弱光下不同水深對長喙毛茛澤瀉生長及生理特性的影響

朱光冕,曾柏全,*,曾文斌,沈 燕,詹 鵬,陳介南,呂賢良

1 中南林業(yè)科技大學生命科學與技術(shù)學院,長沙 410000 2 浙江省麗水市蓮都區(qū)林業(yè)局,麗水 323000

在野外由于季節(jié)性降雨,水文條件較為復雜,濕生植物常生活在一個動態(tài)的環(huán)境中,經(jīng)歷洪水期、常水期和枯水期,水深的周期性變化對植物生長具有重要影響[1- 2]。不同植物對水深變化的響應(yīng)不同,在水深不適宜時,適應(yīng)性強的植物可以通過改變其生長情況和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量來適應(yīng)不良的水深環(huán)境[3- 4]。光是植物生存和生長發(fā)育重要的環(huán)境因子之一,過度光照不僅會抑制植物的光合作用,還會導致光合器官的損傷[5]。光照不足則會對植物產(chǎn)生不利的影響,弱光脅迫下植物的形態(tài)建成和生理生化過程往往會發(fā)生重大改變,其抗氧化物酶[6]、光合生理特性[7]、生物量及葉型特征[8]等生理生態(tài)特征都將出現(xiàn)顯著性變化。

長喙毛茛澤瀉(Ranalismarostratum)為澤瀉科(Alismataceae)毛茛澤瀉屬(Ranalisma),蓮座狀沼生小草本[9]。該屬有2種,在我國僅長喙毛茛澤瀉1種,其天然種群僅分布在湖南茶陵,浙江麗水和江西東鄉(xiāng)局部生境[10]。由于人類對其生境的破壞和植物本身生存、競爭能力較差,湖南茶陵和江西東鄉(xiāng)野外種群已消失[11]。該種在分類學上具有特殊地位,為國家一級保護野生植物[12]。野外調(diào)查表明,長喙毛茛澤瀉分布于林下遮蔭地帶的淺水沼澤中,能忍受一定時間的水淹,但不能在深水中長期生存；在光照強度較高的地方,植株葉片往往發(fā)生葉片發(fā)黃的現(xiàn)象,而光照不足又導致植株矮小、生長緩慢。目前,對長喙毛茛澤瀉的研究主要集中在生物學特性[9-11]和繁殖特性[13-14]等方面,但從水深和光照強度對植物的生長和生理特性的影響未見報道。本試驗通過在人工氣候箱內(nèi)進行盆栽控水模擬不同水深和光照強度對于長喙毛茛澤瀉生長和生理特性的影響,探討植物野外瀕危原因及其對環(huán)境的適應(yīng)能力,為遷地保護和種群恢復提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

供試材料采自浙江省麗水市蓮都區(qū)南明山。試驗地位于湖南省中南林業(yè)科技大學生命科學與技術(shù)學院(27°6′—28°10′N,111°6′—113°10′E),屬亞熱帶季風氣候區(qū),年降水量1300—1500 mm,年日照數(shù)1450—1686 h,年平均氣溫15.9—18.2℃。

1.2 試驗材料

選用生長旺盛、長勢基本一致的長喙毛茛澤瀉作為供試材料,平均苗高(6±0.5)cm,葉片數(shù)為8葉,葉片呈卵圓形。實驗采用盆栽法,盆缽規(guī)格為33 cm×19 cm×14 cm(長×寬×高)。

1.3 弱光和水深處理

2017年8月將盆栽苗移入人工氣候箱內(nèi)進行緩苗處理,培養(yǎng)條件為光照時間13 h,白天溫度為(25±2)℃,夜間溫度為(18±2)℃,晝夜?jié)穸?80±5)%,光照強度(400±10)μmol m-2s-1(在晴天9:00—10:00,采用LI-COR 6400便攜式光合作用測定系統(tǒng)測定其光合特性)。實驗采用雙因素完全隨機設(shè)計,共設(shè)置3個不同水深梯度：0 cm(水面與土面持平且保持表面濕潤,形成氣生環(huán)境)、3 cm(形成挺水環(huán)境)、6 cm(形成沉水環(huán)境)。根據(jù)長喙毛茛澤瀉光合作用的特點設(shè)置400 μmol m-2s-1(標準光照)和240 μmol m-2s-1(低于其光飽和點,形成低光照)。每個處理設(shè)置5個重復。9月上旬開始處理,持續(xù)40 d,之后進行相關(guān)指標的測定。

1.4 生長和生物量的測定

不同水深和光照強度處理40 d后,從各處理組中隨機選取5株植株,測定其葉長(游標卡尺測定)、葉寬、葉柄長度和葉面積(Li-3000型葉面積測定儀,美國LI-COR),并將根部泥土沖洗干凈后,按根、莖、葉分別置于80℃烘箱內(nèi)烘干至恒重,測定其生物量。

1.5 植物生理指標測定

取其葉片用于植物生理指標的測定(包括超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、丙二醛(MDA)、脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖)。

其中SOD活性測定采用抑制氮藍四唑的光還原作用來測定酶的活力[15]、POD活性采用愈創(chuàng)木酚法測定[15]、MDA含量采用硫代巴比妥酸法測定[15]、脯氨酸采用酸性茚三酮法測定[16]、可溶性糖采用蒽酮法測定[15]、可溶性蛋白采用考馬斯亮藍G- 250染色法測定[15]。

1.6 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用SPSS 18.0軟件,作圖采用Origin 2018。平均值間的比較采用單因素方差分析(one-way ANOVA),多重比較采用Duncan新復極差法。水深與光照強度間的交互作用檢驗采用雙因素方差分析(two-way ANOVA)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水深和光照強度對長喙毛茛澤瀉各器官生物量及其分配的影響

從表1中可看出,40 d后,在同一光照強度下,不同水深對長喙毛茛澤瀉的葉生物量、莖生物量、根生物量和總生物量都具有極顯著性影響(P<0.01),隨著水深的增加,都呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢,并在水深為3 cm、標準光照下葉生物量(0.7 g)、莖生物量(0.2 g)、根生物量(0.24 g)和總生物量(1.15 g)分別出現(xiàn)最大值。在同一水深下,光照強度對植物葉生物量和總生物量具有極顯著性影響(P<0.01),對植物莖生物量具有顯著性影響(P<0.05),且水深與光照強度的交互作用對植物葉生物量和總生物量也產(chǎn)生顯著性影響(P<0.05),在標準光照下植物葉生物量、莖生物量和總生物量都顯著高于低光照下植物葉生物量、莖生物量和總生物量。但在同一水深條件下,不同光照強度對于植物根生物量沒有顯著性影響(P=0.063)。

表1 不同水深和光照強度對長喙毛茛澤瀉各器官生物量及其分配的影響

同列中標有不同的大寫字母表示不同光強間的差異,不同小寫字母表示相同光強下不同水深間的差異(P<0.05)；*和**表示在0.05和0.01水平上差異顯著

2.2 不同水深和光照強度對長喙毛茛澤瀉葉形態(tài)特征的影響

從表2中可看出,水深與光照強度對長喙毛茛澤瀉葉型特征的影響各不相同。在同一光照強度下,不同水深對于植物葉片的葉寬和葉面積都具有極顯著性影響(P<0.01),且水深與光照強度的交互作用對植物葉寬和葉面積也產(chǎn)生極顯著性影響(P<0.01),隨著水深的增加,植株葉寬和葉面積都呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,并在水深處理為3 cm時,葉寬(2.16 cm)和葉面積(3.24 cm)出現(xiàn)最大值。水深與光照強度對植物葉長沒有顯著性影響(P=0.061)、(P=0.487),但水深與光照強度的交互作用對植物葉長有極顯著性影響(P<0.01)。在同一水深條件下,光照強度對植物葉柄長度沒有顯著性影響(P=0.859),但在同一光照強度下,水深對于植物葉柄長度有顯著性影響(P<0.05),植株的葉柄長度隨水深的增加而增加。

表2 不同水深和光照強度對長喙毛茛澤瀉葉形態(tài)特征的影響

2.3 不同水深和光照強度對長喙毛茛澤瀉生理指標的影響

如圖1所示,在水深為3 cm、標準光照下長喙毛茛澤瀉葉片中SOD活性最高(124.78 U g-1min-1)。在同一光照強度下,水深為0 cm和6 cm時植株葉片SOD活性差異不大。在同一水深條件下,不同光照強度對植物葉片中SOD活性變化沒有顯著性影響(P=0.06)。

在同一光照強度下,不同水深對于植物葉片中POD活性具有極顯著性影響(P<0.01),隨著水深的增加,呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,水深為3 cm時葉片中POD活性最高(175.36 U g-1min-1),隨著水深的變化POD活性有所下降。在同一水深下,不同光照對植物葉片中POD活性也具有極顯著性影響(P<0.01),標準光照下的POD活性顯著高于低光照下POD活性。

圖1 不同水深和光照強度對長喙毛茛澤瀉抗氧化物酶活性的影響Fig.1 Effects of water depth and light intensity on activity of antioxidant enzyme in Ranalisma rostratum

如圖2所示,在同一光照強度下,不同水深對于植物葉片中可溶性蛋白具有極顯著性影響(P<0.01),隨著水深的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,水深為3 cm時葉片中可溶性蛋白含量最高(5.94 mg/g),隨著水深的變化可溶性蛋白有所下降。在同一水深下,不同光照強度對植物葉片中可溶性蛋白的含量變化具有顯著性影響(P<0.05),標準光照下可溶性蛋白的含量顯著高于低光照下可溶性蛋白的含量。

在同一水深條件下,光照強度對植物葉片中可溶性糖的含量變化具有極顯著性影響(P<0.01)在標準光照下的可溶性糖的含量顯著高于低光照下可溶性糖的含量。在同一光照強度下水深的變化對植物葉片中可溶性糖的含量變化有顯著性影響(P<0.05),隨著水深的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,在水深為3 cm時植物葉片中可溶性糖的含量最高(9.67 mg/g)。

圖2 不同水深和光照強度對長喙毛茛澤瀉可溶性蛋白和可溶性糖含量的影響Fig.2 Effects of water depth and light intensity on content of soluble protein and soluble sugar in Ranalisma rostratum

如圖3所示,在水深為0 cm時,不同光照強度對植物葉片中MDA的含量沒有顯著性差異(P=0.857),在水深為3 cm時,標準光照下MDA的含量要顯著高于低光照下MDA含量(P<0.05),而在水深為6 cm時,情況則相反,低光照下MDA的含量顯著高于標準光照下MDA的含量。

在同一水深條件下,光照強度對植物葉片中脯氨酸的含量變化具有極顯著影響(P<0.01)。標準光照下脯氨酸的含量顯著高于低光照下脯氨酸的含量。在同一光照條件下,水深的升高對于植物葉片中脯氨酸含量的變化有極顯著影響(P<0.01),隨著水深的升高,脯氨酸的含量呈現(xiàn)下降的趨勢,水深為0 cm時脯氨酸的含量顯著高于水深為3 cm和水深為6 cm時脯氨酸的含量。

圖3 不同水深和光照強度對長喙毛茛澤瀉丙二醛和脯氨酸含量的影響Fig.3 Effects of water depth and light intensity on content of malondialdehyde and proline in Ranalisma rostratum

3 討論

本研究通過弱光和水深雙重處理,發(fā)現(xiàn)長喙毛茛澤瀉的生長和生理特性受弱光和水深的雙重影響。生物量作為植物對環(huán)境適應(yīng)性的直接表現(xiàn),在適宜的水深條件下植物的生物量往往會發(fā)生顯著性的提高[17-18]。在同一光照條件下,長喙毛茛澤瀉的葉生物量、莖生物量、根生物量和總生物量隨水深的增加都呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,并在水深為3 cm時出現(xiàn)最大值。這與其他水生植物生物量的變化趨勢相同[19],過淺和過深的水深都將抑制長喙毛茛澤瀉的生長,這表明其生長“機會窗”較狹窄[20],植株對于小范圍內(nèi)的水深變化反應(yīng)較敏感,且植株不耐干旱,但能忍耐一定程度的水淹。當光照強度降低時,長喙毛茛澤瀉的葉生物量、莖生物量和總生物量分別出現(xiàn)下降的趨勢,而根生物量則沒有變化,這可能是由于長喙毛茛澤瀉為多年生的濕生小草本,為適應(yīng)植株在水環(huán)境中的生長,植株的根系發(fā)育微弱,所以光照強度對于植株根生物量的影響不顯著。長喙毛茛澤瀉為葉基生的濕生植物,其地上部分主要為葉。因此,水深和光照對于植株葉生物量有顯著性影響,適宜的水深和光照強度使植物葉生物量不斷增大,從而使植株總生物量也出現(xiàn)顯著性變化。

光照強度和水深不僅對于植株的生物量及其分配有很大影響,也對植株的葉型變化有很大的影響,葉型指標的變化體現(xiàn)了植株對環(huán)境的適應(yīng)能力[21]。在本研究中,不同水深和光照強度對植株的葉長并無顯著性影響,但植株的葉寬受水深和光照強度的雙重影響。在同一光照條件下,隨著水深的增加,長喙毛茛澤瀉的葉寬和葉面積呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,由于其葉長變化不顯著,而葉寬出現(xiàn)顯著性變化,這導致長喙毛茛澤瀉葉型出現(xiàn)顯著性變化,在氣生和沉水環(huán)境下,其葉片呈披針形。據(jù)王建波等[11]觀察,長喙毛茛澤瀉在沉水情況下,葉片呈披針葉形,這與本研究結(jié)果一致,但其觀察到長喙毛茛澤瀉在氣生狀態(tài)時,葉片呈卵圓形,這與本研究中結(jié)果不一致。這可能是由于,在本研究中長喙毛茛澤瀉受弱光和淺水雙重脅迫,導致植株整體葉片偏小,植株光合作用減弱,致使植株生長不足,葉片呈現(xiàn)披針形。而葉面積的變化也主要源于植株葉寬的變化。在本研究中,長喙毛茛澤瀉葉柄長度不受光照強度的影響,但受水深變化的影響并隨水深的增加而增加,這可能是因為長喙毛茛澤瀉為適應(yīng)水深變化,使葉片始終處于水面之上,而發(fā)生的適應(yīng)性改變[22]。

在不同水深和光照條件下長喙毛茛澤瀉葉片中生理指標的變化進一步證實了上述結(jié)果,SOD和POD作為植物體內(nèi)的抗氧化物酶,起著清除體內(nèi)自由基和過氧化物,緩解逆境損傷的作用[23-24]?？扇苄缘鞍鬃鳛橹参矬w內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),對于植物緩解逆境損傷有重要作用[25]?？扇苄蕴亲鳛橹参矬w內(nèi)重要的非結(jié)構(gòu)性貯藏碳水化合物,不僅對于植物抵抗逆境環(huán)境有重要作用,同時也在一定程度上表征了植物固定能量的水平[26-27]。MDA作為植物膜脂過氧化的產(chǎn)物,是植物遭受逆境脅迫的重要檢測指標,逆境對于植物的脅迫越嚴重,MDA的含量越高[28-29]。脯氨酸作為植物體內(nèi)重要的游離氨基酸,對于植物抵御水分虧缺和鹽分脅迫等逆境環(huán)境具有重要作用[30-31]。

在曹永慧等[32]研究中,抗氧化物酶活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的提高,可以提高幼苗對弱光的適應(yīng)性。而本研究中,各處理組中SOD活性沒有顯著性差異,而POD活性和可溶性蛋白的含量,在同一光照條件下,都呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,并在水深為3 cm、標準光照下含量最高,這說明長喙毛茛澤瀉體內(nèi)抗氧化物酶系統(tǒng)和滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)沒有對水深變化和光照強度的降低產(chǎn)生積極的響應(yīng),以適應(yīng)不同水深和光照強度。在各處理中,水深變化對植株體內(nèi)可溶性糖含量的變化有顯著性影響。且同一水深條件下,不同光照強度對植株可溶性糖含量變化有顯著性影響,光照強度的降低顯著降低了可溶性糖含量,這與唐中華等[28]研究結(jié)果相似,弱光顯著性的降低了植物能量的固定。在本研究中,同一光照條件下,隨著水深的增加MDA含量呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢,這有別于其他耐淹植物,MDA含量越高,表示膜脂破壞程度越高,植株遭受脅迫越嚴重。這與上述生物量和葉型指標結(jié)果相似,長喙毛茛澤瀉在水深為0 cm和6 cm時,遭到了不同程度的脅迫,且弱光加劇了長喙毛茛澤瀉的水淹脅迫。在水深為0 cm時,長喙毛茛澤瀉處于水分虧缺的狀態(tài),氣生環(huán)境不利于其生長,植株為抵御不良生境,故脯氨酸含量較高。

4 結(jié)論

在同一光照條件下,隨著水深的增加其葉生物量、莖生物量、總生物量、葉寬、葉面積、POD活性、可溶性蛋白和可溶性糖含量都呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢；MDA含量呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢；葉柄長度隨水深的增加而增加；脯氨酸含量隨水深的增加而減少。在同一水深條件下,隨著光照強度的降低其葉生物量、莖生物量、總生物量、POD活性、可溶性蛋白、可溶性糖和脯氨酸的含量都有所下降。

在野外,長喙毛茛澤瀉種子發(fā)芽率偏低、幼苗存活率不高、種群擴散困難以及生境的人為破壞都是導致其瀕危的重要原因[9]。根據(jù)本研究發(fā)現(xiàn)長喙毛茛澤瀉對光照強度和水深變化較敏感,對動態(tài)環(huán)境適應(yīng)性較差。一定范圍內(nèi)水深變化和上層植物的蔭蔽可能也是導致其瀕危的重要原因。