半干旱區兩種草原類型植物體內草酸鈣研究

李夢琦， 何興東*， 楊祥祥， 丁新峰， 趙月丹， 高玉葆，尤萬學， 余 殿， 蔡 莉

(1. 南開大學生命科學學院， 天津 300071； 2. 寧夏哈巴湖國家級自然保護區管理局， 寧夏 751501)

草酸鈣是植物體內鈣的一種生物礦化形式[1-2]，廣泛分布于植物不同組織及器官中[2-3]。在藻類、低等維管植物、裸子植物和被子植物中，均發現草酸鈣晶體的沉積，其中以高等植物體內含量最為豐富[4-6]。草酸鈣在植物中主要是以一水草酸鈣(CaC2O4·H2O，COM，單斜晶系)的形式存在，以二水草酸鈣(CaC2O4·2H2O，COD，四方晶系)形式存在的數量極少且不穩定[4,7]。草酸鈣晶體的形態和大小各異，常見的晶體形態包括針晶體、柱狀晶、多種形狀的棱柱晶、晶體砂和晶簇5類[6-8]。草酸鈣晶體通常在植物組織里一種特化細胞的液泡中聚積，這種細胞被稱為含晶異細胞(crystal idioblast)[7-9]，可簡稱含晶細胞或者晶異細胞。

植物體內草酸鈣晶體是由內源合成的草酸和外源吸收的鈣離子(Ca2+)共同反應形成的產物，這一過程并不是簡單的化學沉淀，而是由嚴格的遺傳調控的[10]。草酸鈣晶體具有一定的形態特征，可能與植物的防御、保護有關[5]。晶體的形成能夠抵御昆蟲、牲畜等的取食[9-12]。此外，草酸鈣晶體的形成也是一種鈣調節機制[13]。草酸鈣是提供細胞Ca2+的臨時“鈣庫”，在維持胞內外Ca2+平衡、提高植物抗逆性及維持細胞在逆境條件下的正常生長發育等方面擔負著重要作用[14]。盡管鈣離子對植物的生長發育非常重要，但是高濃度的游離鈣離子對細胞是有毒害的，草酸鈣的沉淀可以消除過量的游離鈣離子，并且將鈣貯藏，以備不時之需[15]。針晶體的形成既和Ca2+調節有關，又與植物防御有關，而晶簇(球形)的形成只和Ca2+調節有關，且晶簇的形成隨Ca2+水平波動[10]。含晶細胞有較高的滲透勢，在外界環境水分狀況較好和導管中水分輸導良好時，它們吸收并貯存水分；當外界環境干旱缺水時，導管中水分輸導受阻，不能正常供給植物體內各部分對水分的需求時，它們可為周邊細胞提供一個較為濕潤的小環境，從而提高植物的抗旱性[10]。草酸鈣還參與重金屬脫毒的過程[5,16]。微量的鋁就能抑制根的生長，影響植物獲得水分和養料，而植物體內草酸鈣晶體可以和鋁結合，草酸也可以和鋁螯合形成無毒的草酸鋁[5]，從而減輕毒害。草酸鈣其他功能還有光的聚集反射和組織支持等[4,10,17-18]。綜上所述，植物草酸鈣具有重要的生態學意義。

以往植物體內草酸鈣的測定都是采用顯微技術觀察晶體[2,8,13]，很少用化學方法測定不同植物體內草酸鈣的含量，相對而言，用化學方法測定更簡便快捷。本研究用鈣測定的連續組分法[19-20]測定了寧夏鹽池北部的寧夏哈巴湖國家級自然保護區(植被為荒漠化草原)和內蒙古正藍旗中北部(植被為典型草原)植物體內的草酸鈣，旨在服務于植物的抗逆生理和受損植被的恢復研究。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

實驗植物樣品采自半干旱區兩個草原植被帶，即寧夏鹽池縣北部的寧夏哈巴湖國家自然保護區和內蒙古正藍旗中北部的桑根達來東南部。寧夏鹽池縣寧夏哈巴湖國家自然保護區屬荒漠化草原帶，經緯度106°53′11″～107°38′10″ E，37°38′36″～38°02′00″ N，海拔1 300～1 622 m，年均氣溫7.7℃，年均降水量296.5 mm，年均蒸發量2 131.7 mm；土壤屬流動風沙土、半固定風沙土和固定風沙土，植物群落主要為生長在流動、半固定和固定沙地的沙柳(Salixpsammophila)群落和油蒿(Artemisiaordosica)群落，主要植物有沙柳、油蒿、蟲實(Corispermumdeclinatum)、黃蒿(A.scoparia)、阿爾泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)、地稍瓜(Cynanchumthesioides)、白草(Pennisetumcentrasiaticum)、長芒草(Stipabungeana)、賴草(Aneurolepidiumdasystachys)、華灰早熟禾(Poasinoglauca)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、苦豆子(Sophoraalopecuroides)、沙地旋復花(Inulasalsoloides)、草木樨狀黃芪(Astragalusmelilotoides)、披針葉黃華(Thermopsislanceolata)和楊柴(Hedysarummongolicum)等。內蒙古正藍旗屬典型草原帶，經緯度115°00′～116°43′ E，41°56′～43°07′ N，海拔1 300～1 600 m，年均氣溫1.5℃，年均降水量370.7 mm，年均蒸發量1 931.4 mm。土壤屬栗鈣土、淡栗鈣土和固定風沙土，植物群落主要為克氏針茅(Stipakrylovii)群落、羊草(Leymuschinense)群落、榆樹(Ulmuspumila)群落和小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)群落，主要植物有克氏針茅、羊草、榆樹、小葉錦雞兒、狼毒(Stellerachamaejasme)、黃囊苔(Carexkorshinskyi)、糙隱子草、展枝唐松草(Thalictrumsquarrosum)、麻花頭(Serratulachinensis)、地榆(Sanguisorbaofficinalis)、達烏里龍膽(Gentianadahurica)、星毛委陵菜(Potentillaacaulis)、菊葉委陵菜(Potentillatanacetifolia)、北蕓香(Haplophyllumdauricum)、大花飛燕草(Delphiniumgrandiflorum)和叉分蓼(Polygonumdivaricatum)等。

1.2 實驗方法

1.2.1樣品采集 2016年7月在寧夏鹽池縣境內的寧夏哈巴湖國家級自然保護區采集91種植物，2017年7月在內蒙古正藍旗桑根達來采集77種植物。每種植物分別選擇3株，每種采集葉3～5 g，裝于紙袋中，帶回實驗室。在實驗室，將植物樣陰干，兩個月后用于草酸鈣含量測定。

1.2.2草酸鈣含量測定 根據本實驗室之前研究中摸索得出的方法，每種植物樣品稱取2份，每份質量在0.01～0.02 g，置于2個研缽中，分別加入1 mL的1. 05 mol·L-1稀醋酸和1 mL的1 mol·L-1稀鹽酸，研磨成勻漿，轉移到7 mL的離心管中；再分別加入相應溶液4 mL沖洗，轉入離心管；7 000 rpm離心15 min，得到的上清液即為提取液。在2個50 mL的錐形瓶中分別加入0.94 mL和0.91 mL的4 mol·L-1NaOH，再分別加入去離子水1.06 mL和1.09 mL，然后均加入3 mL提取液和3 mL三乙醇胺(1：2水溶液)。在配好的溶液中加入鈣羧酸指示劑0.08 g，用標定好的EDTA溶液滴定，當溶液的顏色由紫紅色變為亮藍色時停止滴定，記錄滴定液的體積。草酸鈣含量的計算公式為：草酸鈣含量/mg·g-1=

式中：CEDTA為EDTA溶液的濃度，V"EDTA為鹽酸處理組所用EDTA的體積，m"為鹽酸處理組的樣品質量，V＇EDTA為醋酸處理組所用EDTA的體積，m＇為醋酸處理組的樣品質量。

1.3 數據分析

根據相關參考文獻[21,24]，對兩地植物所屬光合途徑類型進行統計。用SPSS 22.0軟件對兩地禾本科草本和非禾本科草本草酸鈣含量之間的差異以及C3植物和C4植物草酸鈣含量之間的差異進行獨立樣本t檢驗，用Excel 2016作圖。

2 結果與分析

2.1 寧夏哈巴湖自然保護區和內蒙古正藍旗采集植物葉草酸鈣

在寧夏哈巴湖國家級自然保護區，草酸鈣含量最高的植物是豬毛菜(Salsolacollina)(105.77 g·kg-1)、沙蓬(Agriophyllumsquarrosum)(94.28 g·kg-1)、尖頭葉藜(Chenopodiumacuminatum)(75.49 g·kg-1)、草原石頭花(Gypsophiladavurica)(73.92 g·kg-1)、蟲實(Corispermumdeclinatum)(63.28 g·kg-1)，草酸鈣含量最低的植物是沙鞭(Psammochloavillosa)(0.90 g·kg-1)和長芒草(Stipabungeana)(1.19 g·kg-1)(表1)。

在內蒙古正藍旗桑根達來，草酸鈣含量最高的植物是灰綠藜(Chenopodiumglaucum)(84.87 g·kg-1)、豬毛菜(61.10 g·kg-1)、堿地膚(Kochiascopariavar.sieversiana)(50.90 g·kg-1)，草酸鈣含量最低的植物是糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)(0.65 g·kg-1)、阿爾泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)(1.23 g·kg-1)、披針葉黃華(Thermopsislanceolata)(1.30 g·kg-1)、苦荬菜(Ixerisdenticulata)(1.48 g·kg-1)(表1)。

2.2 C3植物和C4植物體內草酸鈣含量比較

在寧夏哈巴湖國家級自然保護區，所采集到的C4植物有豬毛菜、沙蓬、尖頭葉藜、白草(Pennisetumcentrasiaticum)、堿地膚、霧冰藜(Bassiadasyphylla)、中亞濱藜(Atriplexcentralasiatica)、蒺藜(Tribulusterrester)、虎尾草(Chlorisvirgata)和糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)；在內蒙古正藍旗，所采集到的C4植物有灰綠藜、豬毛菜、堿地膚、木地膚(K.prostrata)、白草、狗尾草(Setariaviridis)、大籽蒿(Artemisiasieversiana)、展枝唐松草(Thalictrumsquarrosum)和糙隱子草；除了哈巴湖自然保護區的地木耳(Nostoccommune)和發菜(N.communevar.flagelliforme)，兩地其他植物均為C3植物。統計結果表明，兩地C4植物的草酸鈣含量均顯著高于C3植物的草酸鈣含量(P<0.05)(圖1)。

2.3 兩地禾本科草本和非禾本科草本體內草酸鈣含量對比

哈巴湖自然保護區的樣地為荒漠化草原，正藍旗的樣地為典型草原，兩地植被都是以草本為主。禾本科和非禾本科植物草酸鈣含量統計結果表明，在哈巴湖自然保護區和正藍旗，非禾本科草本植物的草酸鈣含量均顯著高于禾本科草本(P<0.05)，而兩地間的差異不顯著(圖2)。

表1 半干旱區草原帶兩地植物體內草酸鈣含量Table 1 Contents of calcium oxalate in plants of both vegetation zones in semi-arid area

續表1

圖1 寧夏哈巴湖和內蒙古正藍旗兩地C3植物和C4植物草酸鈣含量比較Fig.1 Comparison of calcium oxalate contents between C3 plants and C4 plants for the Ningxia Habahu National Nature Reserve and Zhenglan Qi County of Inner Mongolia注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同Note:Different lowercase letters indicate significant difference at the 0.05 level,the same as below

圖2 寧夏哈巴湖和內蒙古正藍旗兩地禾本科草本和非禾本科草本草酸鈣含量比較Fig. 2 Comparison of calcium oxalate contents between grass and herb in the Ningxia Habahu National Nature Reserve and Zhenglan banner of Inner Mongolia

3 討論

植物草酸鈣具有顯著的鈣庫功能和植物抗逆與植物防御功能[4,7,9]。草酸鈣含晶細胞多集中在沙生、旱生植物的葉和軸器官中，被認為是荒漠植物抗旱結構特征之一[10]。積累草酸鈣的晶異細胞具有較高的滲透勢，在水分狀況好時吸收貯存水分，在干旱的時候可以給周邊細胞提供較為濕潤的小環境，增強抗旱性[10]。嚴巧娣等對幾種荒漠植物含晶細胞比較的研究表明[8]，草酸鈣晶體主要在柵欄組織、貯水組織和維管束中出現，而這正是Ca2+從土壤到根、莖、葉的運輸通道，這一點也印證了草酸鈣晶體增強抗旱性的作用。本研究結果表明，寧夏哈巴湖和內蒙古正藍旗的沙生植物(如豬毛菜、沙蓬、蟲實、霧冰藜、尖頭葉藜)、旱生植物(如駝絨藜、駱駝蓬、荒漠錦雞兒、草原石頭花)和鹽生植物(如堿地膚、白刺)草酸鈣含量相對較高。這些植物都對干旱或鹽堿環境的適應力很強，它們體內積累的草酸鈣也許是使其能夠適應或抵抗不良環境的原因之一，這說明草酸鈣的積累是植物適應環境的一種方式。一般來說，降水越少，水分條件越差，植物抗旱性越強[25-27]。寧夏哈巴湖降水相對內蒙古正藍旗較少，哈巴湖年均降水量296.5 mm，正藍旗年均降水量370.7 mm，哈巴湖植物草酸鈣含量最高的前十個值都比正藍旗相應值要高。顯然，生境越干旱，植物體內草酸鈣含量會越高。因此，可以認為，草酸鈣含量越高，植物抗脅迫能力越強。

值得指出的是，植物體內草酸鈣含量影響草本植物被牲畜取食的適口性。草酸鈣的形成對于某些植物來說似乎是一種誘導的防御反應[16]。Ward等[28]研究表明，全能花屬植物Pancratiumsickenbergeri只有葉片的尖端會遭到瞪羚(Gazelladorcas)啃食，而葉片尖端正是整個葉片中唯一沒有草酸鈣針晶的部分。Nakata發現，植物Tragiaramosa的刺毛里有草酸鈣針狀晶體，當動物接觸時，這些晶體釋放，刺穿動物表皮，甚至注入毒素，影響動物取食，起到自我保護的效果[29]。本研究結果表明，同屬半干旱區草原帶的寧夏哈巴湖和內蒙古正藍旗，均是禾本科草本的草酸鈣含量顯著低于非禾本科草本。在荒漠化草原帶的寧夏哈巴湖，禾本科草本的草酸鈣含量比非禾本科草本低56.37%；在典型草原帶的內蒙古正藍旗，禾本科草本的草酸鈣含量比非禾本科草本低45.29%。在正藍旗，即使是禾本科草本植物，牲畜適口性好的糙隱子草、羊草、洽草、冰草、賴草等體內草酸鈣含量很低，它們的草酸鈣含量分別是大針茅的5%，44%，48%，49%，51%，因此，在夏季牲畜不喜吃大針茅，而在冬季沒草了牲畜才吃大針茅，因而，大針茅表現出一定的耐牧性[30]。一般而言，牲畜較喜歡啃食禾本科植物，而禾本科植物體內草酸鈣含量較少，可見，草原植物體內的草酸鈣含量越多，對于草食動物來說適口性越差。

本研究結果表明，在寧夏哈巴湖國家級自然保護區和內蒙古正藍旗，C3植物體內草酸鈣含量相對較低，而C4植物體內草酸鈣含量相對較高。一般而言，陸地植被是由約95%的C3植物和5%的C4植物組成，而C4植物水分利用效率高于C3植物，CAM(Crassulacean acid metabolism景天酸代謝)植物具有最高的水分利用效率[24]。顯然，C3植物和C4植物光合途徑是植物長期適應自然的結果，草酸鈣含量的差異也是植物長期適應自然的結果。

在騰格里沙漠，多年生草本草酸鈣含量較低，一年生草本顯著偏高[19]。徐靜靜等[20]研究表明，在天津鹽漬化生境中，從喬木、灌木、藤本到草本，植物體內鹽酸溶性鈣含量逐漸減少，草本植物鵝絨藤(Cynanchumchinense)和芍藥(Paeonialactiflora)體內未鏡檢到草酸鈣晶體。本研究結果表明，多種一年生的藜科植物的草酸鈣含量較高。這個結果和先前的研究并沒有本質上的不同。禾本科植物抵御干旱逆境的機理研究其實多偏重基因角度。而從形態上看，為了應對干旱脅迫，禾本科草本會通過葉片萎蔫、卷曲等方式減少蒸發面積，通過增加維管束，加厚表皮細胞角質層，增加細根量等保證植物體內水分和營養物質的運輸[31]。比起形成草酸鈣晶體，禾本科植物似乎更傾向于選擇形態變化，或者吸收Ca2+來抵抗輕度脅迫，這也是與長年生活于干旱或鹽堿土地的藜科等植物不同的應對策略。

4 結論

在半干旱區的寧夏哈巴湖國家級自然保護區和內蒙古正藍旗，禾本科草本草酸鈣含量顯著低于非禾本科草本，牲畜相對更喜取食禾本科植物，顯然，草酸鈣含量的增多降低了植物被牲畜獵食的適口性，影響草食動物的取食。兩地C3植物體內草酸鈣含量均顯著低于C4植物體內草酸鈣含量。可見，草原植物體內草酸鈣含量的多少是其長期進化適應環境的結果。兩個草原類型間植物草酸鈣含量沒有顯著差異，可以推測同在半干旱區的不同草原類型可能有相似的生理特征。