外來入侵種三裂葉豚草對不同水分條件的生理響應

王國驕　孫備　李建東　薛靜　王蕊

摘要：三裂葉豚草（Ambrosia trifida）是一種外來入侵雜草。采用盆栽方法研究三裂葉豚草在不同土壤水分含量條件下葉片生物膜傷害、活性氧代謝和抗氧化酶活性的變化。結果表明，在干旱脅迫下，三裂葉豚草的外滲電導率、丙二醛（MDA）含量、超氧陰離子（O2·-）產生速率和過氧化氫（H2O2）含量均顯著增加；超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化氫酶（CAT）活性顯著降低；過氧化物酶（POD）活性在輕度干旱脅迫下顯著降低，在重度干旱脅迫下顯著升高。水分過量條件下，三裂葉豚草葉片的外滲電導率、MDA含量、活性氧（O2·-和H2O2）水平和抗氧化酶（SOD、CAT和POD）活性無顯著變化。說明三裂葉豚草對干旱脅迫較為敏感，而對過量的土壤水分條件適應性較強。

關鍵詞：三裂葉豚草（Ambrosia trifida）；土壤含水量；生物膜；活性氧代謝；抗氧化酶活性

中圖分類號：S451；Q945.17 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）05-1054-04

入侵植物三裂葉豚草（Ambrosia trifida）生活力強，適應性廣，傳播途徑多，繁殖系數大，容易在非原生地形成單一優勢種，降低自然生態系統的生物多樣性[1，2]，而且三裂葉豚草的花粉是人類過敏癥的重要致敏原[3]。三裂葉豚草于20世紀50年代傳入中國后，在國內建立了優勢種群，現在全國大部分省市均有分布，并形成南京、武漢、南昌—九江、沈陽—鐵嶺—丹東4個發生和擴散中心[4]，已經對農業生產、生態環境和人民健康造成了巨大威脅[3]。因此，研究三裂葉豚草與入侵地生態環境的關系，對于揭示其入侵機制、預測擴散范圍至關重要[5]。

土壤水分是影響植物分布和生長發育的重要生態因子，能夠對外來植物的入侵產生影響[6，7]。野外調查表明，影響三裂葉豚草分布的主要因素是人為干擾程度和土壤水分條件，三裂葉豚草適宜生活在人為干擾程度高和土壤含水量大的生境內。目前，國內外關于三裂葉豚草的研究主要集中在生物學特性、植物競爭[8]和綜合防治[1，9，10]等方面，而對其抗逆生理方面的研究較少[5]。試驗研究了三裂葉豚草在不同的土壤水分含量條件下生理特性變化，旨在了解該外來雜草對環境適應的特點，為預測其潛在分布范圍和有效治理提供理論依據，也為解釋入侵植物在環境脅迫下的響應機制提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗材料為三裂葉豚草。從上一年同一生境內生長發育狀況相似的三裂葉豚草上收集種子，春季進行育苗。

1.2 試驗設計

試驗在防雨棚中盆栽進行。塑料盆的直徑

20 cm，高25 cm，每盆裝土15 kg，當三裂葉豚草幼苗第一對真葉完全展開后，選擇長勢一致的幼苗進行移栽，土壤相對含水量控制在70%～80%，移栽20 d后進行不同水分處理。共設置4個處理：①水分過量處理，土壤含水量為土壤田間最大持水量的90%～100%（W90）；②正常水分處理，土壤含水量為土壤田間最大持水量的70%～80%[ W70，對照（CK）]；③輕度干旱脅迫處理，土壤含水量為土壤田間最大持水量的50%～60%（W50）；④重度干旱脅迫處理，土壤含水量為土壤田間最大持水量的30%～40%（W30）。土壤相對含水量用土壤水分測定儀測定，在每個處理中隨機選10盆，每盆1株，于每天17：00根據當時測定的土壤含水量補水至設定的含水量上限。取樣時間為分枝期、開花期和結實期，每個處理選取上部完全展開的成熟葉片，取樣后放入冰盒，帶入實驗室稱重后放入超低溫冰箱（-85 ℃）中保存，用于各項生理指標測定，每個處理重復3次。

1.3 測定方法

外滲電導率[11]使用DDS-11A型電導儀測定，以相對電導率（%）表示；參照文獻[12]測定丙二醛（MDA）含量、超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化物酶（POD）的活性；參照文獻[13]測定超氧陰離子（O2·-）的產生速率；參照文獻[14]測定過氧化氫（H2O2）含量和過氧化氫酶（CAT）活性。

1.4 數據處理

采用DPS統計軟件進行數據統計，用單因素方差分析（One-way ANOVA）和鄧肯氏新復極差法進行多重比較（P<0.05）。

2 結果與分析

2.1 不同水分條件對三裂葉豚草葉片生物膜的影響

干旱脅迫下植物的細胞膜首先受到損害，膜的透性增大，細胞內含物滲漏。MDA是膜脂過氧化的產物，MDA含量越高，膜脂氧化程度越嚴重。隨著土壤相對含水量的降低，三裂葉豚草葉片的外滲電導率和MDA含量逐漸升高（圖1、圖2）。在各生育時期，水分過量處理的外滲電導率和MDA含量低于對照，但與對照相比無顯著差異。輕度干旱脅迫的外滲電導率和MDA含量顯著高于對照（P<0.05），在結實期分別是對照的2.62和1.23倍。重度干旱脅迫的外滲電導率和MDA含量顯著高于對照和輕度干旱脅迫（P<0.05），在結實期分別是對照的2.95和1.53倍。三裂葉豚草對水分條件較為敏感，土壤含水量降低對其葉片的生物膜造成嚴重損傷。

2.2 不同水分條件對三裂葉豚草葉片活性氧代謝的影響

O2·-和H2O2都屬活性氧（ROS），細胞內ROS的過量積累會導致氧化脅迫，對細胞結構造成嚴重傷害。在各生育時期，水分過量處理的O2·-產生速率和H2O2含量與對照無顯著差異，而隨著土壤相對含水量的降低，三裂葉豚草葉片的O2·-產生速率和H2O2含量顯著升高（圖3，圖4）。在結實期，輕度干旱脅迫處理的O2·-產生速率和H2O2含量比對照分別增加了21.02%和18.71%，差異顯著（P<0.05）。重度干旱脅迫處理的O2·-產生速率和H2O2含量均顯著高于對照和輕度水分脅迫（P<0.05）。表明干旱脅迫使三裂葉豚草葉片的ROS過量積累，最終引起膜脂過氧化。

2.3 不同水分條件對三裂葉豚草葉片抗氧化酶活性的影響

SOD能夠催化O2·-發生歧化反應生成H2O2和O2，而POD和CAT能夠有效地清除H2O2。在各生育時期，水分過量處理的三裂葉豚草葉片的SOD、CAT和POD活性與對照差異不顯著。輕度干旱脅迫處理的SOD、CAT和POD活性顯著降低，在結實期相對于對照分別降低了12.53%，15.48%和21.31%。重度干旱脅迫下，葉片的SOD和CAT活性持續降低，在結實期與對照相比分別降低了23.13%和36.45%，差異顯著（圖5、圖6）。而在分枝期POD活性在重度干旱脅迫下雖然顯著低于對照，但卻顯著高于輕度干旱脅迫處理（圖7）。在開花期和結實期，重度干旱脅迫的POD活性比對照升高了36.48%和78.21%，差異顯著。

3 小結與討論

研究表明，干旱、極端溫度、鹽、紫外線輻射和重金屬等各種脅迫會導致ROS的過量積累，加劇膜脂的過氧化[15]。MDA是膜脂中的多元不飽和脂肪酸氧化后的主要產物之一，并且MDA還能繼續與不飽和脂肪酸發生連鎖反應，破壞膜系統的完整性，使膜的透性增加[15]。細胞膜的透性與細胞膜的損傷密切相關[16]。因此，外滲電導率和MDA含量的高低是反應生物膜受損程度的重要指標[16-18]。本研究表明，水分過量條件下，三裂葉豚草的外滲電導率和MDA含量與對照差異不顯著，而從輕度干旱脅迫開始，三裂葉豚草的外滲電導率和MDA含量顯著升高，說明干旱脅迫導致膜脂過氧化，生物膜的透性增加。黃高峰等[19]的研究表明，菊芋在輕度干旱脅迫（土壤相對含水量60%）下MDA含量無明顯增加，而中度干旱脅迫（土壤相對含水量45%）下菊芋的MDA含量才顯著升高，所以菊芋具有較強的抗旱性?？滋m靜等[20]在研究觀賞草對干旱脅迫的反應時指出，在中度干旱脅迫（土壤相對含水量40%～45%）下外滲電導率顯著增加的觀賞草抗旱性較強。本研究中，三裂葉豚草在輕度干旱脅迫（土壤相對含水量50%～60%）下外滲電導率和MDA含量就顯著升高，說明三裂葉豚草對干旱脅迫較為敏感，這與鄧旭等[6]的研究結果一致。

高等植物的葉綠體、線粒體和過氧化物酶體等細胞器在代謝過程中產生ROS是不可避免的[15]。在正常情況下，ROS的產生和清除維持平衡狀態，但是干旱脅迫打破了這種平衡，引起細胞內的ROS迅速積累[18，19]。O2·-和H2O2等ROS具有極高的活性和毒性，能夠對蛋白質、脂質、碳水化合物和DNA造成傷害，最終導致細胞死亡。本研究中，干旱脅迫下三裂葉豚草的O2·-產生速率和H2O2含量顯著升高是導致生物膜受到損傷的主要原因。在生物進化的過程中，細胞內形成了一系列的抗氧化防御機制來防止ROS的過量積累，SOD、CAT和POD都是清除ROS的關鍵酶[15]。SOD能夠催化O2·-發生歧化反應生成H2O2和O2，而POD和CAT能夠有效地清除H2O2。干旱脅迫下，抗旱能力強的植物保護酶活性較高[19-21]。在菊芋耐旱性的研究中表明，輕度干旱脅迫下菊芋的SOD和CAT活性顯著升高，而重度干旱脅迫下酶活呈下降趨勢[20]。本研究表明，在輕度和重度干旱脅迫下三裂葉豚草的SOD和CAT活性均顯著降低，這說明輕度干旱脅迫已經超出了三裂葉豚草對干旱的忍耐能力，保護酶活性降低，清除ROS的能力受到抑制[21]。

已有研究認為POD的作用具雙重性能[22，23]。一方面為保護效應，Sairam等[24]的研究指出，在干旱脅迫下耐旱的小麥有較高的POD活性，而不耐旱的小麥品種的POD活性較低。另一方面POD參與葉綠素的降解、活性氧的產生，并能引發膜脂過氧化，是植物衰老到一定階段的產物，為一種傷害性反應，可作為植物衰老的指標[23，25]。許長成等[23]指出，耐旱性強的大豆品種在干旱脅迫下POD活性增加幅度較小，而耐旱性弱的大豆品種POD活性顯著升高，POD活性與H2O2含量顯著正相關。本研究中，重度干旱脅迫下POD活性顯著升高與細胞內發生的氧化反應有關。

三裂葉豚草是一種惡性雜草，對其控制的方法主要有人工拔除、化學防除、植物替代和引進天敵等[1，10，26]。而植物替代防治三裂葉豚草，替代植物一旦定植便能長期抑制三裂葉豚草，并且能保持水土，改良土質，提高環境質量，這是一種有效防除的方法[1]。植物替代的基本原理是選擇耐脅迫能力強的多年生的草本和灌木，通過其占據地下空間、爭奪水分和營養的優勢，對三裂葉豚草造成水分和營養脅迫，阻礙豚草正常生長和繁殖。本研究表明，三裂葉豚草對過量水分反應不敏感，而在干旱脅迫下抗氧化酶代謝失調，清除ROS能力喪失，導致葉片損傷較重，表明三裂葉豚草耐濕潤而不耐干旱，雨量充足的濕潤區域是三裂葉豚草的最佳生長區[9]，這不僅有助于研究三裂葉豚草的入侵機制，還可以為植物替代防治豚草提供理論依據。

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