李彥杰，劉仁華，楊俊年，周大祥，秦洪文

（1.重慶三峽學院 生命科學與工程學院，重慶404000；2.三峽庫區(qū)可持續(xù)發(fā)展研究中心，重慶404000）

三峽水庫完成175 m蓄水后，自宜昌三峽大壩到其上游的重慶江津形成長度超過660 k m，最寬2 k m，面積約1萬k m2的峽谷型人工水庫［1］。在三峽水庫的反季節(jié)周期性蓄水過程中，可在水庫沿岸形成最高水位達175 m，最低水位為145 m，落差達30 m的消落帶，使得庫區(qū)沿岸生態(tài)結(jié)構(gòu)由陸生生態(tài)系統(tǒng)演變?yōu)橹芷谛缘亩年懴鋷竦叵到y(tǒng)［2］。消落帶環(huán)境的劇烈改變，打破了原有生態(tài)平衡，使得大部分植物因不適應而死亡。消落帶植被消亡加劇引發(fā)了眾多環(huán)境問題，如污染、水土流失等［3］。消落帶治理目前一致的看法是恢復或者重建消落帶的植被，其中篩選消落帶適生植物是一個重要的方向。目前國內(nèi)學者在三峽庫區(qū)消落帶的適生植物篩選方面做了大量研究，如利用模擬水淹和實際水淹篩選到了數(shù)種適生植物［4－6］，其中劉云峰等［7］通過在三峽庫區(qū)萬州段的自然消落帶通過實際水淹實驗，提出了消落帶鄉(xiāng)土植物狗牙根可作為三峽庫區(qū)消落帶治理適生植物。后續(xù)的研究表明［8］，在長時間（大于180 d）不同深度水淹生境下，狗牙根具有接近100%的高存活率，故被認為是三峽庫區(qū)消落帶治理的適生植物之一。

水淹脅迫生境下，因光和氧的強度下降會影響植物的物質(zhì)代謝及誘發(fā)缺氧脅迫等。狗牙根作為耐水淹植物之一，有較強的水淹抗性和水淹結(jié)束后能適應復氧脅迫并盡快的恢復至未脅迫狀態(tài)。到目前為止，適生狗牙根的長期深度水淹脅迫的生理機制研究國內(nèi)外尚未見報道。本研究以三峽庫區(qū)自然消落帶狗牙根（XC）和非消落帶狗牙根（FC）為研究材料，通過實際水淹，對XC組狗牙根在不同水淹深度下的抗氧化酶活性和碳水化合物含量等變化趨勢與FC組作對比，以期從生理角度為狗牙根作為三峽庫區(qū)消落帶治理的適生植物作一解釋。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與地點

狗牙根（Cynodon dactylon L.Pers）屬禾本科多年生草本植物，根系發(fā)達，具根狀莖及匍匐枝，可做牧草、園藝植物及水土保持植物等；主要分布于黃河流域以南地區(qū)和新疆等地，其中在長江流域廣泛存在。

實驗用野生狗牙根分為非消落帶野生狗牙根（FC）和自然消落帶野生狗牙根（XC），非消落帶野生狗牙根（FC）選自實驗基地附近非消落帶野生狗牙根，并集中栽培；自然消落帶野生狗牙根（XC）由重慶三峽學院三峽庫區(qū)消落帶適生植物篩選示范基地提供，該基地位于重慶市萬州區(qū)新田鎮(zhèn)譚紹村，屬于蓄水水位在145～175 m間的三峽庫區(qū)自然消落帶區(qū)域。

實驗地點位于重慶市萬州區(qū)新田鎮(zhèn)譚紹村的三峽庫區(qū)自然消落帶（107°87′E，30°35′N），屬亞熱帶暖濕東南季風氣候，冬暖夏熱，雨量充足、日照時間長、四季分明；多年年平均氣溫17.7℃、降雨量1 293 mm、日照1 205 h、無霜期302 d。

1.2 試驗設計

2011年9月16—18日，選取生長一致的三峽庫區(qū)自然消落帶野生狗牙根（XC）（重慶三峽學院三峽庫區(qū)消落帶適生植物篩選示范基地）和非消落帶野生狗牙根（FC）（175 m以上的實驗基地）當年生分蘗苗分別移入塑料桶中；桶內(nèi)徑42 c m、高18 c m，桶底打孔，并墊上窗紗后填譚紹村自然消落帶濕潤沙土，桶內(nèi)土層厚度為14 c m。

2011年10月30日三峽水庫完成蓄水，于次日開始水淹實驗；具體為：XC組隨機分為0，4，8，12，16，20 m水淹組，每組含6個平行樣做不同水淹下沉處理；FC組在175 m之上做對照。取樣時間為2012年4月28日，水淹時間181 d。

1.3 取樣及指標測定

2012年4月28日開始取樣。取樣時，小心掰開桶中的土，取出完整的植株，沖洗干凈根部泥土，剪下根系，用蒸餾水沖洗三遍后用吸水紙吸干，稱取約1.0 g放入冰盒立即帶回實驗室，液氮速凍后放入－70℃?zhèn)溆?；取洗凈后剩余的根系帶回實驗室烘至恒重?/p>

丙二醛（MDA）含量測定采用硫代巴比妥酸法［9］，含量單位為 mg／（g·min）F W；乙醇脫氫酶（ADH）測定試劑盒購自南京建成生物工程研究所，酶活性單位為U／g F W；過氧化物酶（POD）酶活性測定采用愈創(chuàng)木酚法［9］，酶活性單位為 ΔOD470／（g F W·min）；谷光甘肽還原酶（GR）酶活性測定試劑盒購自南京建成生物工程研究所，含量單位為單位為n mol／g F W。超氧化物歧化酶（SOD）酶活性測定采用氮藍四唑比色法［9］，酶活性單位為 U／g F W；游離的脯氨酸測定采用茚三酮法［9］，含量單位為 μg／g FW；可溶性糖和淀粉參照張志良［9］等測定方法并略作修改，含量單位為mg／g。

1.4 分析方法及作圖

SPSS 19.0（IBM，USA）作不同對照組t檢驗；Origin 8.5（Origin Lab，USA）作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水淹深度對MDA含量的影響

不同水淹深度對MDA含量影響（圖1）結(jié)果顯示：隨著水淹深度的增加，XC組狗牙根根系的MDA含量呈遞增趨勢；從水淹4 m處起XC組根系MDA含量顯著高于未淹沒的FC組（P＜0.05）；未淹沒FC組狗牙根根系MDA含量基本處于同一水平。

圖1 水淹深度對MDA含量的影響

2.2 不同水淹深度對ADH酶與抗氧化酶酶活性及游離脯氨酸含量的影響

不同水淹深度對酶活性的影響（圖2）結(jié)果顯示：隨著水淹深度的增加，XC組狗牙根根系ADH、GR、POD、SOD酶活性均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢；在不同水淹深度生境下，XC組狗牙根根系ADH、POD、SOD酶活性均高于未淹沒FC對照組水平，而GR酶活性在水淹深度為20 m時降至FC對照組水平。

在水淹深度為8 m時，XC組狗牙根根系ADH、POD和SOD酶活性出現(xiàn)最高值且顯著高于FC組對照水平（P＜0.01），此時分別約為FC對照組水平的2.1，2.4，5.2倍；而 GR酶活性的最高值出現(xiàn)在水淹深度為4 m時且顯著高于FC對照組水平，約為FC對照組水平的3.6倍。此外，在整個水淹期間，XC組狗牙根根系POD和SOD酶活性均顯著高于FC對照組水平（P＜0.05）。

圖2 水淹深度對酶活性影響

隨著水淹深度的增加，XC組狗牙根根系游離脯氨酸的含量呈遞增趨勢（圖3），且從4 m水淹深度起，均顯著高于FC對照組水平（P＜0.01）。

圖3 水淹深度對游離脯氨酸含量的影響

2.3 不同水淹深度對碳水化合物含量的影響

不同水淹深度下，XC組狗牙根根系可溶性糖含量呈先遞減后上升的趨勢，其中在水淹深度為8 m時，可溶性糖含量降至最低，約為FC對照組水平的40%（圖4）；在整個水淹期間，XC組狗牙根根系可溶性糖含量均顯著低于FC對照組水平（P＜0.01）。XC組狗牙根根系淀粉含量在水淹深度為4 m時出現(xiàn)最低值，且約為FC對照組水平的60%（圖4）；在8 m深度處恢復至對照水平，且此后基本和FC對照組處于同一水平。

3 結(jié)論與討論

水淹脅迫對植物細胞生理的影響主要表現(xiàn)為缺氧和光合作用下降。尤其在長期水淹生境下，長期性的缺氧使得植物細胞呼吸鏈的電子不能傳遞給其受體氧（O2），這會使得三磷腺苷（ATP）的合成受阻；此外，植物根系組織在水淹生境下，也會誘發(fā)膜脂發(fā)生過氧化作用，生成氧化應激的標志物MDA，MDA含量高低反映了植物細胞膜過氧化作用的強弱與質(zhì)膜的破壞程度，且其可影響線粒體呼吸鏈復合物及線粒體內(nèi)關鍵酶的活性［10］；作為植物抗逆性的一項生化指標，游離脯氨酸隨水淹脅迫增加而呈增加趨勢，且其含量與植物耐澇性之間存在相關性［11］。本實驗中，隨著水淹深度的增加，XC組狗牙根根系MDA的含量呈遞增趨勢，反映了脅迫程度的加重，與文獻［12］報道一致；XC組狗牙根根系游離脯氨酸隨著水淹深度增加也呈現(xiàn)增加趨勢，這與已有的相關報道［11］一致。

圖4 水淹深度對碳水化合物含量的影響

長期水淹生境下，因為缺氧使得狗牙根體內(nèi)活性氧產(chǎn)生和清除的平衡受到破壞，導致根系內(nèi)活性氧自由基大量累積，進而對根系細胞產(chǎn)生毒害作用。植物體內(nèi)的抗氧化防御系統(tǒng)，如酶類抗氧化劑（POD、SOD、GR等）和非酶抗氧化劑（抗壞血酸、還原型谷胱甘肽、維生素E、還原性酚類和酮類等）等，通過還原累積的氧自由基從而有效降低水淹脅迫對植物的傷害。GR可維持植物體內(nèi)的還原型谷胱甘肽與氧化型谷胱甘肽比例處于較高水平，這不僅與直接抗氧化有關（清除H2O2等），而且能促進抗壞血酸的再生；POD是以過氧化氫為電子受體，催化過氧化氫氧化某些酚類和胺類化合物。SOD可將植物體內(nèi)的超氧陰離子自由基（O－.2）轉(zhuǎn)化成H2O2和O2，H2O2可進一步被過氧化氫酶（CAT）催化產(chǎn)生水及分子氧。研究發(fā)現(xiàn)，大麥［13］、小麥［14］、玉米［15］等植物體內(nèi) GR、POD和SOD酶活性會在水淹脅迫下增高，以移除或降低水淹脅迫的傷害，從而保護植物能在水淹下存活。本實驗中XC組狗牙根根系GR、POD和SOD酶活性在水淹條件下均高于FC對照組（除GR在20 m水淹處），顯示GR、POD和SOD酶活性與抗水淹脅迫有關；隨著水淹深度增加，植物缺氧和光合作用下降加劇，植物的代謝水平降低以利于存活，表現(xiàn)為合成和代謝均處于較低水平，故GR、POD和SOD酶活性出現(xiàn)下降，其中GR酶活性在20 m水淹深處降至FC對照組水平；不同抗氧化酶對不同水淹深度的響應基本相同，但XC組狗牙根根系POD和SOD酶活性在水淹深度為8 m時處于最高水平，而GR酶活性的最高水平出現(xiàn)在水淹深度為4 m時。

長期水淹生境下，因供氧不足或缺氧也會誘發(fā)植株體內(nèi)酒精發(fā)酵產(chǎn)生乙醇，過量乙醇的累積會對植物細胞和組織產(chǎn)生毒害作用，進而引發(fā)酸毒癥［16］。ADH是無氧呼吸的關鍵酶，它能有效地降低植物體乙醇的大量累積從而降低對植物細胞的傷害［17－18］。本實驗中，XC組狗牙根根系ADH酶活性均高于FC對照組水平，并隨著水淹深度的增加而升高，與大豆根系［17］和春油菜［19］等在水淹條件下 ADH 酶活性升高一致。ADH酶活性最高水平出現(xiàn)在水淹8 m處，此后出現(xiàn)下降趨勢，這可能與水淹深度增加脅迫進一步加大，而此時細胞合成代謝又處于較低水平有關。

植物碳水化合物包括可溶性糖和淀粉，其中可溶性糖通常是植物體內(nèi)碳水化合物運輸和利用的主要形式，淀粉是植物的主要儲存物質(zhì)。有文獻［20］顯示植物碳水化合物含量與植物的水淹抗性呈正相關。本實驗中，XC組狗牙根根系可溶性糖含量隨著水淹深度的增加而降低，其含量較低可能與狗牙根代謝處于較低水平以對抗逆境有關；淀粉含量在4 m水淹深度出現(xiàn)最低值而此后與對照同水平，可能與加大儲能有關；可溶性糖含量和淀粉含量的變化趨勢顯示狗牙根能在長期深度水淹生境下，在減低代謝水平的同時能增加儲能，說明狗牙根具有較強的耐淹能力。

水淹協(xié)迫下，植物的生理生化代謝會發(fā)生改變，一方面是適應所處的生境，另一方面是降低因為生境改變可能對植物造成的傷害。通過分析在不同水淹深度下狗牙根根系的酶活力變化和碳水化合物含量等變化，從生理角度解釋了狗牙根在長期水淹生境下的存活機制。有關狗牙根在不同水淹深度下的酶活力動態(tài)響應信號途徑，仍有待進一步研究。

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