水淹脅迫對小蓬草(Conyza canadensis)的形態(tài)結(jié)構(gòu)與生理生化特性的影響

楊玲，劉玲，胡馨月，甘麗萍

重慶三峽學(xué)院生物與食品工程學(xué)院，重慶 404000

0 前言

三峽工程采取“冬蓄夏排”的水庫調(diào)水方式，年水位在145—175 m之間，形成了30米高程的消落帶，該區(qū)植被物種多樣性呈現(xiàn)下降趨勢[1]，水土流失嚴(yán)重，進(jìn)而導(dǎo)致消落帶生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能受損[2]。近年，消落帶植被的修復(fù)及庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)廣受社會(huì)各界的重視，恢復(fù)消落帶植被的有效方法之一是人工植被的篩選與重建，特別是那些能夠適應(yīng)水淹和干旱的植物的選擇[3]。水淹現(xiàn)象是自然界中常見的一種植物逆境生長環(huán)境。水淹脅迫下，植物為了減緩由脅迫造成的壓力，光合參數(shù)、生長特性和解剖結(jié)構(gòu)會(huì)做出相應(yīng)的調(diào)整，啟動(dòng)各自的生理生態(tài)防御機(jī)制[4-5]。研究表明三峽庫區(qū)消落帶共生長著58科 175種植物，5個(gè)灌叢群落，49個(gè)草本植物群落，一年生植物是優(yōu)勢群落[6]。狗牙根(Cynodon dactylon)[7-8]、牛鞭草(Hemarthria altissima)[9]、狗尾草(Setaria viridis)、馬唐(Digitaria sanguinalis)、野生香根草(Vetiveria zizanioides)[10]、野古草(Arundinella anomala)[11]、水芹(Oenanthe javanica)[12]等植物在三峽庫區(qū)消落帶水旱環(huán)境的交替過程中能保持較高存活率，它們通過形態(tài)學(xué)發(fā)育及丙二醛(MDA)、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的動(dòng)態(tài)平衡以及抗氧化酶系活力的調(diào)整維持活性氧ROS代謝內(nèi)穩(wěn)態(tài)，表現(xiàn)出對水淹環(huán)境不同程度的適應(yīng)性。

經(jīng)歷 8 次水位漲落周期后，消落帶植物種間生態(tài)位重疊值較高，種間競爭強(qiáng)烈，該區(qū)植被仍處于群落演替的初級(jí)階段[4]。探究更多的對水淹有適應(yīng)性的植物以及對生態(tài)恢復(fù)影響的研究是消落帶植被恢復(fù)的重要基礎(chǔ)。小蓬草(Conyza canadensis)是菊科一年生草本，是我國分布最廣的入侵物種之一。調(diào)查顯示小蓬草是海拔 165—175 m 段的主要草本物種[13]，并且有局地爆發(fā)現(xiàn)象，作為外來入侵植物，當(dāng)前對小蓬草的研究主要集中在它的化感作用及生物活性方面[14-15]，小蓬草較耐低溫，在三峽水庫冬季蓄水時(shí)間段，在消落帶無水處一直存活，但在水淹環(huán)境中能存活多久？水淹脅迫對小蓬草生理生化特性的影響如何？這方面都沒有報(bào)道。本研究選擇小蓬草進(jìn)行水淹脅迫，測定相關(guān)的光合指標(biāo)與生理指標(biāo)，來探討其耐淹機(jī)理，為庫區(qū)消落帶入侵物種的適應(yīng)性及生態(tài)植被恢復(fù)提供參考數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2018年10月在三峽庫區(qū)萬州消落區(qū)挖取生長良好且長勢基本一致的小蓬草幼苗株高(20±2) cm作為實(shí)驗(yàn)樣本，栽植于(直徑25 cm，高18 cm)塑料花盆中，每盆1株(栽種土壤為當(dāng)?shù)叵鋷橙劳?，放置于重慶三峽學(xué)院生物與食品工程學(xué)院遮陰棚里，待植株生長穩(wěn)定后轉(zhuǎn)移到露天天臺(tái)上，將生長均等的植株設(shè)置為3個(gè)水淹處理組，即對照組(CK，全程不淹水，自然環(huán)境)、半淹組(Semi-submerge Group，SsG，水淹沒植株根莖，在第一片葉以下)和全淹組(Submerge Group，SG，水分淹沒植株最頂端葉片)，測量植株做好標(biāo)記。

1.2 測定項(xiàng)目與方法

1.2.1 形態(tài)指標(biāo)

試驗(yàn)采用直尺進(jìn)行小蓬草葉寬(最寬處)、葉長、根系主根長、平均莖高的測定，其中葉片相對面積用葉寬乘以葉長表示，測根數(shù)人工數(shù)數(shù)統(tǒng)計(jì)數(shù)量。水淹當(dāng)天(0 d)，水淹后 7 d，30 d，50 d 分別進(jìn)行標(biāo)記植株各生長指標(biāo)的測定，每種處理測量 3株各數(shù)據(jù)取平均值。

1.2.2 生理指標(biāo)測定

分別測定水淹0 d、7 d、30 d和50 d不同處理小蓬草植物以下生理指標(biāo): 葉綠素含量測定參照Grace等的方法[16]；可溶性還原糖含量測定采用蒽酮-硫酸法[17]。丙二醛(MDA)含量測定采用硫代巴比妥酸比色法[17]；游離脯氨酸含量測定采用酸性茚三酮法[17]；超氧化物歧化酶(SOD)活性測定參照Knrzer[18]的方法；根系活力測定采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法[16]。

1.3 根系切片方法

參照李和平[19]的方法，在小蓬草淹水第30 d和50 d選取三個(gè)處理主根，制作根毛區(qū)橫切面石蠟切片。用蒸餾水沖洗根系樣品，濾紙吸干表面水分后以福爾馬林-乙酸-乙醇固定液固定。采用 LERCA(GERMANY)全自動(dòng)切片機(jī)制作高精度切片，番紅染色，使用生物光學(xué)顯微鏡觀察石蠟切片中根系解剖結(jié)構(gòu)并實(shí)行同期拍照，本部分委托河南風(fēng)樺教學(xué)儀器有限公司完成。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

用Microsoft Excel2010及SPSS19.0軟件對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理和作圖，采用單因素方差分析(one-way ANOVA)，并用 Tukey多重比較檢驗(yàn)各指標(biāo)的差異顯著性，顯著水平為 0.05和0.01。

2 結(jié)果與分析

2.1 形態(tài)指標(biāo)

與對照組相比，半淹組和全淹組在水淹30 d后，小蓬草側(cè)根數(shù)和主根長明顯增加，地上開始有葉片壞死腐爛(圖 1)；淹水 50 d 后，半淹組心部葉片殘留，邊緣葉片壞死，全淹組葉片全部壞死，兩者根系韌皮部易脫落，木質(zhì)部殘存。

不同水淹處理7 d、30 d和50 d小蓬草地上和地下形態(tài)指標(biāo)結(jié)果如表1所示。在水淹7 d時(shí)，半淹組和全淹組各調(diào)查指標(biāo)與對照組相比沒有顯著變化。水淹處理30 d后，淹水組地上和地下部分發(fā)生了顯著的變化。半淹組和全淹組由于部分葉片壞死，兩組相對葉面積和平均莖高與對照相比都顯著降低，而主根長度和側(cè)根數(shù)則呈現(xiàn)較明顯的增加趨勢。隨著水淹時(shí)間增加至 50 d，半淹組地上部分只有心部部分葉片存活，因此單葉葉面積和平均莖高極顯著降低與淹水 30天相比，主根長度沒有變化，但根毛數(shù)量顯著減少。全淹組地上部分全部壞死，沒有數(shù)值主根壞死回縮，較30 d時(shí)顯著變短，側(cè)根數(shù)也明顯減少。

2.2 生理生化指標(biāo)

2.2.1 葉綠色含量

圖1 小蓬草水淹處理(對照組：CK; 半淹組：SsG; 全淹組：SG, 下同)Figure 1 Flooding treatment of Pennisetum canadensis (control group：CK; semi- submerge group：SsG; submerge group：SG, the same below)

表1 不同水淹處理下小蓬草形態(tài)學(xué)特征變化Table 1 Changes of morphological characteristics of Conyza canadensis under different flooding treatments

小蓬草水淹脅迫后葉綠素含量變化如圖 2所示。與對照組相比，水淹脅迫7 d后，半淹組和全淹組葉綠素含量無顯著差異。隨著水淹時(shí)間的增加，水淹至30 d時(shí)，淹水組葉綠素含量顯著下降，全淹組與對照及半淹組之間都達(dá)到了顯著差異，水淹至50 d時(shí)，半淹組葉片葉綠素極顯著降低，全淹組在50 d時(shí)地上部分全部壞死，沒有葉片相應(yīng)數(shù)據(jù)，下同。

2.2.2 可溶性糖含量

圖2 水淹脅迫對小蓬草葉綠素含量的影響Figure 2 Effects of flooding stress on chlorophyll content of Conyza canadensis

小蓬草水淹脅迫后可溶性糖含量變化如圖3所示。與對照組相比，水淹脅迫7 d后，淹水組可溶性糖含量于對照之間沒有達(dá)到顯著差異；隨著水淹時(shí)間的增加，至30 d時(shí)，全淹組可溶性糖含量迅速上升，與對照相比達(dá)到了顯著差異；水淹至 50 d時(shí)，半淹組可溶性糖含量與對照相比達(dá)到顯著差異。

2.2.3 丙二醛含量

小蓬草水淹脅迫后丙二醛含量變化如圖 4所示。與對照組相比，水淹脅迫7 d后，半淹組和全淹組丙二醛含量與對照相比無顯著差異。隨著水淹時(shí)間增加至30 d時(shí)，半淹組和全淹組丙二醛含量均增加，與對照之間的差異都達(dá)到了顯著水平；水淹脅迫至50 d時(shí)，半淹組丙二醛含量仍然增長顯著，極顯著高于對照組。

圖3 水淹脅迫對小蓬草可溶性還原糖含量的影響Figure 3 Effects of flooding stress on soluble reducing sugar content of Conyza canadensis

圖4 水淹脅迫對小蓬草丙二醛含量的影響Figure 4 Effects of flooding stress on malondialdehyde content of Conyza canadensis

2.2.4 游離脯氨酸含量

小蓬草水淹脅迫后游離脯氨酸含量變化如圖 5所示。水淹脅迫至30 d時(shí)，半淹組和全淹組游離脯氨酸含量都增加，與對照組相比都達(dá)到了顯著差異；水淹脅迫至50 d時(shí)，半淹組游離脯氨酸含量繼續(xù)上升，與對照達(dá)到了顯著差異。

2.2.5 超氧化物歧化酶活性

小蓬草水淹脅迫后超氧化物歧化酶(SOD)活性變化如圖6所示。水淹脅迫至30 d時(shí)，半淹組和全淹組SOD含量都增加，與對照組相比都達(dá)到了顯著差異；水淹脅迫至50 d時(shí)，半淹組SOD含量繼續(xù)增加，與對照達(dá)到了極顯著差異。

2.2.6 根系活力變化

小蓬草水淹脅迫后根系活力變化(TTC含量)如圖7所示。水淹脅迫至30 d時(shí)，半淹組和全淹組根系活力增強(qiáng)，與對照組相比都達(dá)顯著水平；水淹脅迫至 50 d時(shí)，半淹組和全淹組根系活力均降低，其中全淹組與對照相比達(dá)到了顯著差異。

圖5 水淹脅迫對小蓬草游離脯氨酸濃度的影響Figure 5 Effects of flooding stress on free proline content of Conyza canadensis

圖6 水淹脅迫對小蓬草超氧化物歧化酶活性的影響Figure 6 Effects of flooding stress on superoxide dismutase activity of Conyza canadensis

圖7 水淹脅迫對小蓬草根系活力的影響Figure 7 Effects of flooding stress on root activity of Conyza canadensis

2.3 根系細(xì)胞組織變化

半淹組和全淹組在第30 d的時(shí)候，小蓬草主根成熟區(qū)橫切片結(jié)構(gòu)顯示，淹水組根系整個(gè)結(jié)構(gòu)基本完整，局部來看，周皮細(xì)胞變得松散，氣腔面積擴(kuò)大(圖8 B和C黃色箭頭處)，木質(zhì)部出現(xiàn)出現(xiàn)溶生型氣腔(圖8 B和C紅色箭頭處)，全淹組有部分木質(zhì)射線連接中斷，細(xì)胞開始瓦解(圖 8C 綠色箭頭處)；到第 50 d時(shí)，與對照相比，淹水組根系維管形成層以內(nèi)細(xì)胞發(fā)生破裂，呈崩潰狀，全淹組破裂更為明顯(圖8 E和F綠色箭頭處)。

3 討論

3.1 形態(tài)變化

圖8 水淹脅迫對小蓬草根系結(jié)構(gòu)的影響(20X)(A、D：對照組; B、E：半淹組：C、F：全淹組)Figure 8 Effects of flooding stress on root anatomical structure of Conyza canadensis

缺氧是水淹環(huán)境對植物的主要危害之一。為了緩解缺氧對植物造成的傷害，不同植物會(huì)采用不同的方式來逃避或適應(yīng)這種環(huán)境。本實(shí)驗(yàn)中，不同處理的小蓬草在30 d的各調(diào)查指標(biāo)增長量的順序?yàn)楦甸L＞側(cè)根數(shù)＞莖高＞相對葉面積，當(dāng)水淹脅迫發(fā)生初期時(shí)，小蓬草地上部分葉面積逐漸減小，主莖高度降低，地上部分消耗降低，根系生長量增加，當(dāng)逆境脅迫持續(xù)存在，地上部分逐漸死亡，而地下通過減少側(cè)根的數(shù)量和主根逐漸回縮來維持生命，延續(xù)植物存活的時(shí)間。很明顯，地下部的生長更為積極，在水淹脅迫中根系的存活時(shí)間大于地上部分存活的時(shí)間。前期研究結(jié)果也表明植物在水淹環(huán)境中可采取“靜默策略”[20]，即通過增加根表面積和側(cè)根數(shù)量增強(qiáng)地下部分生長，來吸收氧，減緩地上部分生長，減少養(yǎng)分消耗，提高自身對水淹的耐受性[21-22]。說明植物在逆境環(huán)境中有一種共同的抵抗基礎(chǔ)。

3.2 生理指標(biāo)變化

小蓬草在水淹30 d后，部分葉片壞死，到50 d只有半淹組的心葉存活，葉綠素含量顯著下降，研究表明水淹造成厭氧或缺氧的生長環(huán)境，造成地上部分營養(yǎng)不良，葉片發(fā)黃，葉綠素含量下降[23]，同時(shí)，水淹植物的葉綠體膜結(jié)構(gòu)受到了損害，加快了葉綠素的降解[24]。

水淹脅迫不同程度地提升了小蓬草葉片中的可溶性糖含量，植物在水淹環(huán)境下可以通過調(diào)節(jié)可溶性糖和可溶性蛋白的含量來保持細(xì)胞滲透勢的平衡，以此抵抗水分脅迫帶來的傷害[25-26]。淹水 30 d時(shí)，脅迫已超過小蓬草細(xì)胞的耐受極限，蛋白酶的活性迅速提高，加快了蛋白質(zhì)的水解，促使蛋白質(zhì)大量降解成可溶性糖等物質(zhì)。小蓬草在半淹處理后在7 d時(shí)，丙二醛含量與對照沒有顯著變化，到 30 d時(shí)，與對照組相比，丙二醛含量顯著升高，表明 MDA的含量隨淹水時(shí)間的增加而增加，來清除細(xì)胞內(nèi)過多氧自由基，來提高植物的逆境適應(yīng)性和存活能力[27]。隨著水淹時(shí)間的延長，無論是半淹組還是全淹組植物體內(nèi)脯氨酸含量都相應(yīng)增多。逆境條件下，脯氨酸不僅可以調(diào)節(jié)細(xì)胞質(zhì)的滲透勢，而且可以保護(hù)蛋白質(zhì)分子，增加其水合度等[28]。植物體內(nèi)可溶性糖含量與植物的再生相關(guān)[29]，可溶性糖的增加，還能為脯氨酸的合成提供碳骨架和能量來源，同時(shí)植物體內(nèi)脯氨酸和可溶性糖含量都存在一定的季節(jié)性變化規(guī)律[30]，因此為了全面評(píng)估其抗逆性，還需要結(jié)合植物的生長規(guī)律和氣象氣候等環(huán)境因子來開展研究，以期更全面的評(píng)價(jià)對不同水分壓力的響應(yīng)和適應(yīng)。

水淹30 d時(shí)，2 種處理下的小蓬草葉片SOD 活性均顯著大于對照，說明小蓬草通過提高抗氧化酶系的活性來減輕水淹脅迫下活性氧積累對植物細(xì)胞的傷害。需要注意的是植物抗氧化酶的活性并不會(huì)隨著脅迫程度的增強(qiáng)而無限的增大[31]。當(dāng)超過一定程度的脅迫后，抗氧化酶也會(huì)失衡。

3.3 根系結(jié)構(gòu)變化

經(jīng)水淹處理的小蓬草根細(xì)胞受到傷害，皮層破裂明顯，形成層處細(xì)胞呈崩潰狀。但同時(shí)在淹水組木質(zhì)部細(xì)胞形成了溶生型組織，更有利于通氣。不定根形成發(fā)達(dá)的通氣組織以及豐富穩(wěn)定的線粒體等細(xì)胞器是耐淹水植物適應(yīng)淹水脅迫的重要改變之一[32]。本研究小蓬草根系能存活50 d，在30 d時(shí)根系結(jié)構(gòu)基本完整，木質(zhì)部也通過細(xì)胞融合來適應(yīng)通氣，此時(shí)的根系活力與對照相比，都顯著增加，說明根系通過加強(qiáng)自身的代謝能力來提高對淹水脅迫的適應(yīng)能力。

小蓬草在短期淹水環(huán)境下，通過降低地上部分葉片面積和莖高來降低蒸騰消耗，葉片丙二醛(MDA)、脯氨酸、超氧化物歧化酶(SOD)活性都升高來維持代謝平衡，而同時(shí)根系生長積極主動(dòng)，主根長和側(cè)根數(shù)都增加，根系活力也增強(qiáng)，通過皮層細(xì)胞變松散和木質(zhì)部細(xì)胞形成的溶生型組織來應(yīng)增加氧氣通道，適應(yīng)缺氧環(huán)境。消落帶草本植物在淹水生境中表現(xiàn)出“低投入－快速回收”的生長策略，植物性狀通過各個(gè)性狀間的相互權(quán)衡來調(diào)節(jié)物質(zhì)能量平衡[33]。

三峽水庫冬夏高水位的落差循環(huán)使得能完全適合消落帶水陸兩棲環(huán)境的植物稀少[13]，小蓬草在人工模擬水淹環(huán)境中，半水淹條件下葉片能存活的時(shí)間不超過50d，全水淹環(huán)境下不超過30 d，具備短期耐水淹能力。消落區(qū)存在的很多草本植物雖然不能全程適應(yīng)淹水與干旱的環(huán)境，都將通過不同生態(tài)位的水淹時(shí)間和落退水后恢復(fù)時(shí)間的早晚，來完成消落帶區(qū)不同生態(tài)位的短時(shí)配置，為整個(gè)庫區(qū)生態(tài)植被的修復(fù)貢獻(xiàn)不同的力量。另外，從外來種對自然生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能開展研究相對較少[34]，小蓬草這類植物除了關(guān)注其本身的生長對庫區(qū)的適應(yīng)性以外，還需要進(jìn)一步研究與其他植物的互作關(guān)系，本文的研究結(jié)果為今后研究小蓬草在自然長江水淹條件下的存活及對其他植物和生態(tài)的影響提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。