海濱濱麥葉片和根對(duì)不同厚度沙埋的生理響應(yīng)差異分析

周瑞蓮，趙彥宏，楊潤(rùn)亞，左進(jìn)城，候月立，周彬彬

魯東大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 煙臺(tái) 264025

海濱濱麥葉片和根對(duì)不同厚度沙埋的生理響應(yīng)差異分析

周瑞蓮*，趙彥宏，楊潤(rùn)亞，左進(jìn)城，候月立，周彬彬

魯東大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 煙臺(tái) 264025

以煙臺(tái)海岸抗風(fēng)沙植物濱麥為研究材料，通過(guò)對(duì)不同厚度沙埋下其葉片和根部抗氧化酶活力(超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化物酶(POD)、 過(guò)氧化氫酶(CAT))、丙二醛(MDA)含量和滲透調(diào)節(jié)物含量變化的分析，探討了葉片和根部對(duì)沙埋生理響應(yīng)的差異。 試驗(yàn)按濱麥成株株高(約40 cm)對(duì)其進(jìn)行了輕度沙埋(在株高1/4 處)、中度沙埋(2/4 處)和重度沙埋(3/4 處)。在沙埋第6天，分別測(cè)定了不同厚度沙埋處理下，植株各段葉片和根抗氧化酶活力、MDA和滲透調(diào)節(jié)物含量。結(jié)果表明，輕度和中度沙埋均加速植株生長(zhǎng)。與對(duì)照相比，經(jīng)輕度、中度沙埋處理6 d，葉片平均MDA含量增加，在重度沙埋下降低。不同厚度沙埋6 d, 葉片平均SOD活力和脯氨酸含量增加， 而CAT活力、可溶性糖和可溶性蛋白質(zhì)含量下降。 但不同厚度沙埋均使沙上葉片MDA、脯氨酸、可溶性蛋白質(zhì)含量和SOD和CAT活力增加，尤其是葉片頂部增加最為明顯，使沙下葉片MDA、可溶性糖、可溶性蛋白質(zhì)含量和CAT活力下降，導(dǎo)致同株沙上和沙下葉片MDA、脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白質(zhì)含量和SOD和CAT活力差異顯著(P<0.05)。與葉片相比，根中MDA、可溶性蛋白質(zhì)含量和SOD和CAT活力較低， 而POD活力和可溶性糖含量較高并與葉片差異顯著(P<0.05)。不同厚度沙埋6 d，濱麥根中MDA和可溶性蛋白質(zhì)含量變化較小，可溶性糖含量和CAT、POD、SOD活力略有降低。研究表明，濱麥根和葉片對(duì)不同厚度沙埋的生理響應(yīng)不同。沙埋直接作用于葉片并誘發(fā)葉內(nèi)氧自由基積累，但葉片通過(guò)快速激活的抗氧化酶保護(hù)系統(tǒng)(CAT、SOD)維持氧自由基代謝平衡，以及滲透調(diào)節(jié)物(脯氨酸、可溶性糖)的積累維護(hù)細(xì)胞水分代謝平衡，并滿(mǎn)足能量的需求和快速生長(zhǎng)。但在不同厚度沙埋下，由于根系不受沙埋直接影響而生理變化較小，并且還維持較低的膜脂過(guò)氧化水平，這可能是根能維持正常的吸水輸水功能并在沙埋處理過(guò)程中和沙埋后地上葉片快速生長(zhǎng)擺脫沙埋的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。

濱麥;海濱;葉片和根;沙埋;生理響應(yīng)

生于海岸沙地的濱麥(Leymusmollis(Trin.) Hara)具有強(qiáng)大的根系是水土保持和固沙植物，在防沙固沙和生態(tài)小環(huán)境的改善中發(fā)揮著不可替代的作用[1]。同時(shí)，由于濱麥?zhǔn)谴篼渷喿遒?lài)草屬(Leymus), 具有抗病、耐鹽堿性，是小麥遺傳改良中具有重要利用價(jià)值的野生親緣物種之一[1- 4]。為了將濱麥的抗性性狀應(yīng)用在育種上，人們研究了濱麥滲透脅迫響應(yīng)基因[5]、基因結(jié)構(gòu)特征[6]、抗條銹病基因的定位[7]，但對(duì)濱麥抗風(fēng)沙生存機(jī)理鮮有報(bào)道。海岸風(fēng)大浪高，但濱麥卻能在近海岸迎風(fēng)坡地旺盛生長(zhǎng)并形成單一種群群落，揭示濱麥抗沙埋生理機(jī)理，不僅可豐富植物抗風(fēng)沙理論，而且對(duì)開(kāi)發(fā)其抗風(fēng)沙基因具有重要理論指導(dǎo)作用。

目前已將“氧自由基理論”引入到沙生植物抗逆生理機(jī)理的研究[8- 10]。研究發(fā)現(xiàn)在干旱和鹽脅迫過(guò)程中植物體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生活性氧自由基[11- 19]。而細(xì)胞內(nèi)積累的活性氧自由基可破壞活性氧代謝平衡，引起細(xì)胞膜脂過(guò)氧化，使細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)核酸受損，導(dǎo)致細(xì)胞生理代謝紊亂并死亡[14- 15]。但同時(shí)研究還發(fā)現(xiàn)在鹽脅迫[16, 19]、冷凍[17- 18]、干旱[11,15]脅迫條件下，植物抗氧化酶保護(hù)系統(tǒng)被激活，抗氧化酶(SOD, CAT, POD)活力增高清除活性氧自由基、抑制膜脂過(guò)氧化、保護(hù)細(xì)胞膜完整性。同時(shí)，植物細(xì)胞中滲透調(diào)節(jié)物(可溶性糖和脯氨酸)含量會(huì)快速增高參與滲透調(diào)解，維護(hù)細(xì)胞水分平衡[19- 20]。因此，人們普遍認(rèn)為脅迫條件下植物體內(nèi)抗氧化保護(hù)酶活力的高低和滲透調(diào)節(jié)物含量的多少與植物抗逆性強(qiáng)弱密切相關(guān)[17- 18,21]。而對(duì)海岸砂引草(MesserschmidiasibiricaLinn)[22]和單葉蔓荊(Vitexrifoliavar.Simplicafolia.)[23]在不同厚度沙埋處理過(guò)程中抗氧化酶活力和可溶性糖和脯氨酸含量分析也發(fā)現(xiàn)：輕度和中度沙埋下，成株和幼株整株葉片平均細(xì)胞膜透性增大、POD和SOD活力增高、MDA 和脯氨酸含量和葉片相對(duì)含水量增加，同時(shí)植株沙上葉片細(xì)胞膜透性、MDA含量、SOD和POD活力和葉片可溶性糖均高于沙下。沙埋后抗氧化酶活力和滲透調(diào)節(jié)物含量的增高與抑制膜脂過(guò)氧化和沙埋后快速恢復(fù)生長(zhǎng)相關(guān)。雖然對(duì)海岸紫草科砂引草[22]和馬鞭草科的單葉蔓荊(Vitexrifoliavar.Simplicafolia)[23]抗沙埋生理機(jī)理做了研究，但由于植物種類(lèi)差異會(huì)導(dǎo)致參與滲透調(diào)節(jié)的滲透調(diào)節(jié)物種類(lèi)和參與氧自由基清除的酶類(lèi)不同[24]。加之，不同科屬生物學(xué)特性差異，如葉片形態(tài)、生活型不同，均會(huì)導(dǎo)致它們抗逆生理調(diào)控機(jī)理的不同[25]。因此濱麥為何能在迎風(fēng)沙地上生存及其生理調(diào)控的機(jī)理是什么？沙埋除了威脅受沙埋的葉生長(zhǎng)外，對(duì)根系代謝是否有影響？葉和根系抗沙埋是否有抗氧化酶和滲透調(diào)節(jié)物參與并與其維持氧自由基代謝和水分平衡有關(guān)？目前報(bào)道較少。

本文以煙臺(tái)海岸沙地天然生長(zhǎng)的濱麥為材料，通過(guò)在不同厚度沙埋下對(duì)其葉片和不同深層土壤中根系抗氧化物酶活力、滲透調(diào)節(jié)物含量和生長(zhǎng)速率的分析，以探討濱麥抗沙埋生理調(diào)控機(jī)制以及根葉對(duì)沙埋的生理響應(yīng)差異，并揭示海岸沙生植物在極端環(huán)境下生存機(jī)制，為未來(lái)濱麥抗沙埋基因的深入研究提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究時(shí)間和試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)于2011和2012年5月到8月在煙臺(tái)市西泊子海岸沙地天然濱麥生長(zhǎng)地進(jìn)行。煙臺(tái)市地處山東半島中部，位于東經(jīng)119°34′—121°57′，北緯36°16′—38°23′。該地區(qū)屬于溫帶季風(fēng)氣候，年平均降水量為651.9 mm，主要集中在7—8月，占年降雨量的49%；年平均氣溫11.8 ℃，最熱月為8月(24.6 ℃)，歷年極端最高氣溫38.4 ℃，土壤pH值為4.2—6.8。海岸沙地土壤多為風(fēng)沙土。年平均風(fēng)速內(nèi)陸地區(qū)3—4 m/s，沿海地區(qū)4—6 m/s。西泊子研究區(qū)天然群落以耐沙埋植物為主，主要有篩草(Carexkobomugi)、砂引草(MesserschmidiasibiricaLinn)、腎葉打碗花(Calystegiasoldanella(L.) R. Br)和濱麥(Leymusmollis(Trin.) Hara)等。

1.2 試驗(yàn)處理

(1)試驗(yàn)地標(biāo)記 在西泊子近海濱沙地上選擇生長(zhǎng)密集均勻的濱麥地塊為樣地，并除去雜草，將樣地插牌作標(biāo)記。

(2)試驗(yàn)材料標(biāo)記 從標(biāo)記的樣地中挑選株高約40 cm的植株(成株)用于沙埋，并將其標(biāo)記。即：在沙埋前，用記號(hào)筆將植株基部做標(biāo)記， 同時(shí)測(cè)量植株基部到頂部的距離(植株高度)，然后進(jìn)行沙埋。

(3)沙埋處理 根據(jù)成株高度(約40 cm)，將植株分為4段。從植株基部(地面部位，記為0)到頂部依次分為，1/4段(0—1/4，基部)，2/4段(1/4—2/4，中部2)，3/4段(2/4—3/4，中部1)，4/4段(3/4—4/4, 頂部)。沙埋處理設(shè)立：對(duì)照；輕度沙埋(埋至株高1/4段處)；中度沙埋(2/4段處)；重度沙埋(3/4段處)。方法是將紙盒子分別剪制成高30 cm(重度沙埋)、20 cm(中度沙埋)、10cm(輕度沙埋)圍成面積約為1—2m2的方框。按沙埋厚度選取方框?qū)⑺x植株框起， 然后收集遠(yuǎn)處地表干沙往框內(nèi)外覆沙至框高，同時(shí)一邊覆沙，一邊盡量將葉片向上擼直。沙埋后將方框去除，沙埋區(qū)域周?chē)傺a(bǔ)充少量沙與地面成斜坡?tīng)钆c自然沙地成一體。每個(gè)沙埋處理至少包括15株標(biāo)記的植物，每個(gè)處理重復(fù)3次，整個(gè)沙埋試驗(yàn)重復(fù)2次，兩次結(jié)果類(lèi)似，在此僅報(bào)道其中1次。

1.3 取樣方法

在沙埋的第6天，對(duì)沙埋處理的植株進(jìn)行取樣。同一植株取樣的順序?yàn)椋?1)沙上取樣：首先用剪刀將不同處理的植株沙上葉片剪下，并按沙埋前分段的方法將各段剪開(kāi)，其中對(duì)照植株具有完整的4段，重度沙埋僅具頂部那段，取樣后即刻用紗布包裹液氮固定。(2)沙下取樣：小心用手將不同厚度沙埋處理的沙下葉片周?chē)匙訐艹觯钡街仓昊繕?biāo)記部分露出，用剪刀從標(biāo)記處將葉片的剩余部分剪下，同樣將沙下植株各段剪開(kāi)，用紗布包裹后用液氮固定。(3)地下根取樣：由于濱麥具有地下根莖，并分布在較深的土層中，故本研究?jī)H從淺層土中取根系，不包括根莖。具體做法是，取完葉片后，接著用手小心將根挖出， 取根長(zhǎng)約20 cm, 并將根從10 cm和20 cm處剪開(kāi)，將0—10cm記為根(1)，10—20cm記為根(2)。清除根上沙子后，用液氮固定。所有液氮固定的材料用于滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)(脯氨酸、可溶性糖含量)、保護(hù)酶(SOD、POD、CAT)活力、MDA含量的分析，所有生理測(cè)定至少重復(fù)6次。

1.4 試驗(yàn)方法

(1)生長(zhǎng)速率測(cè)定 在沙埋第6天、第12天，小心將葉片周?chē)匙訐艹钡街仓昊繕?biāo)記露出，用量尺測(cè)量植株基部標(biāo)記處到葉尖距離(株高)，測(cè)量結(jié)束后再用沙子埋到沙埋處理的高度。

(2)酶液提取 酶液提取是在4℃條件下進(jìn)行的，準(zhǔn)確稱(chēng)取液氮固定的樣葉于預(yù)冷研缽中，加入酶提取液(pH值=7.8磷酸緩沖液)，冰浴上研磨成勻漿，在15000 r/min 4 ℃條件下離心15 min，上清液用于抗氧化酶活力和脯氨酸、可溶性糖和丙二醛含量的測(cè)定。

(3)丙二醛(MDA)含量的測(cè)定 采用硫代巴比妥酸法測(cè)定MDA含量[26]。

(4)抗氧化物酶活性的測(cè)定 采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定POD活性[26]；采用氮藍(lán)四唑(NBT)光還原法測(cè)定SOD活性[12]；采用過(guò)氧化氫-碘量法測(cè)定CAT活性[27]。

(5)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的測(cè)定 采用茚三酮比色法測(cè)定游離脯氨酸含量[26]；采用蒽酮法測(cè)可溶性糖含量[26]。由于沙埋6d葉片生長(zhǎng)最快，故本實(shí)驗(yàn)僅測(cè)定了沙埋6d不同厚度沙埋植株各部位葉片的抗逆生理指標(biāo)的變化。

1.5 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用3個(gè)以上重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(Standard Error)，用SPSS 11.5軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。不同沙埋處理間采用方差分析， 并以Duncan法進(jìn)行多重比較， 沙上與沙下葉片間的比較用T檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同厚度沙埋對(duì)濱麥葉片生長(zhǎng)速率的影響

圖1 不同厚度沙埋6 d和12 d濱麥植株高度對(duì)比 Fig.1 Comparison of plant height of Leymus mollis under different depth of sand burial after 6 days and 12 days同一處理天數(shù)，不同沙埋處理間比較用字母標(biāo)記，兩兩間有相同字母表示差異不顯著， 反之差異顯著(P<0.05)

結(jié)果表明，在輕度和中度沙埋下，濱麥植株生長(zhǎng)明顯加快(P<0.05)(圖1)。與對(duì)照相比，輕度和中度沙埋6 d使植株葉片總長(zhǎng)度較對(duì)照長(zhǎng)16%和27%，重度沙埋葉片增長(zhǎng)較少，沙下葉片部分發(fā)黃；輕度和中度沙埋12 d使植株葉片總長(zhǎng)度較對(duì)照長(zhǎng)18%和31%，重度沙埋葉片增長(zhǎng)較少。說(shuō)明適度沙埋可加速濱麥生長(zhǎng)。

2.2 不同厚度沙埋對(duì)濱麥葉片和根膜脂過(guò)氧化的影響

許多研究發(fā)現(xiàn)，逆境條件下，細(xì)胞MDA含量與植物存活和抗逆性成負(fù)相關(guān)[28]。由于抗氧化酶活力變化在種間和基因型間存在明顯差異[28]。因此，測(cè)定MDA 含量已成為篩選植物抗逆品種的一個(gè)工具[24, 28]。也是檢測(cè)植物膜傷害的一個(gè)重要指標(biāo)[11]。

與對(duì)照相比，輕度、中度沙埋6d使葉片平均MDA含量增加，重度沙埋使葉片平均MDA下降(圖2)。尤其是沙埋使葉片頂部MDA增加最為明顯，輕度、中度、重度沙埋使葉片頂部MDA含量分別較對(duì)照增加41%、60%和21%，并與對(duì)照差異顯著(P<0.05)。不同沙埋處理下，根中MDA含量變化不明顯，并與對(duì)照差異不明顯。與葉片相比，根中膜脂過(guò)氧化程度較低， 且兩者差異顯著(P<0.05)。而沙埋使同株沙上和沙下葉片MDA含量差異顯著(P<0.05)，經(jīng)輕度、中度、重度沙埋6d，沙上葉片MDA含量分別較沙下高52%、58%、66%。結(jié)果表明，沙埋明顯促使葉片，尤其是葉片頂部膜脂過(guò)氧化加劇。該研究與砂引草[22]和單葉蔓荊[23]研究結(jié)果一致。

圖2 不同厚度沙埋下濱麥葉片和根系丙二醛含量的變化 Fig.2 Changes in the MDA contents of the leaves and roots of Leymus mollis under different depth of sand burial(1)圖中每一處理組從左到右依次為：①葉頂部：②葉中部1；③葉中部2；④葉基部；⑤根 1；⑥根2;白色表示該部位沒(méi)有被沙埋；黑色表示該部位被沙埋(2)同一部位不同厚度沙埋之間的比較用大寫(xiě)字母表示，字母不同表示差異顯著(P<0.05)；同一植株不同部位之間的比較用小寫(xiě)字母表示，字母不同表示差異顯著(P<0.05)(3)沙上與沙下葉片間的比較用T檢驗(yàn)

2.3 不同厚度沙埋對(duì)濱麥葉片和根抗氧化酶活力的影響

正常情況下植株葉片各部位CAT活力表現(xiàn)為葉片頂部和中部略高，基部略低，根部CAT活力最低(對(duì)照)(圖3)。沙埋6d，隋沙埋厚度增加濱麥沙上葉片CAT活力趨于增加，沙下葉片CAT活力下降，尤其是葉片頂部CAT活力提高幅度較大。與對(duì)照相比，輕度、中度和重度沙埋下，葉片頂部CAT活力分別增加11%、25% 和24%， 與對(duì)照差異顯著(P<0.01)。同時(shí)也導(dǎo)致同株沙上和沙下葉片CAT活力差異極顯著(P<0.01)。輕度、中度和重度沙埋下，沙上葉片比沙下葉片CAT活力分別高109%、126%、和80%。不同厚度沙埋6 d，根中CAT活力變化不明顯且與對(duì)照無(wú)顯著差異，導(dǎo)致葉平均CAT活力較根部高2—3倍，兩者差異顯著(P<0.05)。結(jié)果表明，沙埋對(duì)葉片影響大，而對(duì)根沒(méi)有明顯影響。

正常情況下，濱麥葉片各部位SOD活力均較高，根SOD活力較低(圖3)。不同厚度沙埋6 d 使葉片平均SOD活力略為增高(但葉片頂部SOD活力增加更為明顯)，深根部位SOD活力下降。不同厚度沙埋6 d，與對(duì)照相比，輕度、中度、重度沙埋下葉片頂部SOD活力分別增加11%、27% 和19%，深根部位(根2)SOD分別下降19%、27%、42%，均與對(duì)照差異顯著(P<0.05)。同時(shí)，同株沙上葉片SOD活力較沙下高，例如，輕度、中度和重度沙埋下，沙上葉片SOD活力較沙下分別增加13%、29% 和18%。且兩者差異顯著(P<0.05)。

與根系和葉片SOD和CAT活力結(jié)果不同的是，濱麥根POD活力明顯高于葉片，對(duì)照根中POD活力較葉高190%(圖3)。但在輕度和中度沙埋6d, 根POD活力較對(duì)照下降26%和36%，與對(duì)照差異明顯(P<0.05)。同株沙上和沙下葉片POD活力差異不顯著，而且葉片頂部POD活力變化較小與對(duì)照差異也不顯著，但葉片和根中POD活力差異顯著(P<0.05)。

2.4 不同厚度沙埋對(duì)濱麥葉片和根滲透調(diào)節(jié)物含量的影響

對(duì)照濱麥葉片可溶性蛋白質(zhì)含量在葉片頂部最高，基部較低，根部最低，葉片可溶性蛋白質(zhì)含量是根的2.3 倍(對(duì)照)(圖4)。與對(duì)照相比，雖然不同厚度沙埋并未提高葉片平均可溶性蛋白質(zhì)含量，但不同厚度沙埋卻使沙上葉片可溶性蛋白質(zhì)含量上升(尤其是葉片頂部)，使沙下葉片可溶性蛋白質(zhì)降低，導(dǎo)致沙上和沙下葉片可溶性蛋白質(zhì)含量差異加大，并差異顯著(P<0.05)。另外，不同厚度沙埋下濱麥根可溶性蛋白質(zhì)含量低、變化小，與同株葉片可溶性蛋白質(zhì)含量差異顯著(P<0.05)。

對(duì)照葉片頂部脯氨酸含量較高， 其余部位脯氨酸含量較低，且差異不顯著但與頂部差異顯著(P<0.05)，根部脯氨酸含量最高(圖4)。沙埋使根葉脯氨酸含量均增加。 隨沙埋厚度增加葉片脯氨酸含量增幅加大，在輕度、中度、重度沙埋處理下，葉片平均脯氨酸含量分別較對(duì)照增加38%、81%和206%，中度和重度沙埋下根中脯氨酸平均含量分別增加30%和137%，它們均與對(duì)照差異顯著(P<0.05)。 同株沙上和沙下葉片脯氨酸含量差異顯著(P<0.05)。中度、重度沙埋使沙上葉片脯氨酸含量分別較沙下高66% 和28%。

對(duì)照濱麥根部可溶性糖含量較葉片高，且兩者差異顯著(P<0.05)。沙埋6 d使沙上葉片可溶性糖含量略有增加，但卻使沙下葉片可溶性糖含量大幅下降，輕度、中度和重度沙埋6 d，沙下葉片可溶性糖含量分別較對(duì)照下降31%、53%、61%，致使沙上和沙下差異達(dá)到顯著(P<0.05)(圖4)。

圖4 不同厚度沙埋下濱麥葉片根系可溶性蛋白質(zhì)、脯氨酸、可溶性糖含量的變化 Fig 4 Changes of the contnets of soluble protein、 proline、 soluble sugar in the leaves and roots of Leymus mollis under different depth of sand burial

3 討論

沙埋是控制沙地生態(tài)系統(tǒng)植被分布和組成的重要因素。具有耐沙埋特性也是植物能在流動(dòng)或半流動(dòng)沙地定植生存的關(guān)鍵，它也是植物在長(zhǎng)期適應(yīng)沙埋環(huán)境中進(jìn)化形成。由于揭示植物耐沙埋生理生態(tài)學(xué)適應(yīng)機(jī)理，對(duì)未來(lái)其開(kāi)發(fā)利用和沙地群落的管理具有重要指導(dǎo)作用，因而得到許多研究者的關(guān)注[29- 31]。在煙臺(tái)海岸，常年海風(fēng)吹襲引起的沙埋作為一種脅迫因子使許多植物不能生存，砂引草、單葉蔓荊和濱麥?zhǔn)窃摵０稁H能生存的幾種植物。目前對(duì)海岸沙地砂引草[22]和單葉蔓荊[23]耐沙埋機(jī)理已進(jìn)行了研究。但研究?jī)H局限地上部葉片，而未有對(duì)地下根進(jìn)行研究。盡管砂引草、單葉蔓荊和濱麥同為耐沙埋植物，但由于它們分屬于不同科屬，其生物學(xué)特性不同。尤其是葉片形態(tài)和葉片在植株上分布的差異導(dǎo)致它們對(duì)沙埋處理的響應(yīng)可能會(huì)不同。如在不同厚度沙埋處理過(guò)程中，砂引草和單葉蔓荊植株上不同部位葉片分別處于不同厚度沙埋中。而濱麥的葉片為長(zhǎng)條形，在不同厚度沙埋處理中，同一葉片可分屬在不同沙埋層次中。同一葉片的不同部位經(jīng)歷著不同強(qiáng)度的沙埋，它們的生理響應(yīng)方式是否一樣，同一葉片沙埋部位和沒(méi)沙埋部位的抗逆生理變化是否有差異？另外陸地植物的根是吸收土壤水、二氧化碳和無(wú)機(jī)鹽的重要器官，沙埋是否對(duì)根代謝有影響，根是否對(duì)沙埋脅迫做出生理響應(yīng)呢?目前尚不清楚。

本文結(jié)果表明，輕度和中度沙埋后沙上葉片生長(zhǎng)加快，而沙下葉片變黃。同時(shí)伴隨著沙埋厚度增加，沙上葉片MDA含量增加、SOD和CAT活力增高、可溶性蛋白質(zhì)、脯氨酸含量增加。研究表明，沙上葉片快速生長(zhǎng)不僅與SOD和CAT活力和可溶性蛋白質(zhì)和脯氨酸含量增加相關(guān)，而且也與葉片細(xì)胞膜脂過(guò)氧化加劇相關(guān)。沙埋引起沙上葉片細(xì)胞膜脂過(guò)氧化加劇的原因是：(1)沙埋促使沙上綠色葉片光合作用強(qiáng)度增加引起氧自由基積累，因?yàn)楣夂仙锂a(chǎn)生氧氣的同時(shí)，活性氧(ROS)即作為副產(chǎn)品隨之出現(xiàn)[32]。ROS的增加導(dǎo)致膜脂過(guò)氧化程度加大和MDA含量增大。尤其是生長(zhǎng)最快的頂部葉片MDA含量最高，表明葉片頂部光合作用最強(qiáng)，這也是其葉片頂部生長(zhǎng)快的原因。(2)沙埋引起沙上葉片遭遇地面熱輻射和干旱脅迫導(dǎo)致氧自由基在葉片中積累。這是因?yàn)樯陈袷惯h(yuǎn)離地表的上部葉片接近沙表面，導(dǎo)致葉片接受的地面熱輻射增多和受干旱和熱脅迫加劇。脅迫使植物呼吸作用加劇導(dǎo)致活性氧自由基積累[32]。但是由于氧自由基產(chǎn)生與抗氧化酶活力的提高相關(guān)[14、|16]。沙埋在使沙上葉片細(xì)胞內(nèi)氧自由基積累引起膜脂過(guò)氧化加強(qiáng)和MDA含量增高的同時(shí)，也誘導(dǎo)和激活抗氧化酶保護(hù)系統(tǒng)，如提高SOD和CAT活力。而抗氧化酶可抑制細(xì)胞膜脂過(guò)氧化，維護(hù)細(xì)胞氧自由基代謝平衡，維護(hù)細(xì)胞正常代謝而使細(xì)胞生存。因此沙埋后沙上葉片通過(guò)積累的氧自由基快速激活抗氧化酶系統(tǒng)、維護(hù)氧自由基代謝平衡、保護(hù)細(xì)胞膜完整性，這可能是沙埋脅迫下，沙上綠色葉片可正常光合作用促使葉片伸長(zhǎng)生長(zhǎng)的關(guān)鍵。另外在沙上葉片MDA含量增多的同時(shí)，葉片脯氨酸和可溶性蛋白質(zhì)含量增多。由于脯氨酸的增加常常與缺水有關(guān)。沙埋在引起葉片頂部遭遇熱輻射脅迫引起葉片過(guò)度蒸騰失水的同時(shí)造成細(xì)胞干旱，它是導(dǎo)致脯氨酸積累的誘因，但脯氨酸和可溶性蛋白質(zhì)通過(guò)其滲透調(diào)節(jié)作用在防止水分丟失和維護(hù)葉片水分平衡中起重要作用。

研究還發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照同部位葉片相比，不同厚度沙埋6d沙下葉片MDA平均含量下降8%(圖2)、SOD和CAT平均活力減少15%和40%(圖3)、可溶性蛋白質(zhì)和可溶性糖下降26%和48% (圖4)。研究表明，沙埋脅迫中沙下葉片MDA含量與抗氧化酶活力及滲透調(diào)節(jié)物含量變化趨勢(shì)呈正相關(guān)。這是因?yàn)樯陈袷股诚氯~片處于低溫潮濕、 黑暗、 缺氧和CO2不足。沙下黑暗和低溫，抑制了葉片光合作用并降低了代謝速率也減小了氧自由基積累速率，同時(shí)也抑制了抗氧化酶活力的增高導(dǎo)致沙下抗氧化酶活力低于沙上。可見(jiàn)，沙下葉片維持細(xì)胞氧自由基代謝平衡和水分平衡可能是其葉片免受氧自由基傷害并支持沙上葉片頂部快速生長(zhǎng)的關(guān)鍵。另外，由于禾本科葉片是條形葉并具有縱列平行脈序，在沙埋后，沙下部分葉片無(wú)法行光合作用時(shí)，其可能起輸導(dǎo)作用，維持根到沙上葉片水分和養(yǎng)分連通體系，使沙上葉片光合作用產(chǎn)物可運(yùn)到根，和將根吸收的水分運(yùn)到沙上葉片，以維持沙埋后植株的持續(xù)生長(zhǎng)。因此沙埋后雖然沙下葉片無(wú)法繼續(xù)光合作用，但由于這部位葉片能維持氧自由基代謝平衡而不受氧自由基傷害，同時(shí)通過(guò)功能的改變和將其所含的可溶性糖運(yùn)輸?shù)缴成先~片而支持著植株沙埋后的生存。

此外，濱麥有強(qiáng)大的根莖分布于深土層，為了能了解沙埋對(duì)根的影響，本試驗(yàn)僅研究了與葉直接連接、位于淺土層的根系對(duì)沙埋的生理響應(yīng)。 研究結(jié)果表明，沒(méi)有沙埋(對(duì)照)的濱麥，同株根中MDA含量最低(圖2)，SOD和CAT活力和可溶性蛋白質(zhì)含量也最低(圖3， 圖4)，只有根中脯氨酸和可溶性糖含量較高(圖4)，根部各生理指標(biāo)與葉片差異顯著(P<0.05)。這主要源于葉片和根生活在不同環(huán)境。根生活在土壤溫差相對(duì)較小，水分較高導(dǎo)致根中氧自由基積累較少而MDA含量較低。在不同厚度沙埋處理6 d，根中MDA和可溶性蛋白質(zhì)含量、CAT活力均變化不顯著。而不同厚度沙埋卻使根中POD和SOD活力和可溶性糖含量小幅下降，但仍與葉差異顯著(P<0.05)。這可能是沙埋僅改變著葉生活環(huán)境，而沒(méi)有改變根環(huán)境。沙埋后根中可溶性糖含量下降可能與沙下葉片失去光合作用能力使向根輸送的可溶性糖減少，或根中呼吸強(qiáng)度加大消耗所致。可見(jiàn)，由于根的代謝、結(jié)構(gòu)、環(huán)境與葉不同，使得根細(xì)胞可在較低的膜脂過(guò)氧化水平下生活，尤其在沙埋后根細(xì)胞仍維持較低的MDA含量，根系維護(hù)氧自由基代謝平衡可能是濱麥耐沙埋持續(xù)生長(zhǎng)的源泉。另外，根莖是繁殖器官和儲(chǔ)存器官，不同程度沙埋不僅沒(méi)有影響根代謝和再生能力，而且海岸頻繁的沙埋反而促進(jìn)根莖上芽生長(zhǎng)，這也許就是濱麥能在海岸前丘形成單一種群的原因。

4 結(jié)論

生長(zhǎng)在海岸前丘沙地的濱麥，其條形葉片在不同厚度沙埋過(guò)程中，分屬在不同沙埋厚度中，經(jīng)過(guò)6 d沙埋處理，沙上葉片生長(zhǎng)加速,由于沙上熱輻射使沙上葉片，尤其是葉片頂部積累氧自由基導(dǎo)致膜脂過(guò)氧化加劇，同時(shí)也激活抗氧化酶(SOD和CAT)和增加滲透調(diào)劑物(可溶性蛋白質(zhì)和脯氨酸)含量，抑制膜脂過(guò)氧化維護(hù)細(xì)胞氧自由基代謝平衡。 而沙下葉片由于處于黑暗環(huán)境而變黃，葉片膜脂過(guò)氧化水平降低，同時(shí)還伴隨抗氧化酶活力和滲透調(diào)節(jié)物含量的降低，葉片功能轉(zhuǎn)變?yōu)檩攲?dǎo)系統(tǒng)支持沙上葉片的生長(zhǎng)。同時(shí)由于沙埋沒(méi)有影響到根，因而根細(xì)胞一直維持著低的膜脂過(guò)氧化水平和抗氧化酶活力。因此，不同厚度沙埋過(guò)程中濱麥葉片和根作為一個(gè)整體，維護(hù)細(xì)胞氧自由基代謝平衡和水分平衡、迅速適應(yīng)沙埋環(huán)境調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)分配、保護(hù)強(qiáng)大的根莖可能是其適應(yīng)海岸頻發(fā)沙埋的重要生理和生存策略。由于植物對(duì)脅迫的適應(yīng)性反應(yīng)是一個(gè)非常復(fù)雜的綜合反應(yīng)。至于濱麥適應(yīng)沙埋的基因調(diào)控機(jī)制還有待于繼續(xù)探索，因?yàn)檫@有助于作物和樹(shù)木的抗風(fēng)沙育種。

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Analysis of the different physiological responses ofLeymusmollis(Trin.) Hara leaves and roots to sand burial on the coast of Yantai, China

ZHOU Ruilian*, ZHAO Yanhong, YANG Runya, ZUO Jincheng, HOU Yueli, ZHOU Binbin

SchoolofLifeScience,LudongUniversity,Yantai264025,China

In this study, we tested the physiological responses ofLeymusmollis(Trin.) leaves and roots to sand burial on the Yantai coast of China to understand the biochemical and physiological adaptive mechanisms of this species to sand burial. Based on the height ofL.mollis(about 40 cm) four levels of sand burial treatments were set up: no-sand burial (control), light sand burial (1/4 plant height), moderate sand burial (1/2 plant height), and severe sand burial (3/4 plant height). After 6 days of sand burial, samples were taken from the leaves and roots of plants in each treatment. Changes in malonaldehyde (MDA) content, an osmotic regulator, in addition to antioxidant enzymes superoxide dismutase (SOD), peroxidase (POD), and catalase (CAT) activity, were measured in the leaves above and below the sand and in the roots at various depths. Plants under light and moderate sand-burial grew fast until they protruded from the sand, becoming taller than control plants after 6 days. Compared to the control, the average MDA content increased in whole leaves under light and moderate sand burial, but and decreased in leaves subject to severe sand burial. In all three sand burial treatments, SOD activity and proline content increased in whole leaves, whereas CAT activity and soluble sugar and soluble protein contents decreased. In all three burial treatments, MDA, proline, and soluble protein content increased in leaves above the sand, along with SOD and CAT activity, especially in the top section of the leaves. In contrast, MDA, soluble sugar, and soluble protein content, in addition to CAT activity, decreased in the leaves beneath the sand. This resulted in significant differences in MDA, proline, soluble sugar, and soluble protein content, in addition to SOD and CAT activity, between leaves above and below the sand (P< 0.05). Compared to above ground leaves, underground roots had lower MDA and soluble protein content, in addition to lower SOD and CAT activity, but higher POD activity and soluble sugar content. After 6 days of sand burial, there was a small change in MDA and soluble sugar content, with soluble sugar content and CAT, POD, and SOD content slightly decreasing in the roots. On the same plant, leaves above ground had significantly higher (P<0.05) MDA and soluble protein content, along with higher CAT and SOD activity, than the underground roots. This result indicates that sand burial had a greater effect on the aboveground structures (branches and leaves) above ground compared to the underground structures. Sand-burial caused the accumulation of oxygen free radicals in the cells, which induced lipid peroxidation and activated the antioxidant enzymatic protection system to scavenge oxygen free radicals and maintain the metabolic balance of oxygen free radicals. This action also promoted osmotic adjustments to maintain the balance of water metabolism and provide energy and nutrition. Thus, under sand burial, it may be important to enhance cell antioxidant and osmotic adjustment capacity rapidly to maintain the balance of oxygen free radical metabolism and metabolic water balance, a key physiological regulation strategy forL.mollisfor sand burial adaptation. Moreover, the root system was not affected by the different levels of sand burial, and continued to sustain lower levels of lipid peroxidation, allowing the roots to maintain normal functions of water suction and transportation, and to support the fast growth of leaves out of the sand.

Leymusmollis; coast; leaves and roots; sand burial; physiological response

煙臺(tái)市科技局資助課題(2013ZH351)；國(guó)家973課題(2009CB421303)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (30972422)

2013- 12- 17;

日期:2015- 04- 14

10.5846/stxb201312172966

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhourl726@163.com

周瑞蓮，趙彥宏，楊潤(rùn)亞，左進(jìn)城，候月立，周彬彬.海濱濱麥葉片和根對(duì)不同厚度沙埋的生理響應(yīng)差異分析.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(21):7080- 7088.

Zhou R L, Zhao Y H, Yang R Y, Zuo J C, Hou Y L, Zhou B B.Analysis of the different physiological responses ofLeymusmollis(Trin.) Hara leaves and roots to sand burial on the coast of Yantai, China.Acta Ecologica Sinica,2015,35(21):7080- 7088.