POD活性最高(175.36 U g-1min-1),隨著水深的變化POD活性有所下降。在同一水深下,不同光照對植物葉片中POD活性也具有極顯著性影響(P<0.01),標(biāo)準(zhǔn)光照下的POD活性顯著高于低光照下POD活性。

圖1 不同水深和光照強(qiáng)度對長喙毛茛澤瀉抗氧化物酶活性的影響Fig.1 Effects of water depth and light intensity on activity of antioxidant enzyme in Ranalisma rostratum

如圖2所示,在同一光照強(qiáng)度下,不同水深對于植物葉片中可溶性蛋白具有極顯著性影響(P<0.01),隨著水深的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,水深為3 cm時葉片中可溶性蛋白含量最高(5.94 mg/g),隨著水深的變化可溶性蛋白有所下降。在同一水深下,不同光照強(qiáng)度對植物葉片中可溶性蛋白的含量變化具有顯著性影響(P<0.05),標(biāo)準(zhǔn)光照下可溶性蛋白的含量顯著高于低光照下可溶性蛋白的含量。

在同一水深條件下,光照強(qiáng)度對植物葉片中可溶性糖的含量變化具有極顯著性影響(P<0.01)在標(biāo)準(zhǔn)光照下的可溶性糖的含量顯著高于低光照下可溶性糖的含量。在同一光照強(qiáng)度下水深的變化對植物葉片中可溶性糖的含量變化有顯著性影響(P<0.05),隨著水深的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,在水深為3 cm時植物葉片中可溶性糖的含量最高(9.67 mg/g)。

圖2 不同水深和光照強(qiáng)度對長喙毛茛澤瀉可溶性蛋白和可溶性糖含量的影響Fig.2 Effects of water depth and light intensity on content of soluble protein and soluble sugar in Ranalisma rostratum

如圖3所示,在水深為0 cm時,不同光照強(qiáng)度對植物葉片中MDA的含量沒有顯著性差異(P=0.857),在水深為3 cm時,標(biāo)準(zhǔn)光照下MDA的含量要顯著高于低光照下MDA含量(P<0.05),而在水深為6 cm時,情況則相反,低光照下MDA的含量顯著高于標(biāo)準(zhǔn)光照下MDA的含量。

在同一水深條件下,光照強(qiáng)度對植物葉片中脯氨酸的含量變化具有極顯著影響(P<0.01)。標(biāo)準(zhǔn)光照下脯氨酸的含量顯著高于低光照下脯氨酸的含量。在同一光照條件下,水深的升高對于植物葉片中脯氨酸含量的變化有極顯著影響(P<0.01),隨著水深的升高,脯氨酸的含量呈現(xiàn)下降的趨勢,水深為0 cm時脯氨酸的含量顯著高于水深為3 cm和水深為6 cm時脯氨酸的含量。

圖3 不同水深和光照強(qiáng)度對長喙毛茛澤瀉丙二醛和脯氨酸含量的影響Fig.3 Effects of water depth and light intensity on content of malondialdehyde and proline in Ranalisma rostratum

3 討論

本研究通過弱光和水深雙重處理,發(fā)現(xiàn)長喙毛茛澤瀉的生長和生理特性受弱光和水深的雙重影響。生物量作為植物對環(huán)境適應(yīng)性的直接表現(xiàn),在適宜的水深條件下植物的生物量往往會發(fā)生顯著性的提高[17-18]。在同一光照條件下,長喙毛茛澤瀉的葉生物量、莖生物量、根生物量和總生物量隨水深的增加都呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,并在水深為3 cm時出現(xiàn)最大值。這與其他水生植物生物量的變化趨勢相同[19],過淺和過深的水深都將抑制長喙毛茛澤瀉的生長,這表明其生長“機(jī)會窗”較狹窄[20],植株對于小范圍內(nèi)的水深變化反應(yīng)較敏感,且植株不耐干旱,但能忍耐一定程度的水淹。當(dāng)光照強(qiáng)度降低時,長喙毛茛澤瀉的葉生物量、莖生物量和總生物量分別出現(xiàn)下降的趨勢,而根生物量則沒有變化,這可能是由于長喙毛茛澤瀉為多年生的濕生小草本,為適應(yīng)植株在水環(huán)境中的生長,植株的根系發(fā)育微弱,所以光照強(qiáng)度對于植株根生物量的影響不顯著。長喙毛茛澤瀉為葉基生的濕生植物,其地上部分主要為葉。因此,水深和光照對于植株葉生物量有顯著性影響,適宜的水深和光照強(qiáng)度使植物葉生物量不斷增大,從而使植株總生物量也出現(xiàn)顯著性變化。

光照強(qiáng)度和水深不僅對于植株的生物量及其分配有很大影響,也對植株的葉型變化有很大的影響,葉型指標(biāo)的變化體現(xiàn)了植株對環(huán)境的適應(yīng)能力[21]。在本研究中,不同水深和光照強(qiáng)度對植株的葉長并無顯著性影響,但植株的葉寬受水深和光照強(qiáng)度的雙重影響。在同一光照條件下,隨著水深的增加,長喙毛茛澤瀉的葉寬和葉面積呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,由于其葉長變化不顯著,而葉寬出現(xiàn)顯著性變化,這導(dǎo)致長喙毛茛澤瀉葉型出現(xiàn)顯著性變化,在氣生和沉水環(huán)境下,其葉片呈披針形。據(jù)王建波等[11]觀察,長喙毛茛澤瀉在沉水情況下,葉片呈披針葉形,這與本研究結(jié)果一致,但其觀察到長喙毛茛澤瀉在氣生狀態(tài)時,葉片呈卵圓形,這與本研究中結(jié)果不一致。這可能是由于,在本研究中長喙毛茛澤瀉受弱光和淺水雙重脅迫,導(dǎo)致植株整體葉片偏小,植株光合作用減弱,致使植株生長不足,葉片呈現(xiàn)披針形。而葉面積的變化也主要源于植株葉寬的變化。在本研究中,長喙毛茛澤瀉葉柄長度不受光照強(qiáng)度的影響,但受水深變化的影響并隨水深的增加而增加,這可能是因為長喙毛茛澤瀉為適應(yīng)水深變化,使葉片始終處于水面之上,而發(fā)生的適應(yīng)性改變[22]。

在不同水深和光照條件下長喙毛茛澤瀉葉片中生理指標(biāo)的變化進(jìn)一步證實了上述結(jié)果,SOD和POD作為植物體內(nèi)的抗氧化物酶,起著清除體內(nèi)自由基和過氧化物,緩解逆境損傷的作用[23-24]?？扇苄缘鞍鬃鳛橹参矬w內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),對于植物緩解逆境損傷有重要作用[25]?？扇苄蕴亲鳛橹参矬w內(nèi)重要的非結(jié)構(gòu)性貯藏碳水化合物,不僅對于植物抵抗逆境環(huán)境有重要作用,同時也在一定程度上表征了植物固定能量的水平[26-27]。MDA作為植物膜脂過氧化的產(chǎn)物,是植物遭受逆境脅迫的重要檢測指標(biāo),逆境對于植物的脅迫越嚴(yán)重,MDA的含量越高[28-29]。脯氨酸作為植物體內(nèi)重要的游離氨基酸,對于植物抵御水分虧缺和鹽分脅迫等逆境環(huán)境具有重要作用[30-31]。

在曹永慧等[32]研究中,抗氧化物酶活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的提高,可以提高幼苗對弱光的適應(yīng)性。而本研究中,各處理組中SOD活性沒有顯著性差異,而POD活性和可溶性蛋白的含量,在同一光照條件下,都呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,并在水深為3 cm、標(biāo)準(zhǔn)光照下含量最高,這說明長喙毛茛澤瀉體內(nèi)抗氧化物酶系統(tǒng)和滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)沒有對水深變化和光照強(qiáng)度的降低產(chǎn)生積極的響應(yīng),以適應(yīng)不同水深和光照強(qiáng)度。在各處理中,水深變化對植株體內(nèi)可溶性糖含量的變化有顯著性影響。且同一水深條件下,不同光照強(qiáng)度對植株可溶性糖含量變化有顯著性影響,光照強(qiáng)度的降低顯著降低了可溶性糖含量,這與唐中華等[28]研究結(jié)果相似,弱光顯著性的降低了植物能量的固定。在本研究中,同一光照條件下,隨著水深的增加MDA含量呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢,這有別于其他耐淹植物,MDA含量越高,表示膜脂破壞程度越高,植株遭受脅迫越嚴(yán)重。這與上述生物量和葉型指標(biāo)結(jié)果相似,長喙毛茛澤瀉在水深為0 cm和6 cm時,遭到了不同程度的脅迫,且弱光加劇了長喙毛茛澤瀉的水淹脅迫。在水深為0 cm時,長喙毛茛澤瀉處于水分虧缺的狀態(tài),氣生環(huán)境不利于其生長,植株為抵御不良生境,故脯氨酸含量較高。

4 結(jié)論

在同一光照條件下,隨著水深的增加其葉生物量、莖生物量、總生物量、葉寬、葉面積、POD活性、可溶性蛋白和可溶性糖含量都呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢；MDA含量呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢；葉柄長度隨水深的增加而增加；脯氨酸含量隨水深的增加而減少。在同一水深條件下,隨著光照強(qiáng)度的降低其葉生物量、莖生物量、總生物量、POD活性、可溶性蛋白、可溶性糖和脯氨酸的含量都有所下降。

在野外,長喙毛茛澤瀉種子發(fā)芽率偏低、幼苗存活率不高、種群擴(kuò)散困難以及生境的人為破壞都是導(dǎo)致其瀕危的重要原因[9]。根據(jù)本研究發(fā)現(xiàn)長喙毛茛澤瀉對光照強(qiáng)度和水深變化較敏感,對動態(tài)環(huán)境適應(yīng)性較差。一定范圍內(nèi)水深變化和上層植物的蔭蔽可能也是導(dǎo)致其瀕危的重要原因。