池杉非結構性碳水化合物代謝對庫區水位變化的響應

蒲博， 李瑞， 楊琴， 李昌曉， 魏虹

西南大學 生命科學學院/三峽庫區生態環境教育部重點實驗室， 重慶 400715

三峽水庫周期性蓄水、 泄洪導致庫區水位升降所造成的周期性出露水面的區域被稱作“三峽庫區消落帶”[1]． 消落帶是一類特殊的濕地生態系統， 是陸地生態系統和水生生態系統的過渡帶， 具有截污過濾、 改善水質、 控制沉積和減緩侵蝕的功能， 并為動植物提供繁殖和棲息的場所[2]．

植物是生態系統的重要組成部分， 消落帶的植被狀況直接關系到消落帶生態功能的發揮[3-4]． 受三峽庫區獨特的水文調節方式的影響， 消落帶原有植物物種難以耐受長時間、 高強度的冬季水淹而大量消亡[5]， 造成了如庫岸失穩、 水土流失、 生物多樣性減少等一系列生態問題， 也對消落帶周邊居民的生活與生產造成了嚴重的影響[6]． 因此， 如何治理消落帶不僅是三峽庫區實現可持續發展的關鍵一環， 也關乎到長江流域的生態安全[7]． 一般認為， 選擇適生植物對庫區消落帶進行植被重建是治理三峽庫區消落帶生態問題最有效且最經濟的方法[8-9]． 植被重建的關鍵是篩選出當消落帶水位回落時能耐干旱而在消落帶水位回升后能耐長期水淹的兩棲植物[5， 10-13]． 現已有大量研究人員通過模擬不同環境條件， 篩選出了一批在消落帶復雜多變的生境條件下生長表現良好的物種， 如池杉(Taxodiumascendens)、 立柳(Salixmatsudana)、 狗牙根(Cynodondactylon)等并開展了原位示范研究[14-19]． 對示范區重建植被多年追蹤觀測發現， 部分在模擬水淹研究中表現良好的物種當再次經歷三峽庫區消落帶水位周期性變化后出現大面積死亡的現象， 對耐淹物種的適應性及適應機理仍需要進一步探究．

水淹造成植物的生長環境從有氧變為缺氧， 存留的適生植物主要靠糖酵解等無氧代謝途徑獲取能量， 以維持植物在水淹缺氧環境下的各項生理功能[20-22]． 水淹可能對糖代謝中涉及的酶活性如淀粉酶、 蔗糖合成酶、 中性轉化酶等產生重要影響[23]， 改變適生植物的碳水化合物代謝特征． 植物體內的碳水化合物可分為結構性碳水化合物(structural carbohydrates， SC)和非結構性碳水化合物(non-structural carbohydrates， NSC)[24-25]． SC包括纖維素、 木質素、 果膠等， 主要用于植物形態的建構[26]， 為植物耐受逆境提供結構基礎． NSC包括葡萄糖、 果糖、 蔗糖以及淀粉等， 關系著植物的代謝、 生長和發育[27]， 其質量分數與分配方式體現了植物在水淹脅迫下的生存策略， 也直接影響著植物對逆境的耐受能力[28]． 因此， 適生木本植物在水淹期間NSC的代謝特征對于其耐受水淹脅迫的能力極為關鍵． 作為耐淹性較強的適生木本植物， 池杉已被用于三峽庫區消落帶的植被修復工作中． 本文以重慶市忠縣汝溪河流域消落帶修復示范基地池杉為例， 分析種植于不同高程的池杉植株在一個水淹周期中的NSC代謝差異， 以期從能量消耗的角度探索其耐淹機理， 為消落帶植被修復提供理論和實踐指導．

1 材料與方法

1.1 試驗樣地概況

試驗樣地位于三峽庫區汝溪河消落帶修復示范基地． 汝溪河為長江左岸一級支流， 基地位于重慶市忠縣石寶鎮萬松村(30°25′55.47″ N， 108°09′59.18″ E)， 面積約為10 hm2， 屬亞熱帶東南季風山地氣候， 年積溫5 787 ℃， 年均溫18.2 ℃， 無霜期341 d， 日照時數1 327.5 h， 日照率29%， 年降雨量1 200 mm， 相對濕度80%． 2016年3月， 在消落帶165～175 m高程種植長勢基本一致的兩年生池杉(株高約69 cm， 基徑約8.4 mm)純林， 株行距1 m．

1.2 試驗設計及取樣

根據三峽庫區消落帶的水位變動規律形成的不同水淹強度， 將樣地劃分為3個樣帶， 設置3個處理． 各處理的基本信息見表1．

表1 樣帶基本信息

種植的池杉幼苗在經歷一個完整水淹周期后， 于2017年2月17日(海拔170 m樣帶退水初期)對175 m和170 m樣帶的池杉進行隨機抽樣， 2017年3月31日(海拔165 m樣帶退水初期)對175 m和165 m樣帶的池杉進行隨機取樣， 2017年9月11日(165 m樣帶再次水淹前)， 對175 m，170 m和165 m樣帶的池杉進行隨機抽樣． 取樣時， 在各海拔樣帶分別選取池杉樣木各4株， 分別用測高桿和游標卡尺測量植株株高和基徑等生長指標， 再進行破壞性取樣． 取樣后， 將每個植株根和莖編號后分別裝入自封袋， 放入冰盒， 帶回實驗室待測．

1.3 測定指標及方法

在實驗室將取回的池杉根、 莖分別取上、 中、 下3部分鮮樣混合， 稱量后用作酶活性測試． 其余部分稱鮮質量后， 立即放入80 ℃烘箱中烘干至恒質量后稱量， 用于計算植株生物量．

本研究中的NSC包括可溶性糖、 淀粉、 蔗糖和果聚糖． 將烘干后植物樣粉碎過100目篩， 準確稱量0.01 g用于NSC質量分數測定． 其中， 可溶性糖和淀粉質量分數的測定采用蒽酮—硫酸比色法[29]， 蔗糖質量分數的測定采用間苯二酚比色法[30]， 果聚糖質量分數的測定采用Seli-wanoff法[31]．

準確稱量0.5 g池杉根、 莖鮮樣， 進行NSC代謝酶活性的測定． 其中， 中性轉化酶與酸性轉化酶用UDPG比色法進行測定， 蔗糖合成酶與蔗糖磷酸合成酶用3， 5-二硝基水楊酸比色法進行測定[30]， 淀粉酶的測定參考Mitsunaga等[32-33]的方法．

1.4 數據分析方法

采用統計分析軟件SPSS 22.0進行數據處理分析， 用獨立樣本t檢驗比較退水初期兩個處理組之間各項生理指標的差異； 用配對樣本t檢驗比較同一處理組在不同采樣時間下及同組植株不同器官間各項生理指標的差異． 用單因素方差分析法分析恢復生長末期各處理植株間生長指標的差異， 采用Tukey多重比較檢驗各處理植株間的差異； 采用Origin2018軟件制圖．

2 結果與分析

2.1 池杉生長狀況的變化

表2為3次采樣時各處理組生長指標(株高、 基徑和干質量)的對比情況． 從整體上看， 在退水初期， 與對照組植株相比， 2個水淹組植株的株高、 基徑和干質量均有所降低． 獨立樣本t檢驗結果顯示， 植株株高與基徑在各處理組之間差異無統計學意義， 而對照組的干質量均顯著大于水淹組(p<0.05)， 說明受冬季水淹的影響， 池杉的生長受到了不同程度的抑制．

表2 各處理組池杉的生長指標(n=4)

經過半年的恢復生長， 在生長末期， 各處理組的各項生長指標相較于退水初期均有不同程度的上升． 除重度水淹組的基徑外， 水淹組的株高和基徑與對照組相比差異無統計學意義(p>0.05)， 基本恢復到與對照組同一水平， 但干質量仍顯著低于對照組(p<0.05)．

2.2 池杉根、 莖NSC質量分數的變化

圖1為退水初期各處理組植株根與莖NSC質量分數對比圖． 配對樣本t檢驗結果顯示， 各處理組池杉根中淀粉、 可溶性糖(3月31日取樣CK組除外)和果聚糖質量分數均顯著大于莖中質量分數(p<0.05)， 而根、 莖蔗糖質量分數差異無統計學意義．

整體而言， 與對照組相比， 2個水淹組池杉根與莖中的NSC質量分數均表現出不同程度的降低． 但統計檢驗結果顯示， 僅中度水淹組植株根中的淀粉質量分數、 莖中可溶性糖質量分數顯著低于對照組(p<0.05)．

小寫字母不同表示相同處理組下根與莖之間差異有統計學意義(p<0.05)， 大寫字母不同表示不同處理中相同部位之間差異有統計學意義(p<0.05)．圖1 退水初期各處理組池杉NSC質量分數

圖2是恢復生長末期各處理組池杉根與莖NSC質量分數對比圖． 單因素方差分析及結果顯示， 4種NSC組分質量分數的組間差異無統計學意義， 說明經過一個完整的恢復生長期， 水淹組池杉已經恢復到了對照組水平．

各處理組中的4種NSC組分質量分數在植株根與莖間的分布特征呈現出相似的規律． 池杉根中果聚糖質量分數顯著高于莖中質量分數(p<0.05)， 中度水淹組根中淀粉質量分數顯著高于莖中質量分數(p<0.05)， 其余指標在根與莖之間差異無統計學意義．

小寫字母不同表示相同處理組下根與莖之間差異有統計學意義(p<0.05)， 大寫字母不同表示不同處理中相同部位之間差異有統計學意義(p<0.05)．圖2 恢復生長末期各處理組池杉NSC質量分數

與退水初期相比， 2個水淹組池杉根、 莖中NSC質量分數在恢復生長末期均有不同程度的增加(表3)． 其中， 中度水淹組除莖中的蔗糖質量分數及根中的果聚糖質量分數外， 其余指標差異均有統計學意義(p<0.05)． 冬季水淹后， 2個水淹組池杉根中可溶性糖質量分數均高于莖中質量分數， 但是經過恢復生長后， 可溶性糖質量分數在根、 莖之間呈現出平均分布的特征．

表3 恢復生長末期對比退水初期的池杉NSC質量分數 /(mg·g-1)

2.3 池杉NSC代謝酶活性的變化

圖3為退水初期各個處理組池杉根與莖中的NSC代謝酶活性． 從整體上看， 池杉根的代謝酶活性高于莖． 配對樣本t檢驗結果顯示， 各處理組根中的淀粉酶和蔗糖合成酶(3月31日重度水淹組除外)活性均顯著高于莖(p<0.05)； 中度水淹組的中性轉化酶在根中的活性顯著高于莖， 但是在重度水淹組中卻相反， 莖中的中性轉化酶活性顯著高于根； 3月31日采樣時對照組根中的蔗糖磷酸合成酶顯著高于莖． 中性轉化酶， 酸性轉化酶， 2月17日采樣的蔗糖合成酶和莖的淀粉酶， 3月31日采樣的根的淀粉酶、 根的蔗糖合成酶、 根的蔗糖磷酸合成酶在水淹組中的活性均顯著低于對照組中的活性(p<0.05)．

小寫字母不同表示相同處理組下根與莖之間差異有統計學意義(p<0.05)， 大寫字母不同表示不同處理中相同部位之間差異有統計學意義(p<0.05)．圖3 退水初期各處理組池杉NSC代謝酶活性

圖4為恢復池杉在生長末期根與莖的NSC代謝酶活性． 由配對樣本t檢驗結果可以看出， 中性轉化酶、 酸性轉化酶和蔗糖合成酶3種酶在根與莖中的活性表現差異有統計學意義(p<0.05)， 均表現出根顯著大于莖的特征， 而淀粉酶、 蔗糖磷酸合成酶在根與莖中的活性差異無統計學意義． 由單因素方差分析結果可以看出， 測得的5種NSC在不同處理組之間差異無統計學意義， 說明在恢復生長期， 水淹組與對照組池杉的NSC代謝酶活性基本處于同一水平， 水淹組池杉的淀粉和蔗糖代謝強度與對照組基本一致．

小寫字母不同表示相同處理組下根與莖之間差異有統計學意義(p<0.05)， 大寫字母不同表示不同處理中相同部位之間差異有統計學意義(p<0.05)．圖4 恢復生長末期池杉NSC代謝酶活性

3 討論

植物體外部形態如株高、 基徑、 生物量等的改變在很大程度上是對環境條件適應的結果[34-35]， 其變化趨勢與幅度可以直觀地反映該種植物對于特定環境條件的適應能力與方式， 同時也可以反映植物體在逆境條件下的生存策略[36]． 植物對水淹脅迫的適應策略包括逃避策略和忍耐策略[37]． 當植物采取逃避策略時， 會加速消耗NSC來促進莖部的生長， 使植物的頂部能夠露出水面， 從而緩解缺氧帶來的脅迫壓力[37]． 但是當植株受到水淹脅迫強度(水淹深度、 水淹時間)過大時， 加速NSC的消耗并不利于植株的生存[38]． 在這種情況下， 植物會選擇忍耐策略， 通過減少能耗使生長最小化來留存盡可能多的NSC， 以保證存活[38]． 在本研究中， 冬季水淹不同程度地抑制了池杉株高和基徑的增長， 水淹組植株干質量顯著性降低， 池杉采取了“忍耐”策略， 將能量更多地投入到生理代謝而非生長中， 僅保證最低能量供應從而最大化地保證順利度過長時間高強度的水淹期． 退水后的快速再生能力表明池杉具有良好的耐淹適應性．

在植物體中， 淀粉質量分數的高低反映了植物可供使用能量的多少[39-40]， 而淀粉水解與蔗糖降解所產生的葡萄糖和果糖是植物無氧呼吸糖酵解途徑的底物， 因此淀粉與蔗糖的質量分數與正常代謝對于植物在水淹環境下的存活至關重要． 在冬季水淹期間， 淀粉主要分布于池杉根部， 而不同強度的水淹脅迫顯著降低了池杉根中的淀粉質量分數． 這與水淹脅迫下池杉的光合作用受到限制、 淀粉的生產被終止有關． 為保證水淹下植株必需的能量供應， 池杉根部的淀粉被淀粉酶分解成無氧呼吸所需要的葡萄糖與果糖． 在不同強度水淹條件下， 池杉根莖中的淀粉酶活性均呈現出不同程度的降低， 且表現為根中的活性顯著大于莖中的活性的特征． 說明在水淹脅迫下， 為了順利度過長時間高強度的水淹脅迫， 水淹組池杉降低了淀粉的代謝強度， 為退水落干后的恢復生長期保留了盡可能多的能量儲備．

植物的可溶性糖為植物無氧呼吸糖酵解的底物[26， 41-42]． 在水淹條件下， 植物嚴重缺氧， 能量供應主要來自于無氧呼吸， 可溶性糖質量分數對植株能否存活至關重要[23]． 研究結果顯示， 各水淹組池杉在退水初期的可溶性糖質量分數均低于對照組， 說明在水淹脅迫下， 植株的供能方式以無氧呼吸為主， 消耗了植株體內更多的可溶性糖． 值得注意的是， 中度水淹組池杉莖的可溶性糖顯著低于對照組， 而根中的可溶性糖質量分數差異無統計學意義， 這可能與池杉重新分配了根莖中可溶性糖的質量分數有關， 將可溶性糖更多地儲存在根中， 以提高對脅迫生境的耐受能力． 同時， 可溶性糖是植物細胞滲透壓調節物質， 適當減少莖中可溶性糖的質量分數可以調節植物細胞的滲透壓， 降低水淹脅迫的危害[23]， 也是池杉在水淹脅迫下的保護措施．

蔗糖是植物體內碳水化合物的主要運輸物質， 為植物生長提供能量， 還可以調節細胞的滲透壓以維持水淹脅迫下植物細胞的完整性[43]． 與淀粉的分配方式不同， 蔗糖在池杉根與莖之間的分配差異無統計學意義， 且不同強度水淹組植株蔗糖質量分數與對照組差異無統計學意義． 原因可能是池杉在遭受水淹脅迫的前期， 蔗糖質量分數會通過果聚糖的降解得到補充， 而在水淹脅迫的后期， 池杉的蔗糖代謝強度降低， 從而保持了相對穩定的蔗糖質量分數．

淀粉和蔗糖是植物光合作用的主要產物， 負責調控蔗糖與淀粉代謝的蔗糖磷酸合成酶、 蔗糖合成酶、 中性轉化酶、 酸性轉化酶與淀粉酶對于植物體的生理活動能否順利進行至關重要[44]． 其中， 蔗糖磷酸合成酶是植物體內控制蔗糖合成的關鍵酶， 它的活性反映了植物體內蔗糖合成的能力； 蔗糖合成酶既調控蔗糖的合成也調控蔗糖的分解， 與轉化酶(中性轉化酶與酸性轉化酶)共同調控蔗糖的降解[45]； 淀粉酶則直接催化淀粉的分解[44]． 所以， 代謝酶的活性也從另一個角度反映了植物在適應水淹環境中的調度策略． 在本研究中， 與對照組相比， 4種蔗糖代謝酶在水淹組中的活性均有不同程度的降低． 其中， 中度水淹組池杉蔗糖磷酸合成酶質量分數雖有降低， 但與對照組差異無統計學意義， 而重度水淹組池杉的蔗糖磷酸合成酶活性出現顯著性降低的特征． 這說明隨著水淹脅迫強度的增加， 葡萄糖主要被用于無氧呼吸的糖酵解中， 蔗糖主要合成途徑所需的底物受限， 相對應的催化劑活性也隨之降低． 作為另一條蔗糖合成途徑的催化劑， 蔗糖合成酶可以催化蔗糖與二磷酸尿苷(uridine diphosphate， UDP)生成果糖與二磷酸尿苷葡萄糖(uridine diphosphate glucose， UDPG)之間的可逆反應， 可以使蔗糖快速地在“源”與“庫”之間轉換， 但通常認為該途徑的主要作用是分解蔗糖[46]． 中性轉化酶與酸性轉化酶則是兩種負責蔗糖分解的代謝酶． 在本研究中， 水淹組池杉蔗糖合成酶、 中性轉化酶與酸性轉化酶活性在水淹期間均有顯著的降低， 原因可能是在保證基礎能量消耗的條件下， 池杉通過降低蔗糖代謝的強度來保證植株體內的蔗糖質量分數維持在相對穩定的水平．

果聚糖主要存在于植物體的液泡中， 對于植物耐受干旱、 水淹、 鹽堿等非生物脅迫有著重要作用． 高等植物果聚糖以蔗糖作為底物合成， 其降解過程是逐步將末端果糖解離下來， 最終留下的蔗糖分子可通過轉化酶進一步水解[47-48]， 所以果聚糖的穩定降解對于水淹下植物的能量代謝也十分重要． 在本研究中， 各處理組池杉根中的果聚糖質量分數均顯著高于莖． 與對照組相比， 中度水淹脅迫組池杉果聚糖質量分數整體呈現出上升的趨勢， 而重度水淹脅迫組則呈現出下降的趨勢． 原因可能是在受到水淹脅迫的早期， 果聚糖在植物體內積累， 以維持細胞結構的穩定， 這與Albrecht等[44]的實驗結果一致； 但隨著脅迫強度增大， 池杉為了維持蔗糖質量分數的相對穩定， 將果聚糖從積累逐漸變成降解， 以維持池杉的正常代謝水平．

對于受周期性水淹脅迫的植物而言， 退水后的恢復生長期至關重要， 植株需要在此期間積蓄能量， 以應對下一個周期的水淹脅迫． 研究結果顯示， 相比于退水初期， 各水淹處理組在恢復生長末期的NSC質量分數、 淀粉酶和蔗糖代謝相關酶的活性均有不同程度的升高， 并與對照組保持在相同水平， 差異無統計學意義． 經過退水落干后的恢復生長期， 水淹組池杉的NSC均能夠恢復到與對照組相同的水平， 為應對下一個水淹周期的到來做好了物質準備．

4 結論

本研究從NSC代謝的角度初步探究了池杉適應三峽庫區消落帶生境水位變動的機理． 池杉在水淹期間采用“忍耐”的生存策略， 將NSC更多地投入到生理代謝而非生長中， 表現出對水淹良好的適應性． 在退水后的恢復生長期， 池杉通過提高生長代謝的強度與能量物質的積累快速蓄積能量， 從而得以順利進入下一個水淹周期．