張 霞,楊朝東,周存宇,李 騰,張夢(mèng)迪,譚德寶
(1.長(zhǎng)江大學(xué)濕地生態(tài)與農(nóng)業(yè)利用教育部工程研究中心,湖北 荊州 434025;2.長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院,武漢 430010)
在洪水脅迫期間,植物會(huì)發(fā)生一系列形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理變化以保護(hù)植物體;主要引起植物缺氧,如玉米(Zea mays)、燕麥(Avena sativa)、小麥(Triticum aestivum)等僅1 d 時(shí)間就不可逆轉(zhuǎn)死亡,這類植物稱為洪水敏感型。濕地植物通過逃避無氧環(huán)境而存活,這類植物稱為洪水耐受型[1-3]。濕地植物受到洪水脅迫時(shí),植物體的細(xì)胞、組織器官等多方面協(xié)同改善體內(nèi)通氣狀況,忍耐或逃避低氧狀態(tài)并且能恢復(fù)生長(zhǎng)。因完整植株的通氣組織儲(chǔ)存有一定量的氧氣,體內(nèi)并非處于完全無氧狀態(tài),可進(jìn)行有氧呼吸,所以稱為植物表觀耐低氧(Apparent tolerance)[1,3-5]。濕地植物逃避洪水淹沒的低氧環(huán)境,一種方式是通過莖或葉伸長(zhǎng)生長(zhǎng)到水面以上重新獲得空氣,長(zhǎng)出不定根,保持葉片表面氣膜,體內(nèi)形成通氣組織和防止氧氣自由擴(kuò)散的屏障結(jié)構(gòu)等的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)逃避低氧脅迫策略(low O2escape strategies,LOES)。另一種方式是通過莖和葉的極緩慢生長(zhǎng);停止大部分生理活動(dòng);保存和節(jié)約利用體內(nèi)碳水化合物直到解除洪水淹沒;或者激發(fā)無氧呼吸產(chǎn)出ATP,解決體內(nèi)面臨的能量危機(jī);合成物質(zhì)中和細(xì)胞積累的有害物質(zhì);延長(zhǎng)存活時(shí)間等的生理靜止逃避低氧脅迫策略(low O2quiescence strategies,LOQS)[1,3-5,6-11]。
植物真耐無氧(true tolerance)是指植物組織細(xì)胞處于無氧狀態(tài),只能依賴細(xì)胞顯微或超微結(jié)構(gòu)的流動(dòng)重排和細(xì)胞內(nèi)部生理代謝來維持生命活動(dòng)[1,12-14]。植物細(xì)胞受到缺氧和無氧脅迫時(shí),細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)包括內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、核糖體等細(xì)胞器重新排列,尤其線粒體膜比其他細(xì)胞器先受到脅迫,表現(xiàn)出極其復(fù)雜的流動(dòng)重排和自我修復(fù)能力。在無氧狀況下,細(xì)胞進(jìn)行無氧呼吸,合成脂類物質(zhì)和含氮化合物作為細(xì)胞色素氧化酶的電子最終受體(替代氧的功能),電子進(jìn)一步傳遞給植物血紅蛋白,產(chǎn)生ATP 供生命活動(dòng)[13,14]。
濕地植物常有較強(qiáng)的質(zhì)外體屏障結(jié)構(gòu)以控制植物內(nèi)部與環(huán)境中的水、離子和氧氣等的交換,具有保護(hù)植物體的重要功能[11,15-18];同時(shí)發(fā)達(dá)的通氣組織給組織提供氧氣以保障生命活動(dòng)[19-22]。植物受到淹水脅迫而缺氧時(shí),主要通過無氧呼吸、植物血紅蛋白-NO 途徑、乳酸代謝途徑和乙醇發(fā)酵途徑有關(guān)酶活性升高及其有關(guān)基因的表達(dá)來解決生命活動(dòng)的能量危機(jī)[3-5,23-25];其次是增加了淹水土壤和植物之間的氧化還原電位,增強(qiáng)活性氧和活性氮代謝,同時(shí)抗氧化保護(hù)酶活性升高及其有關(guān)基因的表達(dá)來消除代謝中的有害物質(zhì)[3-5,9,26-28]。因此,當(dāng)濕地植物受到洪水脅迫時(shí),其屏障結(jié)構(gòu)和通氣組織、乳酸代謝途徑和乙醇發(fā)酵途徑關(guān)鍵酶及抗氧化保護(hù)酶代謝及其有關(guān)基因表達(dá)等成為現(xiàn)代分子生理生態(tài)學(xué)的研究熱點(diǎn)[1,3-5,11,22-23]。
濕地植物適應(yīng)濕地環(huán)境在于體表屏障結(jié)構(gòu)保護(hù)體內(nèi)通氣組織的氧氣不易擴(kuò)散出去,為水淹沒部位提供氧氣,以保障生命活動(dòng)[7,16-17,29-33]。屏障結(jié)構(gòu)是指植物體各器官內(nèi)、外皮層初生壁的凱氏帶,或次生壁栓質(zhì)化和木質(zhì)化,以及植物體表角質(zhì)層共同組成的保護(hù)組織,強(qiáng)調(diào)其細(xì)胞壁組織化學(xué)特征,具保護(hù)植物體的功能[15-18]。屏障結(jié)構(gòu)的生理功能與其細(xì)胞發(fā)育、組織化學(xué)、結(jié)構(gòu)類型、不同器官和物種等密切聯(lián)系[17,21,22,34]。如水稻(Oryza sativa)根內(nèi)、外皮層來源于同一初始子細(xì)胞,它們之間的屏障結(jié)構(gòu)具有相似的發(fā)育過程[35]。水稻胚軸、莖和葉等的角質(zhì)層、胞壁凱氏帶或栓質(zhì)化和木質(zhì)化修飾組成其質(zhì)外體屏障結(jié)構(gòu)[36-38]。
不同類型濕地植物莖和葉的屏障結(jié)構(gòu)有所差異,狗牙根(Cynodon dactylon)型植物耐長(zhǎng)期淹沒(6個(gè)月)又能旱生,莖具角質(zhì)層,內(nèi)、外皮層,栓質(zhì)化和木質(zhì)化周緣厚壁層較為發(fā)達(dá)[29-33]。白茅(Imperata cylindrica)型植物不耐長(zhǎng)期淹沒(僅1 周以下)能旱生,莖表面有角質(zhì)層和木質(zhì)化周緣厚壁層[18,29]??招纳徸硬荩ˋlternanthera philoxeroides)型莖葉表皮外具木質(zhì)化角質(zhì)層[30]。浮葉植物和沉水植物的屏障結(jié)構(gòu)十分脆弱,通常莖、葉表面無或少有角質(zhì)層[39-42]。如莼菜(Brasenia schreberi)莖表皮外角質(zhì)層不連續(xù),根狀莖離層細(xì)胞壁具凱氏帶、栓質(zhì)化和木質(zhì)化,根莖和直立莖維管束鞘細(xì)胞壁具木質(zhì)化凱氏帶,花柄和葉僅具表皮外不連續(xù)角質(zhì)層和黏液[42]。莼菜黏液毛早期向外分泌黏液形成角質(zhì)層泡,老化脫落后角質(zhì)層圍繞黏液毛基部而表現(xiàn)出不連續(xù)性,因此莼菜表現(xiàn)出不耐污染的特征[30,42]。
濕地植物根通常有內(nèi)、外皮層保護(hù),通氣組織的空氣不易釋放出體外,而根尖內(nèi)、外皮層發(fā)育之前,離子能透過并進(jìn)入維管柱,即離子通透性生理[15,16,18,20,21,29,32,33,43],該時(shí)期的此部位是離子進(jìn)入植物體的重要通道。同時(shí)根尖、莖尖因屏障結(jié)構(gòu)發(fā)育不全,或側(cè)根穿過外皮層部位,有少量氧氣釋放(ROL),即植物泌氧生理[17,18,20-22]。可見濕地植物根尖具有吸收離子和ROL 釋放的雙重功能,但為2個(gè)完全不同的生理過程。濕地植物種類不同,其根有或無外皮層而ROL 類型也不相同,如空心蓮子草整條根無外皮層保護(hù)而都有ROL 釋放[30,44]。植物根泌氧提高水體溶氧量,幫助植物抵御外界不良環(huán)境[20,45,46]。
受到洪水脅迫時(shí),濕地植物生長(zhǎng)所需的氧氣、CO2和光照急劇減少,必將阻礙光合作用和有氧呼吸,導(dǎo)致碳水化合物合成減少?gòu)亩拗破渖L(zhǎng)發(fā)育[47]。缺氧促進(jìn)淹水土壤和植物之間氧化還原電位增加,從而導(dǎo)致活性氧(ROS)的產(chǎn)生,ROS 傳遞細(xì)胞內(nèi)/細(xì)胞間信號(hào),但隨著ROS 濃度的升高,會(huì)氧化膜脂、光合色素、蛋白質(zhì)和核酸,破壞植物的正常代謝[48,49]。植物中CO2含量增加,伴隨著植物毒素在還原性土壤中的積累,從而抑制有氧呼吸[50],轉(zhuǎn)向以無氧呼吸、乙醇發(fā)酵途徑和乳酸代謝途徑為生命活動(dòng)提供能量[1,3,4]。此外,一旦洪水消退,器官和組織重新獲得氧氣,也常導(dǎo)致氧化應(yīng)激性損傷[8]。
在無氧呼吸、乙醇發(fā)酵途徑和乳酸代謝過程中,活性氧濃度的升高會(huì)破壞植物細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)而引起代謝紊亂[48,49],為了減輕活性氧的氧化損傷,保護(hù)組織和細(xì)胞,植物體內(nèi)已經(jīng)形成了復(fù)雜的抗氧化防御系統(tǒng)[47]??寡趸Wo(hù)酶主要有超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)等;非酶抗氧化劑主要有生育酚、抗壞血酸、谷胱甘肽、類胡蘿卜素等,解毒活性氧的有害影響??寡趸Wo(hù)酶的含量和活性隨著洪水脅迫加劇而提高,并誘導(dǎo)相關(guān)基因的表達(dá)[3,4,51]。此外,不同植物還積累不同的糖和氨基酸等滲透保護(hù)劑來保護(hù)自己免受脅迫,如甘氨酸甜菜堿、甘露醇,脯氨酸等在緩解滲透壓力方面起著重要作用[3]。在應(yīng)激狀態(tài)下,代謝產(chǎn)物也會(huì)損傷細(xì)胞,積累脂質(zhì)過氧化物丙二醛和氧化損傷產(chǎn)生的DNA 片段[3,5]。
濕地植物體內(nèi)細(xì)胞受低氧或者接近完全無氧脅迫時(shí),測(cè)得細(xì)胞色素氧化酶不再結(jié)合氧氣,有氧呼吸才停止,此后無氧呼吸被激發(fā)[52]。通過提高無氧呼吸、乙醇發(fā)酵途徑和乳酸代謝途徑有關(guān)酶的活性,如丙酮酸脫羧酶(PDC)活性升高[1],或者誘導(dǎo)有關(guān)酶的基因表達(dá)提高,如乙醇脫氫酶(ADH),乳酸脫氫酶(LDH)和丙酮酸脫羧酶(PDC)的mRNA 含量上升[1,3-5,23,53-55];或 者 采 取 生 理 靜 止 策 略,如Rorippa sylvestris依靠保持高的碳水化合物含量和ADH 基因極低水平表達(dá)而存活[56-58]。植物血紅蛋白-NO 循環(huán)的主要功能是調(diào)節(jié)NO 水平和清除O2,從而防止氧化損傷[23]。水稻等植物種子貯藏大量碳水化合物,內(nèi)部無氧氣,在淹沒條件下淀粉酶活性升高,淀粉含量下降,可溶性糖含量升高,通過無氧呼吸為種子萌發(fā)、生長(zhǎng)發(fā)育提供能量和中間化合物[4,9,26,59]??梢娭参锛?xì)胞在完全無氧時(shí)有氧呼吸才停止,并開始無氧呼吸或者生理活動(dòng)基本靜止。
李屬(Prunusspp.)植物及其砧木在洪水脅迫下,Mariana 2624 品種是典型的耐受型,氣體交換參數(shù)等不受影響[24,60-64];而Mazzard F12/1 品種是典型的敏感型,光合速率和氣孔導(dǎo)度降低[61]。湖北海棠(Malus hupehensis)在洪水脅迫下,葉片生化特征表現(xiàn)為淹水抑制光合色素合成,降低了葉綠素和類胡蘿卜素含量,葉綠素a/b 下降,類胡蘿卜素/葉綠素升高;因淹水季節(jié)不同,脯氨酸和丙二醛含量先升后降或者先降后升;可溶性糖和可溶性蛋白含量顯著上升??寡趸Wo(hù)酶表現(xiàn)為葉片超氧化物歧化酶活性總體先升后降;過氧化物酶活性先降后升。光合生理表現(xiàn)為葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度以及氣孔限制值均顯著低于對(duì)照,胞間CO2濃度影響不顯著[27,28,64]。
伸長(zhǎng)生長(zhǎng)逃避低氧脅迫策略和生理靜止逃避低氧脅迫策略是濕地植物適應(yīng)洪水環(huán)境的兩大重要策略。從深水水稻品種C9285 中克隆的2 個(gè)乙烯響應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子基因SNORKEL1(SK1)和SNORKEL2(SK2)參與水稻莖的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)[65,66],這2 個(gè)基因都能抵消Sub1A-1的限制生長(zhǎng)發(fā)育功能。Sub1A-1基因完全控制莖葉緩慢的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)而忍耐洪水脅迫,保存可供呼吸的可溶性糖,以便在洪水退去后恢復(fù)生長(zhǎng)[67-69]。
在淹水條件下,乙烯啟動(dòng)水稻C9285 的SK1/2基因表達(dá),SKs促進(jìn)水中的節(jié)間活性赤霉素積累[66,70,71],即乙烯促進(jìn)赤霉素的合成,引發(fā)節(jié)間伸長(zhǎng)生長(zhǎng),而赤霉素合成酶SD1 直接促進(jìn)赤霉素合成并提高含量[72]。在淹水條件下,乙烯響應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子Sub1A、Sub1B和Sub1C基因都表現(xiàn)上調(diào)表達(dá)[73],Sub1控制莖葉緩慢的伸長(zhǎng)生長(zhǎng),保存能源物質(zhì)和葉綠素含量,以便在退水后恢復(fù)生長(zhǎng),植株表現(xiàn)出生理活動(dòng)基本靜止[67-69,74,75]。具有淹水誘導(dǎo)Sub1A的水稻品種限制或有限地產(chǎn)生乙烯,在淹水期間乙烯維持赤霉素信號(hào)抑制物的mRNA 和蛋白質(zhì)積累[76,77],響應(yīng)赤霉素的蔗糖和淀粉分解代謝基因被Sub1A所抑制,從而限制莖伸長(zhǎng)生長(zhǎng),減少碳水化合物的消耗,使其在水下生存和退水后恢復(fù)生長(zhǎng)[1,3-5]。Bui 等[78]強(qiáng)調(diào)了Sub1在淹水條件下水稻根系生理調(diào)控的重要性,耐淹品種表現(xiàn)出較高的根系活性,如根尖活力和過氧化物酶活性升高,從而使其在淹水條件下根系和地上部損傷減少到最?。?3]。
濕地植物通過形態(tài)結(jié)構(gòu)和抗氧化防御系統(tǒng)保護(hù)植物體的內(nèi)、外環(huán)境,乳酸代謝途徑和乙醇發(fā)酵途徑等提供生命能量,受遺傳控制的逃避低氧脅迫策略而適應(yīng)水濕環(huán)境。在洪水脅迫下,濕地植物生長(zhǎng)發(fā)育因缺乏氧氣、CO2和陽光等而受到限制,光合速率等降低。采用乙烯響應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子SKs基因促進(jìn)莖的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)到達(dá)水面以上,重新獲得氧氣的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)逃避低氧脅迫策略,或者乙烯響應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子Sub1A-1基因控制莖葉的緩慢伸長(zhǎng)生長(zhǎng),極低的生理活動(dòng)逃避低氧脅迫策略,通過這2 大重要策略忍耐和適應(yīng)洪水脅迫。洪水脅迫引起濕地植物缺氧,促進(jìn)了活性氧的產(chǎn)生,它破壞正常的生理代謝,體內(nèi)的抗氧化防御系統(tǒng)包括抗氧化酶、非酶抗氧化劑和滲透保護(hù)劑等保護(hù)組織免受氧化損傷。體內(nèi)CO2含量增加從而抑制有氧呼吸,轉(zhuǎn)向以無氧呼吸、乙醇發(fā)酵途徑和乳酸代謝途徑為生命活動(dòng)提供能量。在形態(tài)結(jié)構(gòu)方面,莖皮孔膨大并增多,從皮孔長(zhǎng)出不定根并具通氣組織;屏障結(jié)構(gòu)具界面保護(hù)功能,保護(hù)體內(nèi)通氣組織的氧氣不易擴(kuò)散出去。根尖無屏障結(jié)構(gòu),離子能透過并進(jìn)入維管柱,此部位有少量ROL 釋放,緩解環(huán)境有毒害物質(zhì)對(duì)根尖的破壞。
濕地植物適應(yīng)并具有固定河湖消漲帶土壤的生態(tài)修復(fù)功能。泥蒿(Artemisia selengensis)和狗牙根為耐長(zhǎng)期淹沒的水陸兩棲植物,泥蒿和虉草(Phalaris arundinacea)等是冬春季生長(zhǎng)植物,在水文波動(dòng)的河湖岸邊,或者特定夏秋/秋冬淹沒區(qū)域,選擇適宜植物種類,能達(dá)到固定土壤的生態(tài)修復(fù)作用。濕地植物屏障結(jié)構(gòu)發(fā)育與其離子吸收和ROL 釋放之間有密切關(guān)系,根莖尖、根尖、側(cè)根穿過部位有氧氣釋放,可提高水體氧氣含量,促進(jìn)污染水體中需氧微生物活動(dòng),促進(jìn)微生物徹底分解有機(jī)污染物。根尖是離子吸收部位,植物其余部分特別是莖有發(fā)達(dá)屏障結(jié)構(gòu)能抵御離子脅迫,保證植物體存活;去除水體污染離子需選擇根系發(fā)達(dá)、根尖數(shù)量多的物種,提高離子吸收效率和氧氣釋放總量;以及發(fā)達(dá)根系表面吸附有機(jī)污染物,達(dá)到凈化水體的目的。