朱一民 李婷 景宇杭 曹洪麟 葉萬輝 沈浩
摘 要:紅樹林濕地生態(tài)系統(tǒng)的恢復與重建是我國南方海岸帶生態(tài)恢復研究的重點領域之一。為明確紅樹植物光適應的生理生態(tài)策略,該文選取無瓣海桑(Sonneratia apetala)、秋茄(Kandelia obovata)、木欖(Bruguiera gymnorhiza)、桐花樹(Aegiceras corniculatum)、老鼠簕(Acanthus ilicifolius)、鹵蕨(Acrostichum aureum)、銀葉樹(Heritiera littoralis)和黃槿(Hibiscus tiliaceus)作為研究對象,通過遮蔭控制試驗,探究這8種紅樹植物一年生幼苗在不同光照強度(自然光強的100%、45%、30%、10%)處理下的葉片可溶性蛋白含量和抗氧化酶活性的響應特征。結果表明:(1)隨光照強度下降,木欖、老鼠簕和鹵蕨的葉片可溶性蛋白含量受到的影響較小,而無瓣海桑、秋茄、桐花樹、銀葉樹和黃槿的葉片可溶性蛋白含量則表現(xiàn)出下降趨勢。(2)木欖、老鼠簕和鹵蕨的超氧化物歧化酶(SOD)和抗壞血酸過氧化物酶(APX)等抗氧化酶活性在10%光照強度處理下的活性與對照無顯著差異,而無瓣海桑、秋茄、桐花樹、銀葉樹和黃槿的抗氧化酶活性則總體呈下降趨勢。從對光照的生理適應角度來看,木欖、老鼠簕和鹵蕨具有一定的耐陰性,適宜種植在郁閉度較高的林下;無瓣海桑、秋茄、桐花樹、銀葉樹和黃槿適宜作為中上層樹種或在郁閉度較低的林下種植。該研究結果為人工紅樹群落的優(yōu)化配置提供了理論指導。
關鍵詞: 紅樹植物, 光照強度, 抗氧化酶, 可溶性蛋白, 生理適應
中圖分類號:Q945.78
文獻標識碼:A
文章編號:1000-3142(2023)04-0606-10
Abstract:The restoration and reconstruction of mangrove wetland ecosystem is one of the key research fields in ecological restoration in the coastal zone of South China. In order to reveal the physiological and ecological strategies to light conditions of mangrovespecies, the characteristics of leaf soluble protein contents and activities of antioxidant enzymes in seedlings of eight mangrove species(Sonneratia apetala, Kandelia obovata, Bruguiera gymnorhiza, Aegiceras corniculatum, Acanthus ilicifolius, Acrostichum aureum, Heritiera littoralis and Hibiscus tiliaceus) under different light intensity treatments (100%, 45%, 30%, and 10% of natural light intensity) were studied using shading control experiment. The results were as follows: (1) Low light intensities had little effect on the leafsoluble protein contents of Bruguiera gymnorhiza, Acanthus ilicifolius and Acrostichum aureum, whereas the other five species showed a decreasing trend of leaf soluble protein contents with the decline in light intensity. (2) The activities of superoxide dismutase (SOD) and ascorbate peroxidase (APX) in the leaves of Bruguiera gymnorhiza, Acanthus ilicifolius and Acrostichum aureum under 10% of natural light intensity treatment had no significant differences compared with the control, while the other five mangrove species showed a decreasing trend of all the five antioxidant enzyme activities. In conclusion, the results indicate that Bruguiera gymnorhiza, Acanthus ilicifolius and Acrostichum aureum are suitable to be planted under the forest with high canopy density, while Sonneratia apetala, Kandelia obovata, Aegiceras corniculatum, Heritiera littoralis, Hibiscus tiliaceus are suitable to be planted under the forest with lower canopy density or planted as middle and upper layer tree species in mangrove. The results of this study provide theoretical guidance for the optimal allocation of artificial mangrove communities.
Key words: mangrove species, light intensity, antioxidant enzymes, soluble protein, physiological adaptation
紅樹植物是生長在熱帶、亞熱帶海岸潮間帶的喬木、灌木或草本植物(Tansley & Fritsch, 1905; 林鵬,1987)。紅樹林因其抵擋海嘯和臺風的能力遠勝于人類工程而素有“海岸衛(wèi)士”的稱號,同時紅樹林還具有多種生態(tài)系統(tǒng)服務功能(Dasgupta & Shaw, 2017)。近一個世紀以來,過度砍伐和養(yǎng)殖開發(fā)等人類活動的影響導致紅樹林發(fā)生了劇烈退化(Krauss et al., 2014; 廖寶文和張喬民,2014;Meng et al., 2016;盧元平等,2019)。隨著人們對紅樹林生態(tài)價值的認識進一步加深,紅樹林濕地已成為國際上生物多樣性保護和濕地生態(tài)保護的重點對象,紅樹林的生態(tài)恢復與重建研究也日益受到重視(Duke et al., 2007)。近年來,我國華南沿海大范圍開展紅樹造林,選用無瓣海桑(Sonneratia apetala)等速生樹種進行紅樹林恢復。這一生長迅速的高大樹種降低了林下環(huán)境的光照水平,由于光是影響植物生長發(fā)育和生存的最重要環(huán)境因子之一,因此無瓣海桑的擴散種植不可避免地對林下本土紅樹植物的生存造成一定影響,這就需要對紅樹林群落結構進一步改造和優(yōu)化。為此,我們開展了外來種無瓣海桑與7種本土紅樹植物在不同光強條件下的生長和生物量分配(譚淑娟等,2020)以及生理生態(tài)特性的系統(tǒng)研究,為人工紅樹林群落的優(yōu)化配置和合理的林分改造提供理論指導。
可溶性蛋白質含量的高低反映了植物新陳代謝是否正常,植物受到脅迫時,細胞會累積水溶性化合物來保護細胞結構(Zhifang & Loescher, 2003)。這類化合物的大量形成,一方面表明植物受到了一定的逆境脅迫,另一方面這些物質作為滲透調節(jié)物質緩解了植物的逆境脅迫(余叔文和湯章城,1999;Huang et al., 2014;丁龍等,2017)。可溶性蛋白中含有許多重要的酶類,對光合作用有重要貢獻的1,5-二磷酸核酮糖(ribulose-1,5-bisphos-phate,RuBP)羧化酶含量超50%,其他成分在氮素代謝中也起著代謝庫的作用(潘遠智,2006)。因此,植物葉片中許多可溶性蛋白都受到光信號的調控,其含量反映了植物生長發(fā)育過程中的自身調節(jié)能力。在植物生長過程中,各種逆境脅迫(如強光、鹽漬、冷凍、營養(yǎng)元素缺乏)??烧T發(fā)細胞內活性氧濃度的增加,從而造成對植物的傷害(McCord & Fridovich, 1969;古今和陳宗瑜,2006;Xie et al., 2008; 普布卓瑪?shù)龋?019)。植物體在長期進化過程中相應地形成了酶促和非酶促兩大類保護系統(tǒng),賦予植物體以清除活性氧的能力,減輕或避免活性氧對細胞造成的傷害(蔣明義等,1994)。其中,抗氧化酶的研究較多,主要包括超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)和谷胱甘肽還原酶(GR)等,通過在植物體內協(xié)同作用清除過量的活性氧,維持活性氧的代謝平衡,使植物在一定程度上抵御逆境脅迫傷害(Liang et al., 2003;陳衛(wèi)東等,2021)。
在不同生境條件下,紅樹植物通常表現(xiàn)出不同的抗氧化酶活性。有研究表明,秋茄(Kandelia obovata)葉片SOD活性在林外全光照條件下顯著大于林內,說明強光條件的脅迫更為明顯(葉勇等,2001;刁俊明等,2009)。高鹽脅迫既可導致秋茄幼苗中的SOD、POD和CAT等抗氧化酶呈先上升后下降的變化趨勢(邢建宏等,2018),也可引起小花木欖(Bruguiera parviflora)葉片H2O2含量的增加,以及APX、GR、SOD活性的增加和CAT活性的顯著下降(鄭海雷等,1998;Parida et al., 2004)。蘇柏予等(2021)的研究表明,紅樹植物組織POD活性在淹水期間呈上升趨勢,CAT、SOD和APX等酶活性呈先上升后下降的變化趨勢,說明水淹會導致植物體內活性氧產(chǎn)生和清除的平衡被打破。以往的研究主要集中在紅樹植物對高鹽、缺氧等不同逆境脅迫的反應,而對光照如何影響紅樹植物葉片的抗氧化酶系統(tǒng)的活性尚缺乏系統(tǒng)研究。為此,本文選擇我國珠三角地區(qū)常見的8種紅樹植物,包括無瓣海桑、秋茄、木欖(Bruguiera gymnorhiza)、桐花樹(Aegiceras corniculatum)、老鼠簕(Acanthus ilicifolius)和鹵蕨(Acrostichum aureum) 6種真紅樹植物和銀葉樹(Heritiera littoralis)、黃槿(Hibiscus tiliaceus) 2種半紅樹植物作為研究對象,通過不同光照條件下葉片可溶性蛋白含量和抗氧化酶活性的比較研究,探討紅樹植物光適應的生理生態(tài)策略有何種間差異,以期為紅樹林的保護和恢復實踐提供科學參考。
1 材料與方法
1.1 試驗區(qū)和種源區(qū)的自然概況
遮蔭試驗于2013年10月至2014年10月在位于廣東省廣州市的中國科學院華南植物園大型實驗生態(tài)學綜合試驗場進行。地理位置為113°21′25.28″ E、23°10′42.79″ N,海拔40 m。該地區(qū)屬南亞熱帶海洋季風氣候類型,全年平均氣溫為20~22 ℃,平均相對濕度為77%,年平均降雨量為1 982.7 mm。
試驗所用紅樹幼苗購自廣東珠海淇澳紅樹林自然保護區(qū)附近的苗圃。該保護區(qū)位于113°36′40″—113°39′15″ E 、22°23′40″—22°27′38″ N ,屬于南亞熱帶海洋性季風氣候(廖寶文等,2008)。區(qū)內年均氣溫為22.2 ℃,基本無霜期,年降雨量為1 875.7 mm,4—10月占全年雨量的84%左右(廖寶文等,2006)。保護區(qū)受降雨、江河徑流和潮汐的影響,海水鹽度在3.31‰~7.05‰之間變化,海域潮汐屬不正規(guī)半日潮(蔡水花等,2016)。
1.2 試驗材料
2013年8月,在珠海淇澳島紅樹林自然保護區(qū)附近的苗圃內選擇苗齡1 a、長勢均一的8種紅樹植物的幼苗。其中,無瓣海桑為外來紅樹植物,原產(chǎn)于孟加拉國,對我國沿海環(huán)境表現(xiàn)出很強的生態(tài)適應性,在珠海淇澳島已有成規(guī)模的造林;其他7種紅樹植物均為本土種,包括5種真紅樹植物(秋茄、木欖、桐花樹、老鼠簕和鹵蕨)和2種半紅樹植物(銀葉樹和黃槿)。8種紅樹植物及其幼苗的生長初始參數(shù)如表1所示。
1.3 試驗設計
共設置4個光強梯度,分別為相對自然光強的100%(T0,對照)、45%(T1)、30% (T2)和10% (T3)(黃陵和詹潮安,2003)。通過不同透光度的黑色尼龍網(wǎng)獲得不同相對光強(T1、T2、T3)。在遮蔭初期,選擇全晴天,用Li-250A照度計 (LI-COR, Inc, USA),每天記錄9:00、12:00、15:00各遮蔭棚內和全光照處理下的光量子通量密度,連續(xù)測定3 d,4個處理的相對全日照光強實測值如表2所示。
將栽植好的幼苗標號并分別置于4個光強處理區(qū)中,每處理每種10~12株。幼苗栽種于13.4 L花盆(上口內徑30 cm,盆底內徑21 cm,高26 cm)中,每盆1株,花盆放置于含有人工配置海水的塑料盆(內徑27.5 cm,高10.5 cm)中,進行遮蔭處理1 a。栽培基質使用珠海淇澳島的海泥,其鹽度、含水量、全氮含量和有機碳含量分別為8.3%、42.9%、1.61%和1.85%。人工海水以粗海鹽和自來水調配而成,含鹽量模擬淇澳島近岸海水平均鹽度,約為6‰。試驗期間監(jiān)測鹽度,適時補充人工海水。
1.4 葉片可溶性蛋白含量和抗氧化酶活性測定
遮蔭處理1 a后,在進行收獲試驗前于4個處理中每個樹種選擇5棵幼苗,每棵幼苗隨機選取6~10片新鮮成熟葉片,用于可溶性蛋白含量和抗氧化酶活性的測定。
用FA1104電子天平(精度為0.000 1 g)稱取新鮮葉片0.3 g 左右,加入預冷的1.8 mL 提取液(內含0.05 mol·L-1 pH 7.8 磷酸緩沖液,1 mmol·L-1 EDTA-Na2,1%PVP)冰浴研磨至勻漿,在4 ℃下16 000 g離心20 min,上清液用于可溶性蛋白含量及酶活性測定。以牛血清蛋白作標準曲線,用考馬斯亮蘭染色法(Bradford, 1976)測定可溶性蛋白含量。
SOD活性參照Giannopolitis和Ries (1977)的方法測定,以0.05 mol·L-1 pH 7.8的磷酸緩沖液代替酶液作空白,以抑制光化還原氮藍四唑50%為一個酶活力單位(U),酶的活性以U·g-1 FW表示(FW表示樣品鮮重)。過氧化氫酶(CAT)活性測定參照Chance和Maehly (1955)的方法,以每1min引起OD240變化0.01所需的酶量為一個酶活力單位(U),酶的活性以U·g-1 FW·min-1表示。過氧化物酶(POD)活性參照陳貽竹和王以柔(1989)的方法,以每1min引起OD470變化0.01為1個酶活力單位(U),酶的活性以U·g-1 FW·min-1表示??箟难幔ˋsA)過氧化物酶(APX)活性參照Nakano和Asada(1981)的方法測定,以每1 min氧化1 ol AsA的酶量為一個酶活力單位,酶活性以mol AsA· g-1 FW·min-1表示。谷胱甘肽還原酶(GR)活性參照Foyer和Halliwell(1976)的方法,以3 min內OD340的變化量表示一個酶活力單位,酶的活性以U·g-1 FW·min-1表示。
1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析
用Microsoft Excel 2013軟件計算平均值和標準誤,采用SPSS 13.0(SPSS Inc., Chicago, IL, USA)軟件進行統(tǒng)計分析,當P < 0.05時表示有統(tǒng)計學意義。各光強處理間可溶性蛋白含量及各抗氧化酶活性的差異使用單因素方差分析(one-way ANOVA)進行顯著性檢驗,當差異顯著時以Tukey post hoc comparisons法進行多重比較。
2 結果與分析
2.1 可溶性蛋白含量
光強對葉片可溶性蛋白含量的影響因紅樹種類不同而異,遮蔭對無瓣海桑、秋茄、桐花樹、老鼠簕、黃槿和銀葉樹幼苗葉片可溶性蛋白含量有顯著影響,而對木欖和鹵蕨幼苗的影響不顯著(表3)。在遮蔭處理下,無瓣海桑、秋茄、桐花樹和老鼠簕幼苗葉片可溶性蛋白含量顯著低于對照,在低光照處理間差異不顯著;銀葉樹和黃槿葉片可溶性蛋白含量在100%、45%和30%光照處理間差異不顯著,在10%光照處理下顯著下降(圖1)。
同一物種不同字母表示各光照處理間存在顯著差異(P<0.05); ns表示無顯著差異(P>0.05)。物種縮寫見表1,下同。
2.2 抗氧化酶活性
單因素方差分析結果(表3)表明,遮蔭顯著影響無瓣海桑、木欖、老鼠簕和銀葉樹、黃槿幼苗的葉片SOD活性,而對秋茄、桐花樹和鹵蕨幼苗無顯著影響。由圖2可知,隨著處理光照強度的下降,幼苗葉片SOD活性呈先上升后下降的趨勢,無瓣海桑和老鼠簕的葉片SOD活性在100%、45%、30%光照處理間無顯著差異,在10%光照處理下顯著降低,SOD活性顯著低于其他各處理;木欖、黃槿和銀葉樹在45%、30%光照處理下葉片SOD活性較高,顯著高于100%、10%光照處理。
遮蔭對8種紅樹植物幼苗葉片CAT和POD的活性均有顯著影響。無瓣海桑、老鼠簕、銀葉樹葉片的CAT活性隨光照強度的下降顯著降低,秋茄、木欖、桐花樹和鹵蕨葉片CAT活性隨光照強度的下降呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,除桐花樹外,其他3種紅樹植物的CAT活性在45%光照處理下顯著高于其他處理,黃槿葉片CAT活性在遮蔭處理下顯著高于對照處理,并在3個遮蔭處理間差異較小(圖2)。
無瓣海桑、秋茄、木欖、桐花樹、銀葉樹和黃槿的葉片POD活性隨光照強度的下降顯著升高,POD活性在10%光照處理組最高,顯著高于其他各處理,老鼠簕和鹵蕨在低光處理(30%、10%光照)下葉片POD活性顯著降低,顯著低于對照處理。從圖2還可以看出,8種紅樹植物幼苗葉片POD活性存在較大的種間差異,其中無瓣海桑、木欖和桐花樹等真紅樹植物葉片POD活性顯著低于半紅樹植物銀葉樹和黃槿,半紅樹植物葉片POD活性變化在426.3~1 643.6 U·g-1 FW·min-1之間,真紅樹植物變化在1.4~724.0 U·g-1 FW·min-1之間。
不同光照強度處理下,8種紅樹幼苗葉片APX和GR活性如圖3所示。單因素方差分析結果(表3)表明,遮蔭對8種紅樹植物幼苗APX活性均產(chǎn)生顯著影響。無瓣海桑和桐花樹葉片APX活性隨光照強度下降而顯著降低,在低光照處理下顯著低于對照處理;秋茄、木欖、老鼠簕、鹵蕨、銀葉樹葉片的APX活性在45%光照處理組最高;黃槿葉片APX活性在30%光照處理組最高,在10%光照處理組最低。遮蔭對葉片GR活性的影響在無瓣海桑、秋茄、木欖、桐花樹、老鼠簕、鹵蕨和銀葉樹幼苗中表現(xiàn)顯著,在黃槿幼苗中表現(xiàn)不顯著。無瓣海桑、秋茄、木欖、桐花樹、鹵蕨、銀葉樹葉片的GR活性隨光照強度的下降而顯著降低,但在低光照處理(30%、10%光照)間不存在顯著差異;老鼠簕葉片GR活性在遮蔭處理下有較大幅度的下降,并在4個光照處理間均存在顯著差異。
3 討論
3.1 可溶性蛋白含量
可溶性蛋白含量的降低是逆境對植物的一種傷害作用(Huang et al., 2014; 李先民等,2019)。光照不足會使植物體內可溶性蛋白含量降低,植物衰老加快(招禮軍等,2022)。耐陰能力強的植物在遮蔭條件下可以維持其可溶性蛋白含量(Deng et al., 2012)。本研究發(fā)現(xiàn),木欖和鹵蕨幼苗的葉片可溶性蛋白含量在遮蔭處理時與對照相比無顯著差異,表明這兩種紅樹植物幼苗在不同的光照強度下都可以對葉片可溶性蛋白含量進行有效調節(jié),從而緩解光照不足對幼苗的影響(Annicchiarico et al., 2013)。老鼠簕作為淇澳島紅樹林自然更新的主要樹種,在10%的光照強度處理下仍可以維持較高水平的可溶性蛋白含量,表明其具有較強的耐蔭能力,適合在林下種植。無瓣海桑、銀葉樹和黃槿在遮蔭條件下不能通過對可溶性蛋白含量進行有效調節(jié)來緩解弱光脅迫。因此,均不適合在郁閉度較高的紅樹林群落進行林下種植。
3.2 抗氧化酶活性
本研究在選取的8種紅樹植物中,SOD活性均隨光照強度的下降表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢,這種變化趨勢與紅樹植物在脅迫環(huán)境中SOD的變化趨勢一致(李詩川等,2014;Wang et al., 2014; 趙胡等,2014;蘇柏予等,2021),表明紅樹幼苗在遮蔭條件下清除活性氧自由基的能力降低,紅樹幼苗生長受到限制(譚淑娟等,2020)。招禮軍等(2022)針對林緣、林窗和林下三種生境下濱海過渡帶重要樹種膝柄木(Bhesa robusta)的生態(tài)適應研究發(fā)現(xiàn),其幼苗在長期光照不足的環(huán)境下表現(xiàn)出抗氧化酶活性降低,使得植物生長受到抑制。
POD可以催化H2O2的分解,從而阻止因植物體內過氧化物積累而引起的細胞中毒。本研究中,除老鼠簕和鹵蕨外,其余6種紅樹植物的POD活性均表現(xiàn)為上升趨勢。張?zhí)m等(2021)研究表明在受到遮蔭處理時,這6種紅樹植物均能夠通過調高自身POD活性來緩解弱光逆境所引起的體內H2O2的積累;而老鼠簕和鹵蕨作為耐陰植物,強光對它們來說構成脅迫環(huán)境,其在強光條件下表現(xiàn)出更高的POD活性。高光脅迫下POD活性的上升可緩解其造成的過氧化傷害(Sano et al., 2020)。相比于真紅樹植物,本研究中的2種半紅樹植物均表現(xiàn)出高得多的POD活性,這可能與半紅樹植物與真紅樹植物之間的生理差異有關(黃依依等,2020)。
CAT在植物體內能將H2O2分解為水和氧氣,使植物體免受H2O2的毒害(Wang et al., 2017; Aires et al., 2021)。植物在受到弱光脅迫時CAT合成受到抑制,表現(xiàn)出下降趨勢(招禮軍等,2022)。本研究發(fā)現(xiàn),無瓣海桑、老鼠簕和銀葉樹的CAT活性亦表現(xiàn)出隨光照強度下降而下降的趨勢,而秋茄、木欖、桐花樹和鹵蕨的CAT活性卻隨光照強度的降低表現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢。這表明幼苗受到了一定程度的低光脅迫,對H2O2轉化的能力有所下降(Wang et al., 2017)。本研究表明CAT活性沒有表現(xiàn)出與POD活性一致的變化趨勢,這一現(xiàn)象與前人(梁芳等,2020;Aires et al., 2021)的研究結果一致。這兩種抗氧化酶之所以對遮蔭的響應程度不一,可能與POD不僅參與H2O2的解毒,還參與細胞對乳酸和乙醇的解毒有關(蘇柏予等,2021)。Aires等(2021)認為,在不同光照強度下植物會選擇性激活POD和CAT其中之一來防止細胞膜脂過氧化。一般來說,植物會優(yōu)先選擇抗氧化效率更高的CAT(Hasanuzzaman et al., 2018)。本研究中,由于紅樹植物在遮蔭條件下CAT活性受到抑制,因此POD活性的升高可能是紅樹植物保護細胞膜免受H2O2傷害的重要途徑。
有研究表明,在弱光等逆境條件下植物體依賴抗壞血酸的H2O2清除途徑的酶活性通常增加(壽森炎等,2000;陳堅等,2013)。APX和GR作為依賴抗壞血酸的H2O2清除途徑的主要抗氧化酶,主要存在于葉綠體中(壽森炎等,2000)。當植物受到弱光脅迫時,相關抗氧化酶基因在葉綠體中的表達被激活,增加植物體內抗氧化酶的含量,以此避免光照不足可能對植物帶來的過氧化傷害(Wang et al., 2020; Aires et al., 2021)。本研究中,APX和GR表現(xiàn)出不同的變化趨勢,即隨著生長光強的降低,APX總體表現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢,而GR則表現(xiàn)出下降趨勢,表明遮蔭導致葉綠體中H2O2過量生成已經(jīng)超過了酶系統(tǒng)的清除能力,酶系統(tǒng)受到破壞,對脅迫的抗性降低。Wang等 (2020)的研究表明,當光照強度超過一定閾值時,相關抗氧化酶的基因表達量下降,植物將可能受到膜脂過氧化的傷害。
有研究表明,抗氧化酶是緩解環(huán)境脅迫對植物造成的過氧化傷害的主要物質,并在脅迫環(huán)境下,抗氧化酶系統(tǒng)會被迅速激活(Deng et al., 2012; Wang et al., 2017; Sano et al., 2020),而植物受到有效光合輻射長期不足時,體內的SOD、POD和APX等抗氧化酶活性均會降低,從而使得植物清除自由基的能力降低,植物代謝受到阻礙,最終導致植物生長受到抑制(何培磊等,2021;張?zhí)m等,2021;招禮軍等,2022)。本研究中,不同紅樹幼苗葉片抗氧化酶活性在遮蔭條件下的總體變化趨勢因物種而異,反映了不同紅樹物種適應光強的生理生態(tài)策略的差異,即木欖、老鼠簕和鹵蕨的SOD和APX等抗氧化酶活性在10%光照強度處理下的活性與對照并無顯著差異,表明其在重度遮蔭條件下仍能維持抗氧化酶系統(tǒng)的正常運作;而無瓣海桑、秋茄、桐花樹、銀葉樹和黃槿的抗氧化酶活性表現(xiàn)出總體下降的趨勢,表明在遮蔭條件下,抗氧化酶系統(tǒng)難以做出適當調節(jié),其活力和平衡受到破壞,導致植株生長狀態(tài)不良。譚淑娟等(2020)研究發(fā)現(xiàn),無瓣海桑在遮蔭條件下存活率顯著下降,莖高增長受到抑制,無瓣海桑、秋茄和黃槿的生物量在遮蔭條件下顯著下降,而老鼠簕的生物量和莖高增長量則顯著增加,結合本研究結果說明可溶性蛋白含量和抗氧化酶活性可以在一定程度上表征植物的生長狀態(tài)。由此可以推斷,木欖、老鼠簕和鹵蕨在生理上表現(xiàn)出對不同光強的適應性,適宜作為林下物種對紅樹林群落進行改造,而無瓣海桑、秋茄、桐花樹、銀葉樹和黃槿適宜作為中上層樹種或在郁閉度較低的林下種植。
4 結論
木欖、老鼠簕和鹵蕨在可溶性蛋白含量上表現(xiàn)出了對不同光照強度的適應性,可以作為紅樹林更新的備選樹種用于林下栽培;而無瓣海桑、秋茄、桐花樹、銀葉樹和黃槿在遮蔭條件下可溶性蛋白含量的變化表明其受到逆境脅迫,適合將其栽培在郁閉度較低的林下或將其作為中上層樹種。從SOD、POD和APX等抗氧化酶活性來看,當光照強度降至30%及以下時,無瓣海桑、秋茄、桐花樹、銀葉樹和黃槿通過抗氧化酶緩解活性氧毒害的能力下降,植株表現(xiàn)出脅迫傷害,說明其不適合在郁閉度較高的林下種植。因此,若要科學地選擇適合在郁閉度極高的無瓣海桑群落進行林分改造的本土紅樹植物,就要充分考慮各種本土紅樹植物在不同光照條件下生長狀態(tài)和生理生態(tài)特征的適應性差異,從而對紅樹林群落進行林分改造,以豐富紅樹林群落的生物多樣性,改善其生態(tài)系統(tǒng)服務功能。
參考文獻:
AIRES ES, ARAGAO CA, DANTAS BF, et al., 2021. Light intensity modulates the accumulation of carbohydrates, antioxidant enzymes and production of iceberg lettuce under tropical conditions [J]. Horticulturae, 7(12): 553.
ANNICCHIARICO P, PECETTI L, TAVA A, 2013. Physiological and morphological traits associated with adaptation of lucerne (Medicago sativa) to severely drought-stressed and to irrigated environments [J]. Ann Appl Biol, 162(1): 27-40.
BRADFORD MM, 1976. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding [J]. Anal Biochem, 72(1/2): 248-254.
CAI SH, LI T, ZHOU GX, et al., 2016. Gas exchange characteristics in the mangrove associate Hibiscus tiliaceus [J]. Guihaia, 36(4): 397-404.[蔡水花, 李婷, 周光霞, 等, 2016. 半紅樹植物黃槿的氣體交換特性 [J]. 廣西植物, 36(4): 397-404.]
CHANCE B, MAEHLY AC, 1955. Assay of catalase and peroxidase [J]. Meth Enzymol, 2: 764-775.
CHEN J, LI NY, LIU Q, et al., 2013. Antioxidant defense and photosynthesis for non-indigenous mangrove species Sonneratia apetala and Laguncularia racemosa under NaCl stress [J]. Chin J Plant Ecol, 37(5): 443-453.[陳堅, 李妮亞, 劉強, 等, 2013. NaCl處理下兩種引進紅樹的光合及抗氧化防御能力 [J]. 植物生態(tài)學報, 37(5): 443-453.]
CHEN WD, ZHANG YX, CONG BM, et al., 2021. Effects of potassium fertilizer on MDA, SP content and antioxidant system of alfalfa root neck [J]. Acta Agr Sin, 29(4): 717-723.[陳衛(wèi)東, 張玉霞, 叢百明, 等, 2021. 鉀肥對紫花苜蓿根頸丙二醛、可溶性蛋白含量與抗氧化系統(tǒng)的影響 [J]. 草地學報, 29(4): 717-723.]
CHEN YZ, WANG YR, 1989. Study on peroxidase (POD) in litchi fruit [J]. Acta Bot Austro Sin, 5: 47-52.[陳貽竹, 王以柔, 1989. 荔枝果實過氧化物酶(POD)的研究 [J]. 中國科學院華南植物研究所集刊, 5: 47-52.]
DASGUPTA R, SHAW R, 2017. Participatory mangrove management in a changing climate [M]. Tokyo: Springer.
DENG YM, SHAO QS, LI CC, et al., 2012. Differential responses of double petal and multi petal jasmine to shading: II. Morphology, anatomy and physiology [J]. Sci Hortic, 144: 19-28.
DING L, ZHAO HM, ZENG WJ, et al., 2017. Physiological responses of five plants in northwest China arid area under drought stress [J]. Chin J Appl Ecol, 28(5): 1455-1463.[丁龍, 趙慧敏, 曾文靜, 等, 2017. 五種西北旱區(qū)植物對干旱脅迫的生理響應 [J]. 應用生態(tài)學報, 28(5): 1455-1463.]
DIAO JM, PENG YS, ZHENG MX, et al., 2009. The growth and physiological ecological responses of mangroves to low light level: a review [J]. J Jiaying Univ, 27(3): 69-74.[刁俊明, 彭逸生, 鄭明軒, 等, 2009. 紅樹植物對低光照水平的生長及生理生態(tài)響應研究進展 [J]. 嘉應學院學報, 27(3): 69-74.]
DUKE N, MEYNECKE JO, DITTMANN S, et al., 2007. A world without mangroves? [J]. Science, 317(5834): 41-42.
FOYER CH, HALLIWELL B, 1976. The presence of glutathione and glutathione reductase in chloroplasts: a proposed role in ascorbic acid metabolism [J]. Planta, 133(1): 21-25.
GIANNOPOLITIS CN, RIES SK, 1977. Superoxide dismutases I. Occurrence in higher plants [J]. Plant Physiol, 59(2): 309-314.
GU J, CHEN ZY, et al., 2006. Response mechanism of plant enzymatic system to UV-B radiation [J]. Chin J Ecol, 25(10): 1269-1274.[古今, 陳宗瑜, 2006. 植物酶系統(tǒng)對UV-B輻射的響應機制 [J]. 生態(tài)學雜志, 25(10): 1269-1274.]
HASANUZZAMAN M, NAHAR K, ANEE TI, et al., 2018. Silicon-mediated regulation of antioxidant defense and glyoxalase systems confers drought stress tolerance in Brassica napus L. [J]. S Afr J Bot, 115: 50-57.
HE PL, YE ZH, SUN YJ, et al., 2021. Alleviating effects of ALA on light stress of chrysanthemum antioxidant enzyme system [J]. Jiangsu Agric Sci, 49(1): 107-111.[何培磊, 葉自慧, 孫延軍, 等, 2021. ALA對菊花抗氧化酶系統(tǒng)光照脅迫效應的緩解作用 [J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學, 49(1): 107-111.]
HUANG CJ, WEI G, JIE YC, et al., 2014. Effects of concentrations of sodium chloride on photosynthesis, antioxidative enzymes, growth and fiber yield of hybrid ramie [J]. Plant Physiol Biochem, 76: 86-93.
HUANG L, ZHAN CA, 2003. Analysis on introduction and trial of mangrove Sonneratia apetala on the seashore of east Guangdong [J]. For Sci Technol, 5(2): 7-8.[黃陵, 詹潮安, 2003. 粵東沿海引種無瓣海桑試驗研究 [J]. 林業(yè)實用技術, 5(2): 7-8.]
HUANG YY, CAI SH, TAN SJ, et al., 2020. Comparative study on leaf traits of true mangrove and semi-mangrove species [J]. Guihaia, 40(3): 345-355.[黃依依, 蔡水花, 譚淑娟, 等, 2020. 真紅樹植物和半紅樹植物葉片性狀的比較研究[J]. 廣西植物, 40(3): 345-355.]
JIANG MY, YANG WY, XU J, et al., 1994. Osmotic stress-induced oxidative injury of rice seedlings [J]. Acta Agron Sin, 20(6): 733-738.[蔣明義, 楊文英, 徐江, 等, 1994. 滲透脅迫誘導水稻幼苗的氧化傷害 [J]. 作物學報, 20(6): 733-738.]
KRAUSS KW, MCKEE KL, LOVELOCK CE, et al., 2014. How mangrove forests adjust to rising sea level [J]. New Phytol, 202(1): 19-34.
LI SC, LI NY, LIU Q, et al., 2014. Analyses on ion accumulation, photosynthetic and antioxidant capacities and their correlations of mangrove plants in Sonneratia [J]. J Plant Resour Environ, 23(3): 15-23.[李詩川, 李妮亞, 劉強, 等, 2014. 海桑屬紅樹植物離子積累、光合和抗氧化能力及相關性分析 [J]. 植物資源與環(huán)境學報, 23(3): 15-23.]
LI XM, LI CN, LIU XL, et al., 2019. Effect of shading on leaf growth and primary metabolism of Camellia azalea seedlings [J]. Acta Bot Boreal-Occident Sin, 39(2): 294-301.[李先民, 李春牛, 劉新亮, 等, 2019. 遮陰對杜鵑紅山茶幼苗葉片生長特性及初生代謝的影響 [J]. 西北植物學報, 39(2): 294-301.]
LIANG F, PAN YJ, DENG X, et al., 2020. Responses of Barringtonia racemosa to tidal flooding [J]. Fujian J Agric Sci, 35(12): 1346-1356.[梁芳, 潘艷菊, 鄧旭, 等, 2020. 瀕危半紅樹植物玉蕊對潮汐淹浸逆境的應答特性分析 [J]. 福建農(nóng)業(yè)學報, 35(12): 1346-1356.]
LIANG YC, CHEN Q, LIU Q, et al., 2003. Exogenous silicon (Si) increases antioxidant enzyme activity and reduces lipid peroxidation in roots of salt-stressed barley (Hordeum vulgare L.) [J]. J Plant Physiol, 160(10): 1157-1164.
LIAO BW, TIAN GH, YANG XB, et al., 2006. The analysis of natural regeneration and diffusion of the seedling of Sonneratia apetala in the Qiao Island, Zhuhai [J]. Ecol Sci, 25(6): 485-488.[廖寶文, 田廣紅, 楊雄邦, 等, 2006. 珠海淇澳島無瓣海桑種苗天然更新與擴散分析 [J]. 生態(tài)科學, 25(6): 485-488.]
LIAO BW, TIAN GH, YANG XB, et al., 2008. The analysis of natural regeneration and diffusion of the seedling of Sonneratia apetala in the Qiao Island, Zhuhai [J]. Ecol Sci, 25(6): 485-488.[廖寶文, 田廣紅, 楊雄邦, 等, 2008. 珠海淇澳島無瓣海桑種苗天然更新與擴散分析 [J]. 生態(tài)科學, 25(6): 485-488.]
LIAO BW, ZHANG QM, 2014. Area, distribution and species composition of mangroves in China [J]. Wetland Sci, 12(4): 435-440.[廖寶文, 張喬民, 2014. 中國紅樹林的分布、面積和樹種組成 [J]. 濕地科學, 12(4): 435-440.]
LIN P, 1987. Distribution of mangrove species [J]. Sci Silv Sin, 23(4): 481-490.[林鵬, 1987. 紅樹林的種類及其分布 [J]. 林業(yè)科學, 23(4): 481-490.]
LU YP, XU WH, ZHANG ZM, et al., 2019. Gap analysis of mangrove ecosystem conservation in China [J]. Acta Ecol Sin, 39(2): 684-691.[盧元平, 徐衛(wèi)華, 張志明, 等, 2019. 中國紅樹林生態(tài)系統(tǒng)保護空缺分析 [J]. 生態(tài)學報, 39(2): 684-691.]
MCCORD JM, FRIDOVICH I, 1969. Superoxide dismutase: an enzymic function for erythrocuprein (hemocuprein) [J]. J Biol Chem, 244(22): 6049-6055.
MENG XW, XIA P, LI Z, et al., 2016. Mangrove degradation and response to anthropogenic disturbance in the Maowei Sea (SW China) since 1926 AD: mangrove-derived OM and pollen [J]. Org Geochem, 98: 166-175.
NAKANO Y, ASADA K, 1981. Hydrogen peroxide is scavenged by ascorbate-specific peroxidase in spinach chloroplasts [J]. Plant Cell Physiol, 22(5): 867-880.
PAN YZ, JIANG MY, 2006. Effects of shade on the photosynthetic characteristics and growth of poinsettia [J]. Acta Hortic Sin, 33(1): 95-100.[潘遠智, 江明艷, 2006. 遮蔭對盆栽一品紅光合特性及生長的影響 [J]. 園藝學報, 33(1): 95-100.]
PARIDA AK, DAS AB, MOHANTY P, 2004. Defense potentials to NaCl in a mangrove, Bruguiera parviflora: Differential changes of isoforms of some antioxidative enzymes [J]. Plant Physiol, 161(5): 531-542.
PUBU ZM, LUO YL, GAO JZ, et al., 2019. Effect of 2,4-epibrassinolide on antioxidant defense and osmotic adjustment of Elymus nutans under low temperature stress [J]. Acta Agr Sin, 27(3): 547-552. [普布卓瑪, 羅藝嵐, 高金柱, 等, 2019. 2, 4表-油菜素內酯對低溫脅迫下西藏野生垂穗披堿草幼苗抗氧化保護和滲透調節(jié)的影響 [J]. 草地學報, 27(3): 547-552.]
SANO S, TAKEMOTO T, OGIHARA A, et al., 2020. Stress responses of shade-treated tea leaves to high light exposure after removal of shading [J]. Plants-Basel, 9(3): 302-315.
SHOU SY, YANG XT, ZHU ZJ, et al., 2000. Effect of nitrogen form and light intensity on the growth and activities of antioxidative enzymes in tomato [J]. J Zhejiang Univ(Agric Life Sci), 26(5): 500-504.[壽森炎, 楊信廷, 朱祝軍, 等, 2000. 氮素形態(tài)和光照強度對番茄生長及抗氧化酶活性的影響 [J]. 浙江大學學報(農(nóng)業(yè)與生命科學版), 26(5): 500-504.]
SU BY, ZHANG WS, WANG YS, 2021. Response of antioxidant enzyme systems in root tissues of three mangrove species to waterlogging stress [J]. J Trop Oceanogr, 41(6): 35-43.[蘇柏予, 張維仕, 王友紹, 2021. 三種紅樹根部組織抗氧化酶活性對水淹脅迫的響應 [J]. 熱帶海洋學報, 41(6): 35-43.]
TANSLEY AG, FRITSCH FE, 1905. Sketches of vegetation at home and abroad (I): The flora of the Ceylon littoral [J]. New Phytol, 4(1): 1-17, 27-55.
TAN SJ, LI T, YU SR, et al., 2020. Effects of light intensity on growth and biomass allocation of seedlings of the eight mangrove species [J]. Ecol Sci, 39(3): 139-146.[譚淑娟, 李婷, 余素睿, 等, 2020. 光照強度對8種紅樹植物幼苗生長和生物量分配的影響 [J]. 生態(tài)科學, 39(3): 139-146.]
WANG LF, 2014. Physiological and molecular responses to variation of light intensity in rubber tree (Hevea brasiliensis Muell. Arg.) [J]. PLoS ONE, 9(2): e89514.
WANG Y, TONG YF, CHU HL, et al., 2017. Effects of different light qualities on seedling growth and chlorophyll fluorescence parameters of Dendrobium officinale [J]. Biologia, 72(7): 735-744.
XIE ZX, DUAN LS, TIAN XL, et al., 2008. Coronatine alleviates salinity stress in cotton by improving the antioxidative defense system and radical-scavenging activity [J]. J Plant Physiol, 165(4): 375-384.
XING JH, PAN DZ, TAN FL, et al., 2018. Effect of NaCl stress on antioxidant system in Kandelia candel roots [J]. J Trop Subtrop Bot, 26(3): 241-248.[邢建宏, 潘德灼, 譚芳林, 等, 2018. NaCl脅迫對秋茄幼苗根系抗氧化系統(tǒng)的影響 [J].熱帶亞熱帶植物學報, 26(3): 241-248.]
YE Y, TAN FY, LU CY, 2001. Effects of soil texture and light on growth and physiology parameters in Kandelia candel [J]. Acta Phytoecol Sin, 25(1): 42-49.[葉勇, 譚鳳儀, 盧昌義, 2001. 土壤結構與光照水平對秋茄某些生長和生理參數(shù)的影響 [J].植物生態(tài)學報, 25(1): 42-49.]
YIN YQ, HU JB, DENG MJ, 2007.Latest development of antioxidant system and responses to stress in plant leaves [J]. Chin Agric Sci Bull, 23(1): 105-110.[尹永強, 胡建斌, 鄧明軍, 2007. 植物葉片抗氧化系統(tǒng)及其對逆境脅迫的響應研究進展 [J]. 中國農(nóng)學通報, 23(1): 105-110.]
YU SW, TANG ZC, 1999.Plant physiology and molecular biology[M]. Beijing: Science Press: 739-745.[余叔文, 湯章城, 1999. 植物生理和分子生物學 [M]. 北京: 科學出版社: 739-745.]
ZHANG L, WANG J, ZHANG JF, et al., 2021. Responses of growth and physiological characteristics of Quercus wutaishanica seedlings to the light intensity [J]. J Cent S Univ For Technol, 41(11): 73-81.[張?zhí)m, 王靜, 張金峰, 等, 2021. 遼東櫟幼苗生長和生理特性對光照強度的響應 [J]. 中南林業(yè)科技大學學報, 41(11): 73-81.]
ZHAO H, TANG J, ZHENG WJ, 2016. Effects of Cu2+ stress on the growth and some physiological characteristics of mangrove Kandelia obovate [J]. Marine Sci, 40(4): 65-72.[趙胡, 唐俊, 鄭文教, 2016. 重金屬 Cu2+脅迫對紅樹植物秋 茄幼苗生長及某些生理特性的影響 [J]. 海洋科學, 40(4): 65-72.]
ZHAO LJ, QUAN JH, ZHU LQ, et al., 2022. Ecological adaptability of endangered plant Bhesa robusta sapling in different habitats [J]. Guihaia, 42(3): 501-509.[招禮軍, 權佳惠, 朱栗瓊, 等, 2022. 不同生境下瀕危植物膝柄木幼樹的生態(tài)適應性 [J]. 廣西植物, 42(3): 501-509.]
ZHENG HL, LIN P, 1998. Effect of salinity on membrane protection system for B. sexangula and B. gymnorrhiza seedling [J]. J Xiamen Univ (Nat Sci Ed), 37(1): 135-139.[鄭海雷, 林鵬, 1998. 培養(yǎng)鹽度對海蓮和木欖幼苗膜保護系統(tǒng)的影響 [J]. 廈門大學學報(自然科學版), 37(1): 135-139.]
ZHIFANG G, LOESCHER WH, 2003. Expression of a celery mannose 6-phosphate reductase in Arabidopsis thaliana enhances salt tolerance and induces biosynthesis of both mannitol and a glucosyl-mannitol dimer [J]. Plant Cell Environ, 26(2): 275-283.
(責任編輯 蔣巧媛 鄧斯麗)