張 霞，楊朝東，周存宇，李 騰，張夢迪，譚德寶

（1.長江大學濕地生態(tài)與農(nóng)業(yè)利用教育部工程研究中心，湖北 荊州 434025；2.長江水利委員會長江科學院，武漢 430010）

在洪水脅迫期間，植物會發(fā)生一系列形態(tài)結構和生理變化以保護植物體；主要引起植物缺氧，如玉米（Zea mays）、燕麥（Avena sativa）、小麥（Triticum aestivum）等僅1 d 時間就不可逆轉死亡，這類植物稱為洪水敏感型。濕地植物通過逃避無氧環(huán)境而存活，這類植物稱為洪水耐受型［1-3］。濕地植物受到洪水脅迫時，植物體的細胞、組織器官等多方面協(xié)同改善體內(nèi)通氣狀況，忍耐或逃避低氧狀態(tài)并且能恢復生長。因完整植株的通氣組織儲存有一定量的氧氣，體內(nèi)并非處于完全無氧狀態(tài)，可進行有氧呼吸，所以稱為植物表觀耐低氧（Apparent tolerance）［1，3-5］。濕地植物逃避洪水淹沒的低氧環(huán)境，一種方式是通過莖或葉伸長生長到水面以上重新獲得空氣，長出不定根，保持葉片表面氣膜，體內(nèi)形成通氣組織和防止氧氣自由擴散的屏障結構等的伸長生長逃避低氧脅迫策略（low O2escape strategies，LOES）。另一種方式是通過莖和葉的極緩慢生長；停止大部分生理活動；保存和節(jié)約利用體內(nèi)碳水化合物直到解除洪水淹沒；或者激發(fā)無氧呼吸產(chǎn)出ATP，解決體內(nèi)面臨的能量危機；合成物質中和細胞積累的有害物質；延長存活時間等的生理靜止逃避低氧脅迫策略（low O2quiescence strategies，LOQS）［1，3-5，6-11］。

植物真耐無氧（true tolerance）是指植物組織細胞處于無氧狀態(tài)，只能依賴細胞顯微或超微結構的流動重排和細胞內(nèi)部生理代謝來維持生命活動［1，12-14］。植物細胞受到缺氧和無氧脅迫時，細胞超微結構包括內(nèi)質網(wǎng)、核糖體等細胞器重新排列，尤其線粒體膜比其他細胞器先受到脅迫，表現(xiàn)出極其復雜的流動重排和自我修復能力。在無氧狀況下，細胞進行無氧呼吸，合成脂類物質和含氮化合物作為細胞色素氧化酶的電子最終受體（替代氧的功能），電子進一步傳遞給植物血紅蛋白，產(chǎn)生ATP 供生命活動［13，14］。

濕地植物常有較強的質外體屏障結構以控制植物內(nèi)部與環(huán)境中的水、離子和氧氣等的交換，具有保護植物體的重要功能［11，15-18］；同時發(fā)達的通氣組織給組織提供氧氣以保障生命活動［19-22］。植物受到淹水脅迫而缺氧時，主要通過無氧呼吸、植物血紅蛋白-NO 途徑、乳酸代謝途徑和乙醇發(fā)酵途徑有關酶活性升高及其有關基因的表達來解決生命活動的能量危機［3-5，23-25］；其次是增加了淹水土壤和植物之間的氧化還原電位，增強活性氧和活性氮代謝，同時抗氧化保護酶活性升高及其有關基因的表達來消除代謝中的有害物質［3-5，9，26-28］。因此，當濕地植物受到洪水脅迫時，其屏障結構和通氣組織、乳酸代謝途徑和乙醇發(fā)酵途徑關鍵酶及抗氧化保護酶代謝及其有關基因表達等成為現(xiàn)代分子生理生態(tài)學的研究熱點［1，3-5，11，22-23］。

1 濕地植物屏障結構和生理功能

濕地植物適應濕地環(huán)境在于體表屏障結構保護體內(nèi)通氣組織的氧氣不易擴散出去，為水淹沒部位提供氧氣，以保障生命活動［7，16-17，29-33］。屏障結構是指植物體各器官內(nèi)、外皮層初生壁的凱氏帶，或次生壁栓質化和木質化，以及植物體表角質層共同組成的保護組織，強調(diào)其細胞壁組織化學特征，具保護植物體的功能［15-18］。屏障結構的生理功能與其細胞發(fā)育、組織化學、結構類型、不同器官和物種等密切聯(lián)系［17，21，22，34］。如水稻（Oryza sativa）根內(nèi)、外皮層來源于同一初始子細胞，它們之間的屏障結構具有相似的發(fā)育過程［35］。水稻胚軸、莖和葉等的角質層、胞壁凱氏帶或栓質化和木質化修飾組成其質外體屏障結構［36-38］。

1.1 屏障結構類型

不同類型濕地植物莖和葉的屏障結構有所差異，狗牙根（Cynodon dactylon）型植物耐長期淹沒（6個月）又能旱生，莖具角質層，內(nèi)、外皮層，栓質化和木質化周緣厚壁層較為發(fā)達［29-33］。白茅（Imperata cylindrica）型植物不耐長期淹沒（僅1 周以下）能旱生，莖表面有角質層和木質化周緣厚壁層［18，29］。空心蓮子草（Alternanthera philoxeroides）型莖葉表皮外具木質化角質層［30］。浮葉植物和沉水植物的屏障結構十分脆弱，通常莖、葉表面無或少有角質層［39-42］。如莼菜（Brasenia schreberi）莖表皮外角質層不連續(xù)，根狀莖離層細胞壁具凱氏帶、栓質化和木質化，根莖和直立莖維管束鞘細胞壁具木質化凱氏帶，花柄和葉僅具表皮外不連續(xù)角質層和黏液［42］。莼菜黏液毛早期向外分泌黏液形成角質層泡，老化脫落后角質層圍繞黏液毛基部而表現(xiàn)出不連續(xù)性，因此莼菜表現(xiàn)出不耐污染的特征［30，42］。

1.2 根尖生理功能

濕地植物根通常有內(nèi)、外皮層保護，通氣組織的空氣不易釋放出體外，而根尖內(nèi)、外皮層發(fā)育之前，離子能透過并進入維管柱，即離子通透性生理［15，16，18，20，21，29，32，33，43］，該時期的此部位是離子進入植物體的重要通道。同時根尖、莖尖因屏障結構發(fā)育不全，或側根穿過外皮層部位，有少量氧氣釋放（ROL），即植物泌氧生理［17，18，20-22］?？梢姖竦刂参锔饩哂形针x子和ROL 釋放的雙重功能，但為2個完全不同的生理過程。濕地植物種類不同，其根有或無外皮層而ROL 類型也不相同，如空心蓮子草整條根無外皮層保護而都有ROL 釋放［30，44］。植物根泌氧提高水體溶氧量，幫助植物抵御外界不良環(huán)境［20，45，46］。

2 濕地植物忍耐洪水脅迫的逆境生理

受到洪水脅迫時，濕地植物生長所需的氧氣、CO2和光照急劇減少，必將阻礙光合作用和有氧呼吸，導致碳水化合物合成減少從而限制其生長發(fā)育［47］。缺氧促進淹水土壤和植物之間氧化還原電位增加，從而導致活性氧（ROS）的產(chǎn)生，ROS 傳遞細胞內(nèi)/細胞間信號，但隨著ROS 濃度的升高，會氧化膜脂、光合色素、蛋白質和核酸，破壞植物的正常代謝［48，49］。植物中CO2含量增加，伴隨著植物毒素在還原性土壤中的積累，從而抑制有氧呼吸［50］，轉向以無氧呼吸、乙醇發(fā)酵途徑和乳酸代謝途徑為生命活動提供能量［1，3，4］。此外，一旦洪水消退，器官和組織重新獲得氧氣，也常導致氧化應激性損傷［8］。

2.1 抗氧化防御系統(tǒng)

在無氧呼吸、乙醇發(fā)酵途徑和乳酸代謝過程中，活性氧濃度的升高會破壞植物細胞內(nèi)膜系統(tǒng)而引起代謝紊亂［48，49］，為了減輕活性氧的氧化損傷，保護組織和細胞，植物體內(nèi)已經(jīng)形成了復雜的抗氧化防御系統(tǒng)［47］?？寡趸Ｗo酶主要有超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）和過氧化氫酶（CAT）等；非酶抗氧化劑主要有生育酚、抗壞血酸、谷胱甘肽、類胡蘿卜素等，解毒活性氧的有害影響。抗氧化保護酶的含量和活性隨著洪水脅迫加劇而提高，并誘導相關基因的表達［3，4，51］。此外，不同植物還積累不同的糖和氨基酸等滲透保護劑來保護自己免受脅迫，如甘氨酸甜菜堿、甘露醇，脯氨酸等在緩解滲透壓力方面起著重要作用［3］。在應激狀態(tài)下，代謝產(chǎn)物也會損傷細胞，積累脂質過氧化物丙二醛和氧化損傷產(chǎn)生的DNA 片段［3，5］。

2.2 能量代謝途徑

濕地植物體內(nèi)細胞受低氧或者接近完全無氧脅迫時，測得細胞色素氧化酶不再結合氧氣，有氧呼吸才停止，此后無氧呼吸被激發(fā)［52］。通過提高無氧呼吸、乙醇發(fā)酵途徑和乳酸代謝途徑有關酶的活性，如丙酮酸脫羧酶（PDC）活性升高［1］，或者誘導有關酶的基因表達提高，如乙醇脫氫酶（ADH），乳酸脫氫酶（LDH）和丙酮酸脫羧酶（PDC）的mRNA 含量上升［1，3-5，23，53-55］；或 者 采 取 生 理 靜 止 策 略，如Rorippa sylvestris依靠保持高的碳水化合物含量和ADH 基因極低水平表達而存活［56-58］。植物血紅蛋白-NO 循環(huán)的主要功能是調(diào)節(jié)NO 水平和清除O2，從而防止氧化損傷［23］。水稻等植物種子貯藏大量碳水化合物，內(nèi)部無氧氣，在淹沒條件下淀粉酶活性升高，淀粉含量下降，可溶性糖含量升高，通過無氧呼吸為種子萌發(fā)、生長發(fā)育提供能量和中間化合物［4，9，26，59］。可見植物細胞在完全無氧時有氧呼吸才停止，并開始無氧呼吸或者生理活動基本靜止。

2.3 葉片光合生理生化響應

李屬（Prunusspp.）植物及其砧木在洪水脅迫下，Mariana 2624 品種是典型的耐受型，氣體交換參數(shù)等不受影響［24，60-64］；而Mazzard F12/1 品種是典型的敏感型，光合速率和氣孔導度降低［61］。湖北海棠（Malus hupehensis）在洪水脅迫下，葉片生化特征表現(xiàn)為淹水抑制光合色素合成，降低了葉綠素和類胡蘿卜素含量，葉綠素a/b 下降，類胡蘿卜素/葉綠素升高；因淹水季節(jié)不同，脯氨酸和丙二醛含量先升后降或者先降后升；可溶性糖和可溶性蛋白含量顯著上升?？寡趸Ｗo酶表現(xiàn)為葉片超氧化物歧化酶活性總體先升后降；過氧化物酶活性先降后升。光合生理表現(xiàn)為葉片凈光合速率、氣孔導度以及氣孔限制值均顯著低于對照，胞間CO2濃度影響不顯著［27，28，64］。

3 濕地植物忍耐洪水脅迫的遺傳機制

伸長生長逃避低氧脅迫策略和生理靜止逃避低氧脅迫策略是濕地植物適應洪水環(huán)境的兩大重要策略。從深水水稻品種C9285 中克隆的2 個乙烯響應轉錄因子基因SNORKEL1（SK1）和SNORKEL2（SK2）參與水稻莖的伸長生長［65，66］，這2 個基因都能抵消Sub1A-1的限制生長發(fā)育功能。Sub1A-1基因完全控制莖葉緩慢的伸長生長而忍耐洪水脅迫，保存可供呼吸的可溶性糖，以便在洪水退去后恢復生長［67-69］。

在淹水條件下，乙烯啟動水稻C9285 的SK1/2基因表達，SKs促進水中的節(jié)間活性赤霉素積累［66，70，71］，即乙烯促進赤霉素的合成，引發(fā)節(jié)間伸長生長，而赤霉素合成酶SD1 直接促進赤霉素合成并提高含量［72］。在淹水條件下，乙烯響應轉錄因子Sub1A、Sub1B和Sub1C基因都表現(xiàn)上調(diào)表達［73］，Sub1控制莖葉緩慢的伸長生長，保存能源物質和葉綠素含量，以便在退水后恢復生長，植株表現(xiàn)出生理活動基本靜止［67-69，74，75］。具有淹水誘導Sub1A的水稻品種限制或有限地產(chǎn)生乙烯，在淹水期間乙烯維持赤霉素信號抑制物的mRNA 和蛋白質積累［76，77］，響應赤霉素的蔗糖和淀粉分解代謝基因被Sub1A所抑制，從而限制莖伸長生長，減少碳水化合物的消耗，使其在水下生存和退水后恢復生長［1，3-5］。Bui 等［78］強調(diào)了Sub1在淹水條件下水稻根系生理調(diào)控的重要性，耐淹品種表現(xiàn)出較高的根系活性，如根尖活力和過氧化物酶活性升高，從而使其在淹水條件下根系和地上部損傷減少到最?。?3］。

4 濕地植物研究展望和應用前景

濕地植物通過形態(tài)結構和抗氧化防御系統(tǒng)保護植物體的內(nèi)、外環(huán)境，乳酸代謝途徑和乙醇發(fā)酵途徑等提供生命能量，受遺傳控制的逃避低氧脅迫策略而適應水濕環(huán)境。在洪水脅迫下，濕地植物生長發(fā)育因缺乏氧氣、CO2和陽光等而受到限制，光合速率等降低。采用乙烯響應轉錄因子SKs基因促進莖的伸長生長到達水面以上，重新獲得氧氣的伸長生長逃避低氧脅迫策略，或者乙烯響應轉錄因子Sub1A-1基因控制莖葉的緩慢伸長生長，極低的生理活動逃避低氧脅迫策略，通過這2 大重要策略忍耐和適應洪水脅迫。洪水脅迫引起濕地植物缺氧，促進了活性氧的產(chǎn)生，它破壞正常的生理代謝，體內(nèi)的抗氧化防御系統(tǒng)包括抗氧化酶、非酶抗氧化劑和滲透保護劑等保護組織免受氧化損傷。體內(nèi)CO2含量增加從而抑制有氧呼吸，轉向以無氧呼吸、乙醇發(fā)酵途徑和乳酸代謝途徑為生命活動提供能量。在形態(tài)結構方面，莖皮孔膨大并增多，從皮孔長出不定根并具通氣組織；屏障結構具界面保護功能，保護體內(nèi)通氣組織的氧氣不易擴散出去。根尖無屏障結構，離子能透過并進入維管柱，此部位有少量ROL 釋放，緩解環(huán)境有毒害物質對根尖的破壞。

濕地植物適應并具有固定河湖消漲帶土壤的生態(tài)修復功能。泥蒿（Artemisia selengensis）和狗牙根為耐長期淹沒的水陸兩棲植物，泥蒿和虉草（Phalaris arundinacea）等是冬春季生長植物，在水文波動的河湖岸邊，或者特定夏秋/秋冬淹沒區(qū)域，選擇適宜植物種類，能達到固定土壤的生態(tài)修復作用。濕地植物屏障結構發(fā)育與其離子吸收和ROL 釋放之間有密切關系，根莖尖、根尖、側根穿過部位有氧氣釋放，可提高水體氧氣含量，促進污染水體中需氧微生物活動，促進微生物徹底分解有機污染物。根尖是離子吸收部位，植物其余部分特別是莖有發(fā)達屏障結構能抵御離子脅迫，保證植物體存活；去除水體污染離子需選擇根系發(fā)達、根尖數(shù)量多的物種，提高離子吸收效率和氧氣釋放總量；以及發(fā)達根系表面吸附有機污染物，達到凈化水體的目的。