西沙群島草海桐的抗逆生物學特性

徐貝貝 劉楠 任海 王馨慧 劉念 簡曙光

摘 要：熱帶珊瑚島由于光照強、季節性干旱明顯、土壤貧瘠、保水能力差而少有植物生長。草海桐（Scaevola sericea）是一種典型的熱帶濱海植物，是西沙群島珊瑚島植被中的主要建群種，在海島和海岸帶防風固沙及植被生態恢復等方面發揮著重要作用。該研究對西沙群島自然環境下草海桐的形態解剖學特征、抗氧化能力、抗逆性物質含量及營養元素含量等進行了研究。結果表明：草海桐具有陽生性植物特征，葉片及上表皮厚、氣孔密度小、導管直徑及水力導管直徑大，有利于其適應珊瑚島干旱環境;其體內的超氧化物歧化酶和過氧化氫酶活性與其他受脅迫植物相比較要高，脫落酸含量也較高，表明草海桐對珊瑚島環境具有較強的適應性及抗逆性;其根際土壤養分含量偏低，但植物體內營養元素含量卻較高，表明草海桐對土壤養分的利用效率高。這說明草海桐能夠很好地適應干旱、貧瘠的珊瑚砂環境，具有較強的抗逆及適應能力。

關鍵詞：草海桐，形態解剖特征，抗逆性，營養元素

中圖分類號：Q948

文獻標識碼：A

文章編號：1000-3142（2018）10-1277-09

Abstract：There are few plants in tropical coral islands because of hard light，obvious seasonal drought，barren soil and poor water retention capacity of soil. As a typical coastal plant species and the main constructive species of coral island vegetation in Paracel Islands，Scaevola sericea plays important roles in sand-fixation，wind resistance and ecological restoration on the vegetation of islands and coastal zones. In this study，we analyzed the morphological and anatomical characteristics，antioxidant capacity，resistant substance contents and nutrient compositions of S. sericea growing in the natural habitat in Paracel Islands. The results showed that S. sericea was a heliophyte with thick leaf and epicuticle，low stomatal density and large vessel diameter and hydraulically weighted vessel diameter，which helps S. sericea adapt to the drought，high temperature and intense light irradiation. The activities of superoxide dismutase and catalase were higher than those of other plants under stress，and the high content of abscisic acid in the leaves revealed that S. sericea had strong adaptability and resistance. The contents of nutrient elements in the leaves of S. sericea were higher than those in rhizosphere soil，indicating that S. sericea has strong stress resistance and good adaptability to the arid and barren environment.

Key words：Scaevola sericea，morphological and anatomical characteristics，resistance，nutrient element

草海桐（Scaevola sericea），又稱羊角樹、水草仔、細葉水草，是草海桐科（Goodeniceae）草海桐屬（Scaevola L.）多年生常綠亞灌木植物，偶為小喬木，為典型的濱海植物。草海桐主要分布于日本（琉球）、馬達加斯加、東南亞、夏威夷、大洋洲熱帶、密克羅尼西亞;在我國主要分布于廣東、海南、福建、臺灣等地區（郭艷等，2016）。通常生長在濱海開闊的砂地或海岸峭壁上。草海桐莖直立或鋪散，枝中空，有時枝上生根，光滑無毛，葉腋處密生白色須毛。葉片稍肉質，螺旋狀排列，大部分集中于分枝頂端，頗像海桐花，無柄或具短柄，匙形至倒卵形，長10～22 cm，寬4～8 cm，基部楔形，頂端圓鈍，平截或微凹，全緣或邊緣波狀，無毛或背面有疏柔毛。聚傘花序腋生，長1.5～3 cm，基部有長須毛;花梗與花之間有關節;花萼無毛，筒部倒卵狀，裂片條狀披針形，長2.5 mm;花冠白色或淡黃色，長約2 cm，筒部細長，后方開裂至基部，花柱從裂處伸出，花瓣邊緣疏生不規則緣毛。果實為卵球狀核果，白色，兩條徑向溝槽將果實分為2爿，2室，每室有一粒種子。花果期4—12月（中國植物志，2004）。草海桐花型獨特，樹形優美，可作園林觀賞植物進行開發，并且生長迅速，有極強的適應性，也可作為海島與海岸帶防風固沙植被的備選樹種（圖1）。草海桐還含有多種次生代謝產物，具有重要的藥用價值，可以治療白內障、胃病、鱗狀皮膚癬、刀傷及動物咬傷，并有改善眼部疼痛、避孕等功能（李敏等，2015）。

目前，對濱海植物的生態生物學特性已有一些研究（王瑞江和任海，2017），對草海桐的研究主要集中于功能基因的發掘（郭艷等，2016）、化學成分及抑菌活性（李敏等，2015）、繁育及種植技術（王瑾，2015）、系統進化位置（粟米等，2016）等方面。但是，尚缺乏對草海桐在原生環境下的抗逆生物學特性的研究，這就限制了該物種的開發利用。本研究以西沙群島的野生草海桐為對象，對其形態解剖學特征、抗氧化能力、抗逆性物質含量以及營養元素含量等生態、生物學特性進行了測定和分析，以期為其引種馴化以及開發利用提供一定的基礎資料。

1 材料與方法

1.1 材料和研究地概況

草海桐材料采自西沙群島的東島。東島位于我國海南省三沙市西沙群島的東部，地理位置為112°43′—112°45′ E，16°39′—16°41′ N，屬熱帶珊瑚島，由上升礁及珊瑚、貝殼沙堆積而成。東島屬于熱帶海洋季風性氣候，年平均氣溫26～27 ℃，熱量充足，日照時數長，蒸發量大;雨量充沛，年降雨量在1 500 mm左右，6—11月為雨季，降水多以暴雨形式，降雨量達到了全年降雨量的87%，12月至次年5月干旱少雨，溫度相對較低，干濕季分明，季節性干旱現象明顯（劉曉東等，2005）。東島的土壤主要為第四紀的珊瑚、貝殼類形成的碎砂和鳥糞發育而成的富含鈣和磷質的石灰土和濱海鹽土（邢福武等，1993），保水能力差。

東島是西沙群島第二大島，由于較少受到人類活動干擾，是西沙群島中植被最好的島嶼，植被覆蓋率高達90%，群落類型和植物種類（基本為野生種類）多，優勢種主要為白避霜花（Pisonia grandis）、草海桐、海岸桐（Guettarda speciosa）、銀毛樹（Tournefortia argentea）等（童毅等，2003）。草海桐生長旺盛，主要分布在東島海邊的沙堤上，呈單一物種群落，或與銀毛樹、長管牽牛（Ipomoea tuba）等植物混生（劉曉東等，2005）。

1.2 研究方法

2016年6月在西沙群島東島選取了5株原生境下健康的草海桐作為研究對象，采集生長發育良好的成熟葉片和枝條，帶回實驗室后進行各項指標的測定，并采集植物根際土壤（0～20 cm）測定理化性質。

1.2.1 形態解剖學特征

1.2.1.1 葉片解剖結構 采用常規方法制作葉片切片（梁彥等，2007），在顯微鏡下觀測葉片厚度、柵欄組織和海綿組織的厚度，測量氣孔的大小和密度，計算氣孔面積指數。氣孔面積指數=氣孔密度×（保衛細胞）2。

1.2.1.2 枝條解剖結構 制作枝條橫切面的徒手切片，測量視野內導管的數目和大小，計算導管管腔直徑、導管密度和水力導管直徑。水力導管直徑（hydraulically weighted vessel diameter）=（∑D4/N）1/4。式中，N指導管數量，D指導管直徑。

1.2.1.3 比葉面積（SLA）的測定 先用LI-3000葉面積儀測量植物葉片面積（LA）和鮮重（FW），然后烘干測定干重（DW）。計算比葉面積（SLA）=LA/DW（Gower et al，1999）。計算葉片干物質含量（LDMC）=DW/FW。計算葉片密度（LD）=1/[SLA×葉片厚度]（Zhang et al，2012）。

1.2.2 抗氧化酶活性及抗逆性物質含量的測定

1.2.2.1 抗氧化酶活性的測定 超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮藍四唑法測定。稱取0.5 g新鮮葉片，加入1.5 mL 磷酸緩沖液（pH7.8）和少量石英砂，冰浴研磨成勻漿，轉入離心管中10 000 ×g冷凍離心30 min，取上清液進行酶活性測定。通過黃嘌呤及黃嘌呤氧化酶反應系統產生超氧陰離子，可將氮藍四唑（NBT）還原生成藍色的甲臜，讀取甲臜在560 nm處的吸光值。以在反應體系中抑制百分率為50%時為一個酶活力單位（U·g-1）（鄒琦，2000）。

過氧化氫酶（CAT）活性采用紫外吸收法測定。稱取0.5 g新鮮葉片，加入1.5 mL 4 ℃預冷的磷酸緩沖液（pH7.0）和少量石英砂研磨成勻漿，25 mL容量瓶定容后于4 ℃冰箱中靜置10 min，取上清液10 000 ×g離心10 min，取上清液進行酶活性測定。過氧化氫（H2O2）在240 nm波長下有吸收峰，CAT能分解過氧化氫，可以根據反應溶液的吸光度變化值測定CAT的活性。以每克組織每分鐘催化1 nmol H2O2降解為一個酶活力單位（U·g-1鮮重）（鄒琦，2000）。

過氧化物酶（POD）活性采用愈創木酚顯色法測定。取0.5 g新鮮葉片加入1.5 mL 磷酸緩沖液于預冷的研缽中研磨成勻漿，10 000 ×g離心10 min，上清液轉入100 mL容量瓶中定容，用于酶活性的測定。POD催化過氧化氫氧化愈創木酚生成的產物在470 nm處有最大光吸收。以每分鐘內A470值變化0.5為一個酶活力單位（U·g-1鮮重）（蔡慶生，2013）。

植物總抗氧化能力（T-AOC）采用鐵離子還原/抗氧化力測定法（FRAP法）測定。取0.5 g新鮮葉片，加入5 mL蒸餾水研磨，稍沉淀后取3 mL于離心管中10 000 ×g 4 ℃離心10 min，取上清液用于抗氧化能力測定。酸性條件下，Fe3+-三吡啶三吖嗪（TPTZ）可以被還原為Fe2+-TPTZ，呈藍色，且在593 nm處有最大吸收值。藍色物質的生成量可反映總抗氧化能力（蔡慶生，2013）。

1.2.2.2 脯氨酸（Pro）含量 采用酸性茚三酮染色法測定。取0.5 g新鮮葉片，加入5 mL 3%的磺基水楊酸溶液，沸水浴提取10 min，冷卻后過濾，用所得濾液進行Pro含量的測定。在酸性條件下與茚三酮反應生成的紅色化合物在520 nm處有最大吸收峰。在一定范圍內，Pro濃度與其吸光度成正比，可以從標準曲線查出Pro含量（蔡慶生，2013）。

1.2.2.3 脫落酸（ABA）含量 采用高效液相色譜（HPLC）法測定。取新鮮葉片0.5 g加入80%冷甲醛研磨勻漿，4 ℃過夜，殘渣用甲醛提取三次，濾液于50 ℃減壓濃縮，蒸發甲醛，水相調至pH為8后，用石油醚萃取，再將水相pH調至3，用乙醚萃取后蒸干。用乙酸乙酯溶后用薄層色譜（TLC）分離純化。純化后的樣品用甲醇定容后進行檢測。樣品在254 nm處的吸光值，可轉換為ABA含量（李秉真等，1992）。

1.2.3 葉片營養元素含量及土壤理化性質 將野外采集的樣品置于烘箱中65 ℃烘干，然后磨碎過篩，采用重鉻酸鉀-硫酸氧化法測定草海桐葉片中的碳含量，靛酚藍比色法測定氮含量，鉬銻抗比色法測定磷含量（Cornelissen et al，2003）。

在每個樣地隨機選取4～5個采樣點，采集0～20 cm表層土，混合為一個樣品并裝入密封袋保存。將樣品帶回實驗室后用剔除植物殘體、根系等異物，過2 mm孔徑篩，于室溫下自然風干，進行理化性質的測定。

1.3 數據統計與分析

數據整理和圖表均采用Excel 2016軟件進行。

2 結果與分析

2.1 形態解剖學特征

草海桐的形態解剖學特征如圖2和表1所示。從圖2可以看出，其葉肉內柵欄組織厚度一般，海綿組織較柵欄組織發達，有明顯的分化，屬于異面葉，柵欄組織/海綿組織比值為0.252。草海桐的葉片厚度、上表皮厚度、比葉面積分別為316.868 μm、30.128 μm、138.723 cm2·g-1，葉片厚。氣孔保衛細胞長及氣孔密度分別為26.382 μm、215.556 n·mm-2，氣孔大而少。枝條中導管直徑、導管密度分別為46.177 μm、37.548 n·mm-2，導管大且水力導管直徑達29.728 μm，枝條水力導管直徑大。

2.2 抗氧化酶活性及抗逆性物質含量

草海桐葉片抗氧化酶活性以及各種抗逆性物質的含量如表2所示。從表2可以看出，草海桐的SOD活性、CAT活性以及T-AOC均較高，分別為326.474、236.338、328.186 U·g-1，而POD活性卻一般，僅有6.127 U·g-1，ABA含量也較高，為153.994 μg·g-1，Pro含量相對較高，為109.506 μg·g-1。

2.3 葉片營養物質含量及土壤理化性質

草海桐的營養物質含量如表3所示。從表3可以看出，葉片中有機碳含量較高，達到了467.878 g·kg-1，全氮及全磷含量分別為19.556、2.197 g·kg-1。草海桐葉片碳氮比及碳磷比達到23.925、212.962，氮磷比僅為8.901。

草海桐根際土壤理化性質如表4所示。從表4可以看出，含水量較低，僅有7.08%，有機碳、全磷、全氮含量分別為3.277%、1.178 mg·kg-1、0.118 mg·kg-1，有機碳含量較高。pH值為8.017，呈微堿性。土壤中鈣、鎂含量較其他元素高，分別為72.447、8.430 g·kg-1，而銅含量最低，為24.396 mg·kg-1。

3 討論與結論

3.1 形態解剖學特征

植物在干旱環境中會由于蒸騰作用過多而導致水分虧缺，較厚的葉片可以在一定程度上減少強光造成的傷害，降低水分散失，并提高保水能力。干旱半干旱區的灌木長期適應強光和干旱等環境，葉片逐漸形成相應的形態結構，其葉片厚度范圍在107.63～323.00 μm，葉片上表皮平均厚度為14.74 μm（潘昕等，2015）。草海桐通常生長在濱海無遮擋的空曠沙灘上，光照強烈，溫度高，土壤含水量低，但其葉片以及上表皮細胞的厚度與青藏高原抗旱性最強的俄羅斯大果沙棘（Hippophae rhamnoides）相比要厚，說明草海桐具有良好的抗旱性，能夠適應熱帶海島高溫干旱的環境，是典型的陽生植物。

草海桐葉片稍肉質，葉肉中柵欄組織和海綿組織明顯分化，且海綿組織較柵欄組織發達，細胞排列疏松，胞間隙大，具有較大的液泡，能夠儲藏大量水分，有效防止強光和高溫導致的生理性缺水，具備明顯的熱帶旱生植物特點。

氣孔是葉片控制氣體進出及蒸騰作用的主要部位。對干旱半干旱地區25種灌木的抗旱性研究顯示（潘昕等，2015），唐古特蕕（Caryopteris tangutica）等灌木的氣孔密度范圍為57.27～360.05 n·mm-2，草海桐的氣孔密度僅為215.556 n·mm-2，密度較小。相較于蒙古櫟（Quercus mongolica）等幾種闊葉樹種（周翠鳴等，2009），草海桐的氣孔保衛細胞一般。草海桐葉片較大，但氣孔大小一般且密度較小，這樣的結構有利于草海桐進行光合作用的同時減少因蒸騰作用導致的水分散失。

根據Hagen-Poiseuille定律，其他條件一致時，導水率及導管運輸水分能力隨導管直徑的增大而增大（李娟等，2014）。測量結果顯示，草海桐導管直徑及水力導管直徑分別為46.177 μm和29.728 μm，沙棘（Hippophae rhamnoides）等植物導管大小為12.5～62.5 μm，水力導管直徑為26.04 μm（李珊，2013）。相較而言，草海桐導管直徑較大，水力導管直徑較大。草海桐生長地多為沙灘、石礫地，土壤含水量低且保水能力差，較大的導管使植物水分疏導率高，有效吸收土壤中水分，保證植物體內水分平衡。然而，導管直徑越大越容易導致栓塞（Cai & Tyree，2010），因而草海桐通過犧牲部分耐旱能力保證葉片供水充足。

草海桐的形態解剖學特征表明，它可以提高保水能力、減少水分散失，儲藏大量水分以避免生理性缺水，表明草海桐是典型的陽生植物，能夠很好地適應干旱環境，表現出良好的抗旱性。

3.2 葉片中抗氧化酶活性及抗逆性物質

Pro是植物蛋白質的主要組成部分，也是滲透調節物質的重要組成部分之一。植物在受到脅迫時，體內會積累大量的游離Pro，它在一定程度上反映植物受環境脅迫的情況，以及植物對環境脅迫的抵抗能力（張紅萍等，2008）。ABA是重要的植物激素之一，除了可以促進植物葉片衰老脫落、抑制植物生長及種子萌發之外，還對植物抗逆性具有重要意義。當植物受到脅迫時，ABA含量會顯著增加，在緩解滲透脅迫、控制氣孔開度、保持水分平衡并誘導Pro的大量積累、激活抗氧化酶的活性等方面有著不可或缺的作用（張巖等，2015;吳耀榮和謝旗，2006;許樹成等，2008）。相較于水分脅迫下的甘蔗體內ABA含量（李長寧等，2010），草海桐的ABA含量較高，這是其對干旱逆境的適應;龍杰超等（2017）對長柱十大功勞（Ma-honia duclouxiana）進行干旱脅迫處理，發現重度脅迫14 d的長柱十大功勞葉片中Pro含量達79.39 μg·g-1，是同期對照的3.5倍，而草海桐體內游離Pro含量達109.506 μg·g-1，明顯較高。這可能是由于草海桐對海島逆境條件的長期適應使植物體內的Pro含量高，有助于植物降低細胞滲透勢，維持細胞膨壓，提高植物抗旱性，以及植物對逆境條件的適應方式及在適應后對Pro的再利用（湯章城，1984;任文偉等，2000），或者Pro和ABA在生理效應上的互補效應有關（王慧春，2013）。

植物在受到環境脅迫時，細胞內會大量積累活性氧，從而引起細胞膜脂過氧化，SOD、CAT和POD可以清除活性氧，保護膜系統免受損傷。克熱木·伊力等（2004）對阿月渾子（Pistacia vera）研究表明，葉片SOD、CAT、POD活性會隨脅迫的加劇而升高。劉漢玄等（2016）研究表明，嚴重干旱脅迫的番茄（Solanum lycopersicum）抗氧化酶活性與對照組比較明顯增加。與處于嚴重干旱脅迫的番茄相比，草海桐的SOD、CAT活性是其兩倍，說明草海桐可以通過增加體內抗氧化酶活性清除活性氧以保護細胞膜系統不受損傷，顯示草海桐對海島逆境的適應性及抗逆性均較強。

3.3 葉片營養物質含量及土壤理化性質

C是構成生物體的骨架，N、P是植物生長發育所需的大量元素，它們都對植物有著至關重要的作用。全球陸地植物葉片的C、N、P含量分別為464、20.6和1.99 g·kg-1（Elser et al，2000）。本研究測得草海桐葉片中總有機碳含量和P含量分別為467.878和2.197 g·kg-1，略高于全球水平，N含量為19.556 g·kg-1，較全球水平略低。草海桐葉片的碳氮比（C/N）及碳磷比（C/P）與全球水平相差不大。當氮磷比（N/P）<14時，N限制了植物的生長（張珂等，2014），草海桐的N/P比值僅為8.901，說明草海桐的生長受到N的限制，這是由草海桐根際土壤中N含量較低引起的，然而其葉片中C、N、P含量明顯高于生長環境，說明草海桐對養分的利用效率較高，可以在貧瘠的環境中很好地生長。

綜上所述，草海桐為陽生性植物，對干旱、貧瘠環境有較強的適應能力，在海島和海岸帶防風固沙方面具有良好的開發應用前景，可作為熱帶珊瑚島植被恢復的工具種。