水澇脅迫下海州常山形態和生理指標的變化

曾德靜，王 鋮，劉 軍，尹麗娟

（1.上海市園林科學研究所，上海 200232；2.四川省眉山市園林局，四川 眉山 620020；3.四川農業大學 林學院，四川 雅安 625014）

隨著全球環境的不斷惡化，生態系統遭到嚴重破壞，全球氣候異常加劇，雨量分布極不均衡，局部地區水災不斷，土壤淹水現象極為常見。上海地區夏季的梅雨季節，降水量大，持續時間長，容易造成局部土壤積水，對該地區植物的耐澇能力提出了一定的要求。目前，關于植物耐澇方面的研究主要集中在作物、造林樹種及果樹方面，對園林觀賞植物的研究還相對較少，且對植物耐澇能力研究主要是在淹水條件下植物的形態和生理變化方面進行的，對于不同水澇的程度即水位的高度，對植物的影響方面的報道極少。海州常山Clerodendrum trichotomum是馬鞭草科Verbenaceae大青屬Clerodendrum，落葉灌木或小喬木［1］。海州常山花開時紅白相間，花朵繁密似錦，秋季果實成熟時，亮藍紫色的球形果與花同時宿存枝頂，艷麗可愛，是點綴園林、庭院的優良觀花觀果植物。它抗性強，是一種很有潛力的鹽堿地區園林綠化和城市廢棄地恢復植物［2－3］。同時，該植物具有一定的藥用價值，有降壓、鎮靜、鎮痛等作用［4］，莖皮中抗腫瘤活性成分高達4.6%［5］。另外，據羅艷等［6］報道，海州常山的種子含油量達34.1%，是值得推廣栽植的生物柴油植物。目前，關于海州常山抗性研究主要集中在光強［7］、鹽脅迫［8－9］及二氧化硫［10］等方面，對于其耐水澇能力方面的研究報道很少，只有魏娟等［11］對海州常山在濕害、澇害和干旱等3種條件下的生理特性進行了研究，但并未對其耐受程度進行研究。本試驗對海州常山耐水澇程度進行進一步研究，通過設置不同的淹水高度，觀察各處理下植株的形態變化，并對其相關生理指標進行測定和分析，初步得出其耐水澇脅迫的能力，以期為海州常山的綠化應用、耐澇育種以及作為藥物、生物柴油等栽植提供相關的依據。

1 材料與方法

1.1 材料

選取生長健壯、一致的海州常山1年生扦插盆栽苗作為試驗材料，苗高為80～100 cm。于試驗前1個月將盆栽苗移入上海市園林科學研究植物資源與環境試驗區防雨棚內進行緩苗，并進行正常的日常管理。

1.2 試驗方法

試驗采用大盆套小盆的方法，設置不同的水位高度對海州常山進行水澇脅迫試驗。盆栽苗盆的直徑為20 cm，高25 cm，盆土厚度為22 cm。試驗分水濕和淹水2種類型的處理，水濕處理設置水位達到1/4盆土厚度、1/2盆土厚度、2/3盆土厚度、盆土表面共4個水平，分別設為處理A，處理B，處理C和處理D。淹水處理為水位達盆土表面以上5 cm處，設為處理E。為防止水分蒸發，引起大盆內的水位下降，試驗開始后，定期向處理植株的大盆內補水，保證水位維持在所設定的位置，對照為正常管理。自處理當天起，2 d觀察1次，記錄植株外觀形態特征變化，并取植株上部第3～5葉序葉片帶回實驗室進行各項生理指標的測定，直至葉片枯黃或植株死亡。

1.3 測定指標及方法

葉片相對含水量、葉綠素質量分數、相對電導率、脯氨酸質量分數、可溶性糖質量分數、可溶性蛋白質量分數測定參照王學奎［12］的方法，超氧化物歧化酶（SOD）活性參照朱廣廉［13］的方法測定，丙二醛（MDA）質量摩爾濃度測定參照劉祖祺等［14］的方法。

1.4 數據統計與分析

所有試驗數據采用Microsoft Office Excel 2003和SPSS 18.0進行統計、分析。

2 結果與分析

2.1 水澇脅迫對海州常山形態的影響

處理A和處理B下，海州常山植株長勢良好，與對照相比，形態無明顯變化。處理C下，第6天，海州常山植株部分下部葉片起皺，開始出現萎蔫癥狀，中上部葉片形態無明顯變化；第8天，植株下部葉片萎蔫現象明顯，邊緣卷曲，葉片泛黃，開始下垂；第10天，中部葉片均失水萎蔫，卷曲，下部部分葉片下垂，已經枯黃而死亡；第12天，植株失水嚴重，萎蔫范圍進一步擴大，上部葉片出現輕度萎蔫，中部全部失水下垂，下部葉片完全干枯死亡，開始脫落。處理D和處理E之間植物形態變化基本一致，無明顯的差異，在處理第2天，植株部分葉片開始出現萎蔫，僅表現在最下部的葉片上；第4天，植株下部葉片失水萎蔫，葉片起皺，邊緣卷曲，明顯下垂，中部葉片開始出現萎蔫現象，上部葉片無明顯的變化；第6天，中部葉片出現大面積失水萎蔫下垂，上部葉片也失水變皺，下部葉片已經干枯死亡，開始脫落；第8天，上部葉片已卷曲下垂，中下部已干枯死亡，整個植株全部萎蔫，接近死亡。

2.2 水澇脅迫對海州常山生理指標的影響

2.2.1 對相對含水量的影響 海州常山葉片含水量隨著濕澇脅迫時間延長而減小，且脅迫程度越高，葉片含水量越低（圖1）。處理A和處理B的含水量在整個脅迫期間與對照的差異不顯著（P＞0.05），處理C在脅迫前6 d相對含水量變化不大，第8天開始出現明顯失水現象，且之后每2 d的含水量的差異達到顯著水平（P＜0.05），處理D和處理E從第4天起含水量就顯著（P＜0.05）下降，且下降幅度較大，第8天分別比對照減少43.19%和46.24%。

2.2.2 對葉綠素質量分數的影響 由圖2可知：水澇脅迫下，不同處理之間海州常山葉片葉綠素質量分數變化各不相同。處理A在整個脅迫期間葉綠素質量分數能保持穩定，葉綠素質量分數與對照差異不顯著（P＞0.05）；隨著脅迫時間延長，處理B，處理C，處理D和處理E葉綠素質量分數先下降后升高，處理B葉綠素質量分數緩慢下降，第6天與對照差異達到顯著水平（P＜0.05）；處理C葉綠素質量分數在第8天急速下降，之后又急速升高，在第12天顯著（P＜0.05）高于對照的質量分數；處理D和處理E葉綠素質量分數在脅迫第2天明顯低于對照，隨脅迫時間延長，葉綠素質量分數持續升高，且上升幅度較大，脅迫結束時顯著高于對照（P＜0.05）。

圖1 水澇脅迫對相對含水量的影響Figure 1 Effect of water logging on relative water content

圖2 水澇脅迫對葉綠素質量分數的影響Figure 2 Effect of water logging on chlorophy content

2.2.3 對相對電導率和丙二醛質量摩爾濃度的影響 水澇脅迫下，海州常山葉片相對電導率隨脅迫時間延長逐漸增大（圖3）。在脅迫前期，各處理的相對電導率水平較低，隨著脅迫時間的延長，處理A和處理B變化不大，與對照無明顯差異（P＞0.05）；處理C，處理D和處理E的相對電導率持續升高，處理C在第6天時與對照差異顯著（P＜0.05），處理D和處理E在第4天與對照差異就達到顯著水平（P＜0.05），升高幅度大小依次是處理E＞處理D＞處理C。由圖4可以看出：水澇脅迫引起海州常山葉片的丙二醛質量摩爾濃度增加。處理A和處理B在整個脅迫過程中丙二醛質量摩爾濃度穩定，雖有起伏但差異不顯著，與對照也無顯著差異（P＞0.05）；處理 C，處理D和處理 E隨著脅迫時間延長，丙二醛質量摩爾濃度顯著（P＜0.05）升高，試驗結束時，丙二醛質量摩爾濃度分別達到對照的2.71倍、2.68倍和2.74倍。

圖3 水澇脅迫對相對電導率的影響Figure 3 Effect of water logging on relative electrical conductivity

圖4 水澇脅迫對丙二醛質量摩爾濃度的影響Figure 4 Effect of water logging on MDA content

2.2.4 對脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白質量分數的影響 如圖5所示：當水澇脅迫嚴重時，海州常山葉片脯氨酸質量分數迅速增加。各處理的脯氨酸質量分數變化規律與丙二醛變化一致，變化幅度更大。處理A和處理B在整個脅迫過程中與對照無顯著差異（P＞0.05）；處理C，處理D和處理E脯氨酸質量分數隨脅迫時間延長而急劇增加，最大值分別達到了對照的21.9倍、24.2倍和24.8倍。水澇脅迫能促使海州常山體內可溶性糖質量分數的增加（圖6）。處理A在整個脅迫期間的可溶性糖質量分數變化不明顯，與對照無顯著差異（P＞0.05）；處理B在脅迫前8 d可溶性糖質量分數緩慢升高，第8天與對照差異顯著（P＜0.05），之后維持在較高水平；處理C，處理D和處理E可溶性糖質量分數在脅迫中持續增加，相比之下處理C增加速度較慢；處理D和處理E可溶性糖質量分數迅速增加，每次測定值間均存在顯著差異（P＜0.05），但兩者之間差異不顯著（P＞0.05）。水脅迫下海州常山葉片可溶性蛋白質量分數的變化見圖7。在水澇脅迫過程中，處理A和處理B的可溶性蛋白質量分數雖有所波動，但與對照組的差異不顯著（P＞0.05）；處理C可溶性蛋白質量分數逐漸下降，第4天時與對照差異顯著（P＜0.05），第10天降到最低，之后在第12天有所回升；處理D和處理E可溶性蛋白質量分數出現先降后升趨勢，谷值出現在第6天，在整個脅迫過程中可溶性蛋白質量分數均顯著（P＜0.05）低于對照。

2.2.5 對超氧化物歧化酶活性的影響 對照、處理A和處理B在各時間階段下超氧化物歧化酶活性呈現一定的波動性，可能與外界環境因素如溫度等的變化有關，但在各脅迫時間段，處理A和處理B的超氧化物歧化酶活性與對照差異不顯著（P＞0.05）；處理C，處理D和處理E隨著脅迫時間的延長，超氧化物歧化酶活性呈持續下降趨勢，降幅較大直至植株死亡（圖8）。

3 討論

圖6 水澇脅迫對可溶性糖質量分數的影響Figure 6 Effect of water logging on soluble sugar content

圖7 水澇脅迫對可溶性蛋白質質量分數的影響Figure 7 Effect of water logging on soluble protein content

圖8 水澇脅迫對超氧化物歧化酶活性的影響Figure 8 Effect of water logging on SOD activities

水澇脅迫使植物處于周期或長期的厭氧或缺氧狀態，限制植物的需氧呼吸和維持生命活動所需的能量產生，從而對植物的水分代謝、光合作用、細胞膜系統、抗氧化系統、能量代謝等造成傷害。為了適應或減輕缺氧傷害，植物會啟動形態、生理方面的適應機制。形態方面主要表現為葉片形態的改變、莖伸長生長、不定根和通氣組織的形成等［15－16］。生理方面表現為代謝途徑改變，通過厭氧代謝獲得維持生命的能量；通過體內乙烯、赤霉素和脫落酸等激素水平的改變來調節生理活動或形態等方面的變化；抗氧化酶系統對活性氧自由基的清除等［17］。糖酵解被認為是植物對厭氧脅迫適應的基本功能，維持糖酵解途徑需要源源不斷的可溶性糖的供應［17］，因此，水澇脅迫下植株可溶糖的增加，對植物生長的能量供應至關重要。脯氨酸除作為滲透調節物質外，還可以是能量庫、氮素儲存劑、羥基清除劑、保護酶系和細胞結構穩定的兼容性溶劑。水澇脅迫下，植物往往通過脯氨酸、可溶性糖的大量積累來適應環境，這在紫穗槐 Amorpha fruticosa［18］，金錢松 Pseudolarix kaempferi［19］等中得到了驗證。抗氧化酶能夠清除植物體內的活性氧自由基，防止細胞膜脂過氧化，對植物形成有效保護。大量研究［20－21］顯示，水澇脅迫下，植物的抗氧化酶系統能產生及時的響應，來增強植物的耐澇能力，從而減輕傷害。本試驗結果顯示，海州常山在水澇脅迫過程中其體內發生了一系列的生理變化。隨著脅迫程度的增加，相對電導率、丙二醛質量分數的持續上升，說明在脅迫過程中海州常山細胞膜系統受到的傷害逐漸加重；超氧化物歧化酶活性持續下降，說明水澇脅迫下，海州常山的抗氧化酶系統不敏感，不能夠做出迅速而適當的調整，而逐漸受到傷害；可溶性糖質量分數、脯氨酸質量分數不斷升高，最高分別為對照的2.77倍和24.82倍，說明海州常山具有極強的滲透調節能力，能夠通過脯氨酸和可溶性糖的大量積累來適應環境。

從海州常山植株在干旱脅迫［11］、水澇脅迫和土壤鹽脅迫［8］下的生理指標變化來看，不同類型脅迫下海州常山的生理響應既有相同點也有不同點。3種脅迫下，植株的葉綠素質量分數均下降，光合作用受到影響；膜的透性和膜脂過氧化產物均增加，表現為相對電導率和丙二醛質量摩爾濃度的增加，導致細胞膜傷害加重；植株均具有較強的滲透調節能力，能夠通過可溶性糖和脯氨酸的主動積累來適應脅迫環境。但抗氧化酶在脅迫中的表現不同，鹽脅迫下植株能夠迅速提高過氧化物歧化酶和過氧化物酶活性來增強植物的抗逆能力，干旱脅迫和水澇脅迫下過氧化物歧化酶的活性在試驗初期能維持在對照組的水平，之后隨脅迫時間延長過氧化物歧化酶活性逐漸下降，說明在水分脅迫下，海州常山植株的抗氧化酶系統不敏感，難以做出迅速而適當的調整，植株逐漸受到傷害。

本試驗中，1/4和1/2盆土厚度的水位高度處理對海州常山影響不大，植株生長正常；而水位達到2/3盆土厚度處理，在脅迫12 d之后植株死亡。綜合各生理指標可知，處理C在脅迫前期對水澇有一定的抗性，隨著脅迫時間的延長，抗性降低，植株逐漸死亡，說明處理C對海州常山有傷害，但傷害較緩慢；當水位達到盆土表面或超過表面，對海州常山傷害較大，各生理指標變化十分劇烈，8 d后植株死亡?？梢?，海州常山耐水濕能力較強，1/2盆土厚度是其極限水位高度，耐水淹能力一般且持續時間不長。

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