三種濕地植物對鹽脅迫響應的研究

徐揚帆，馮立輝，陳文峰，劉劍彤，吳辰熙，胡紅娟

（1.中交第二航務工程局有限公司，武漢 430040；2.中國科學院水生生物研究所，武漢 430072）

沿海濕地長時間受到鹽分的侵襲，在不同程度上受到鹽的脅迫，植被修復是保護和調節沿海生態系統的重要環節之一［1］。鹽脅迫容易對植物造成形態和生理上的傷害，比如離子平衡失調、滲透脅迫、質膜傷害、離子毒害等［2，3］，讓植物組織和器官不能正常生長和分化，從而使植物的生長受到抑制，嚴重時可能會導致植物死亡［4］。鹽脅迫不僅會影響植物個體的生長和發育，還會對沿海地區整個濕地生態系統的植物分布及群落的演替方向產生影響［5］。研究發現，Na+、K+、Cl-是參與植物滲透調節的主要無機離子，在植物體內處于動態平衡，當環境中鈉離子過多對植物造成毒害時，植物就會減少對鉀離子的吸收，從而導致植物體內的Na+/K+比值失衡，使植物細胞代謝紊亂而死亡［6，7］。經過長時間的適應和進化，沿海區域植物在形態和生理上形成了與鹽堿環境相適應的調節機制［8］，而不同植物的耐鹽能力及其對鹽分脅迫的響應也不同，大部分植物可通過調節滲透壓和離子分布來適應鹽的脅迫，而有些植物（濱藜屬）可以通過把體內多余的鹽分排出體外、將細胞內區隔化以及基因的轉錄調節作用來抵御鹽脅迫［9，10］。因此，研究不同種類的植物對鹽脅迫的響應不但能豐富鹽堿濕地的植物種類，而且可以對鹽堿濕地的改良提供參考。

本研究通過水培模擬試驗，研究了沿海濕地中常見的3種水生植物黃菖蒲（IrispseudacorusL.）、美人蕉（Canna indica）和梭魚草（Pontederia cordataL.）在4種不同鹽脅迫下的生長狀況，根據測定的生長和生理指標，篩選出耐鹽范圍較高的植物，為重建沿海濕地植物群落及植被修復工作提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 耐鹽植物的篩選

通過對廣州珠江口海岸帶濕地植物的現場調查及室內試驗，從觀賞和耐鹽性等方面出發，篩選出黃菖蒲、美人蕉和梭魚草作為試驗植物。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設計 所有的試驗植物均采購于保定市，試驗在中國科學院水生生物研究所實驗室樓頂進行。在試驗開始前，采用無土栽培的方式將生長一致、無病蟲害的同一種植物用去離子水培養1周進行適應培養。然后將這3種植物栽培于設有4種不同NaCl梯度（0.5‰、1.0‰、1.5‰、3.0‰）水溶液中。每桶栽種4～5株同種植物，3次重復，用泡沫板固定，試驗過程中適時補充去離子水，每天測定鹽度并使桶內的鹽度維持在設定的濃度。期間，每隔7 d測定植物苗高、根長等生長指標，每個處理隨機選取2株取葉片用于生理指標的測定。

1.2.2 指標測定 植物生長指標有葉片大小、植物株高增量、根系生長量，生理指標有丙二醛（MDA）含量和過氧化氫酶（CAT）活性。其中，丙二醛含量采用硫代巴比妥酸法測定，過氧化氫酶活性采用鉬酸銨比色法測定［11］。各指標重復測定3次。

1.2.3 數據處理 使用SPSS 20.0軟件進行單因素ANOVA和Tukey’s檢驗（P＜0.05）對數據進行差異顯著性分析，采用Origin 8.0軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 鹽脅迫對植物生長的影響

不同鹽脅迫對3種植物根長的影響見圖1。如圖1所示，在0.5‰～3.0‰NaCl處理下，3種植物根長隨著鹽脅迫時間的增長呈逐漸增加。隨著NaCl的濃度升高，黃菖蒲和梭魚草的根系生長率呈降低的趨勢，而美人蕉的根系生長率隨著NaCl的濃度升高而增加。在濃度為0.5‰、1.0‰、1.5‰、3.0‰的鹽脅迫下水培28 d，黃菖蒲根系增長率分別為87.5%、84.0%、79.2%、78.9%，梭魚草的根系增長率分別為95.2%、87.5%、72.1%、72.0%，美人蕉的根系增長率分別為70.0%、73.1%、79.2%、80.8%。表明高濃度NaCl抑制了黃菖蒲和梭魚草根系的生長。

圖1 不同濃度NaCl處理對3種植物根長的影響

不同濃度NaCl處理對3種水生植物葉寬的影響見圖2。如圖2所示，黃菖蒲在0.5‰NaCl處理28 d后，其葉寬的增幅達到最大，是處理前的3.15倍，而1.0‰～3.0‰NaCl處理下黃菖蒲葉寬僅為處理前的1.85～2.67倍，表明較高濃度的NaCl可能抑制了黃菖蒲葉寬的增長。在1.5‰、3.0‰NaCl處理28 d后，梭魚草葉寬分別為處理前的1.44、1.49倍，而在0.5‰、1.0‰低濃度NaCl處理下，梭魚草葉寬分別為處理前的1.27和1.31倍。美人蕉在高濃度鹽脅迫下葉寬的增長趨勢與低濃度鹽脅迫下相比也較強，這表明在鹽脅迫的條件下，梭魚草和美人蕉對維持葉寬增加的能力較強。

圖2 不同濃度NaCl處理對3種植物葉寬的影響

如圖3所示，在28 d不同濃度NaCl處理下，黃菖蒲的株高增幅的變化差異較小。在不同鹽脅迫處理下，其株高增長率分別為56%～66%。梭魚草株高增幅隨著NaCl的濃度升高而增加，當NaCl濃度達到3.0‰時，其植株增長率達到最大，為21%。而美人蕉卻與梭魚草相反，其株高增幅隨著NaCl的濃度升高而呈降低的趨勢，當0.5‰濃度的NaCl處理28 d后，其增幅達35%，當NaCl濃度為3.0‰時，增幅只有9%。因此，鹽脅迫對美人蕉植株的增長有較大影響。

圖3 不同濃度NaCl處理對3種植物株高的影響

2.2 鹽脅迫對植物丙二醛含量的影響

黃菖蒲在1.0‰濃度的NaCl處理下，其體內丙二醛的含量呈先降低后升高的趨勢（圖4），在培養14 d后，丙二醛含量最低，為11.08 nmol/g。而在其他3種鹽脅迫下，植物體內丙二醛含量均呈先升高后降低的趨勢，部分濃度處理差異顯著（P＜0.05）。在28 d低濃度（0.5‰、1.0‰）NaCl處理下，美人蕉體內丙二醛的含量呈逐漸升高的趨勢，丙二醛的增量分別為5.38、5.97 nmol/g。而在高濃度（1.5‰、3.0‰）鹽脅迫下，美人蕉體內丙二醛的含量卻呈先升高后降低的趨勢，說明美人蕉植株的保護能力較強。在不同鹽脅迫下，梭魚草體內丙二醛的含量均呈先降低后升高的趨勢。在第7天時，各處理組梭魚草體內丙二醛的含量差異不顯著（P＞0.05）。在低濃度（0.5‰、1.0‰）NaCl處理下，梭魚草體內丙二醛的含量在培養第14天時達到最低，分別為13.71、9.68 nmol/g。而在高濃度（1.5‰、3.0‰）鹽脅迫處理下，其體內丙二醛含量在培養第21天時達到最低，并且在第21天2個處理之間的差異顯著（P＜0.05）。

圖4 不同濃度NaCl處理對3種植物丙二醛含量的影響

2.3 鹽脅迫對植物過氧化氫酶活性的影響

由圖5可知，不同濃度NaCl處理下，黃菖蒲、美人蕉、梭魚草的過氧化氫酶活性在28 d內總體上均呈先升高后降低的趨勢。在1.0‰、1.5‰和3.0‰NaCl處理下，黃菖蒲的過氧化氫酶活性在14 d達到最大值，且3個濃度間差異顯著（P＜0.05），分別為88.76、126.53、233.02 U/（g·min），之后逐漸降低。在4種鹽脅迫（0.5‰、1.0‰、1.5‰、3.0‰）下，美人蕉過氧化氫酶活性最大值分別為106.97、58.55、75.36、126.18 U/（g·min），而梭魚草過氧化氫酶活性最大值分別為79.97、78.66、62.21、89.88 U/（g·min）。

圖5 不同濃度NaCl處理對3種植物過氧化氫酶活性的影響

3 討論

鹽脅迫對水生植物的生長變化有明顯影響，對沿海濕地水生植物的研究是近年來的熱點［12］。植物對鹽脅迫的耐受程度主要通過根系、葉寬和株高的增幅來體現［13］。本研究結果表明，隨著鹽脅迫的濃度增加，黃菖蒲、美人蕉和梭魚草的根系、葉寬和株高均有不同程度的增幅，但增幅的趨勢并不相同。在低濃度鹽脅迫下，黃菖蒲的根系和葉寬的長勢較好，當濃度較高時，黃菖蒲的葉片也能較緩慢地增長，而美人蕉和梭魚草的葉寬長勢也較好，這可能是由于水生植物葉片內擁有較為發達的通氣組織，能加速植物的代謝作用，從而減弱鹽脅迫對其造成的傷害［14］。隨著鹽脅迫的增加，美人蕉株高的增幅明顯降低，這與陳慧英等［1］的研究相似，當外界NaCl濃度較高或超出植物的耐受范圍，植物的株高生長量可能會受到抑制，嚴重時可能導致植物死亡。

在衰老死亡、鹽堿等逆境脅迫下，植物體內細胞膜脂產生過氧化物質，這些物質會破壞細胞膜系統［15］。丙二醛是過氧化作用的產物之一，它能與細胞膜上的酶類物質和蛋白質相結合，從而使其失去活性，因此MDA對細胞有很強的毒性，其含量的高低可反映植物在脅迫條件下抗逆性能力的強弱［16］。本研究發現，在低濃度鹽脅迫（0.5‰、1.0‰）下，美人蕉體內MDA的含量隨脅迫時間增加呈增大趨勢。這說明在鹽脅迫下，美人蕉體內活性氧增加，增強了細胞膜的過氧化反應，使MDA含量增多［14］。在4種鹽脅迫下，梭魚草MDA的含量隨脅迫時間增加呈先增加后減小的趨勢。這與在高濃度鹽脅迫（1.5‰、3.0‰）下黃菖蒲和美人蕉體內MDA的含量變化相同，這說明黃菖蒲和美人蕉在鹽濃度較高的情況下能通過自身的調節機理降低了體內丙二醛的含量，減弱其對植物的氧化傷害作用。

過氧化氫酶是植物體內重要的抗氧化劑，它可以減弱細胞膜內的過氧化程度，提高植物的穩定和耐受能力，當外界脅迫超過了植物的耐受能力時，植物就無法正常合成過氧化氫酶［17］。本研究結果表明，隨著脅迫濃度和脅迫時間的增加，3種植物酶活性呈先增加后降低的趨勢，這與沈金玲等［18］的研究結果相似。研究發現在鹽脅迫下，水生植物可以通過提高體內酶的活性來清除產生的活性氧，進而減弱植物體內的氧化傷害［19］。當植物長時間處于高鹽脅迫下時，植物體內活性氧積累超過植物抗氧化系統的清除能力，使植物過氧化氫酶的活性降低［20］。從鹽脅迫對這3種水生植物生長指標及生理指標來看，其耐鹽性的強弱為美人蕉＞黃菖蒲＞梭魚草。

4 小結

隨著鹽脅迫濃度的增加和脅迫時間的延長，黃菖蒲、美人蕉和梭魚草都出現不同的生理生化變化，3種植物的根系增長量、葉寬和植株的增幅整體上呈上升趨勢。但長期處于高濃度鹽脅迫下，黃菖蒲葉寬和根系增長量、梭魚草根系生長量、美人蕉的株高的增幅均呈下降趨勢。黃菖蒲、美人蕉和梭魚草的丙二醛含量變化存在一定的差異，而過氧化氫酶酶活性整體均呈增加趨勢。本研究結果表明，3種水生植物對鹽脅迫的抵抗能力為美人蕉＞黃菖蒲＞梭魚草。