菖蒲等4种湿地植物涝害胁迫生理研究

屠娟丽，吕 剑

（嘉兴职业技术学院，浙江 嘉兴 314036）

20世纪 90年代以来，我国在湿地保护和利用方面采取了一系列的措施，在一定程度上保护了湿地及其生物多样性。但随着经济快速发展以及人类生产生活对湿地资源依赖程度的提高，直接导致了湿地及其生物多样性的普遍破坏，近四十年已有50%的滨海滩涂湿地不复存在；全国约13%的湖泊已经消失；黑龙江三江平原78%的天然沼泽湿地丧失；洪湖水生植物种类减少24种、鱼类减少约50种；七大水系63.1%的河段水质污染失去了饮用水功能等。诸此恶果，不仅直接造成巨大的经济损失，并导致湿地生态功能、社会效益得不到正常发挥，抵御自然灾害能力丧失[1]。

目前，国内外对湿地植物用于人工湿地废水处理系统中有相关研究，如Ennabili[2]对芦苇（Phragmites australis）、香蒲（Typha orientalis）等9种植物的生物量和N、P、K积累量进行了比较，为人工湿地选择出高性能的植物种类，而对湿地植物耐涝性研究较少。据浙江水资源公报统计，浙江降雨集中在4-9月，短时间的暴雨造成水体水位急剧上升，超过常水位，导致岸边水湿生的草本植物和灌木被水浸没，当水位不能及时退去时，部分植物开始死亡。为了合理选择水湿生植物，开展对湿地植物在洪涝环境胁迫下叶绿素含量、质膜透性、丙二醛（MDA）、游离脯氨酸（Pro）、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）等生理生化指标的变化研究，分析这些指标的变化规律及与抗逆性的关系，利用综合评价方法评定其抗旱性和耐涝性，为景观配置提供基础数据及发挥其在湿地中的作用提供理论依据，从而减少经济损失，促进湿地生态建设。

1 材料与方法

1.1 材料与处理

选用菖蒲（Acorus calamus）、茭白（Zizania latifolia）、泽泻（Alisma plantago-aquatica）、千屈菜（Lythrum salicaria）4种湿地植物作为试材，于2012年4月将收集到的4种湿地植物栽培于无孔加仑盆中，经过3个月的适应性培养后选择长势正常、高度相近的植株作为试验材料，每种选15盆。

湿地植物的抗涝性：7月8日将植物连同花盆放入2 m深的水池中，以后每隔2 d将其从水中取出观察其生长情况并从各植株随机采集叶片测定相关生理指标。

1.2 测定方法

叶绿素测定方法采用张宪政的乙醇丙酮混合液法，可溶性蛋白质测定采用考马斯亮蓝G-250法，采用氮蓝四唑（NBT）法测定SOD活性，愈创木酚法测定POD活性，硫代巴比妥酸比色法测定MDA含量，游离脯氨酸测定采用磺基水杨酸，膜透性测定采用（DDS-11A）电导法。

1.3 评价方法以及数据处理

通过测定各项指标后，得出4种湿地植物耐涝性相关结论，结合模糊隶属函数法对数据进行综合分析，以最终确定各种植物的抗性强弱。

模糊隶属函数法是根据模糊数学的原理，利用隶属函数进行综合评估。一般步骤为：首先利用隶属函数给定各项指标在闭区间[0，1]内相应的数值，称为“单因素隶属度”，对各指标作出单项评估。然后对各单因素隶属度进行加权算术平均，计算综合隶属度，得出综合评估的指标值。其结果越接近0越差，越接近1越好。

计算方法如下：

式中，Uij表示i植物的j指标单因素隶属函数值；Xij表示测得的i植物j指标值；Xjmin表示测得的j指标数据中最小值；Xjmax表示测得的j指标数据中最大值；表示Uij的算术平均值。

2 结果分析

2.1 涝害胁迫对4种湿地植物的影响

2.1.1 涝害胁迫下可溶性蛋白质含量的变化 在逆境条件下，植物的基因表达发生改变，关闭一些正常表达的基因，启动一些与逆境相适应的基因。蛋白质的产生是基因表达结果的体现。

由图1可知，涝害条件下，4种植物的蛋白质含量变化均较无规律，除千屈菜在10 d后死亡外，其他3种都呈现双峰变化，这可能与质膜破坏蛋白质扩散到体外有一定关系。其中茭白和泽泻的含量水平较高，说明其抗性较弱，菖蒲的含量虽变化较大，但始终保持在低水平，所以耐涝性相对略强。

2.1.2 涝害胁迫下细胞膜透性的变化 细胞膜能使植物从周围的环境中不断的取得所需要的水分、盐类和其他必需的物质，同时又把代谢的废物排除到体外，而又不使植物体内外的有用成分任意的流失，从而保证细胞具有一个合适而相对稳定的内环境[3]。

由图2可知，4种湿地植物在淹水环境下叶片的细胞膜系统遭到破坏，细胞膜透性增大，从而导致电导率上升，但随着胁迫的加强，各种植株表现一定的抗性，电导率下降，整个表现为先升后降的趋势。茭白、菖蒲和泽泻在淹水胁迫4 d后出现最高峰，相比原先分别增加了33.7%、81.9%、15.1%，而千屈菜在淹水胁迫6 d后才出现最高峰，但在胁迫10 d就趋于死亡，所以4种湿地植物中泽泻耐涝性最强，茭白其次，千屈菜最弱。

图1 涝害胁迫对4种湿地植物蛋白质含量的影响Figure 1 Influence of waterlogging stress on soluble protein content in tested plants

图2 涝害胁迫对4种湿地植物细胞膜透性的影响Figure 2 Influence of waterlogging stress on membrane permeability in tested plants

2.1.3 涝害胁迫下叶绿素含量的变化 叶绿素是植物进行光和作用的主要色素，代谢十分活跃，更新周期短。叶绿素的含量与植物光和作用关系密切，一般情况下，植物受到胁迫时，脂质过氧化作用引起叶绿素分解，叶绿素的含量也就相应的降低了[4～6]，膜结果破坏。

由图3可知，4种湿地植物在淹水胁迫下，随着时间的延长，叶绿素含量都表现下降趋势，在淹水胁迫6 d后，茭白、菖蒲和泽泻相比原先叶绿素含量分别下降了43.7%、19.4%、17.8%，而千屈菜在淹水胁迫10 d后死亡，所以，4种湿地植物的耐涝性强弱：泽泻＞菖蒲＞茭白＞千屈菜。

2.1.4 涝害胁迫下SOD和POD活性的变化 植物的很多生理代谢过程都与活性氧的作用密切相关[7]。植物体内自由基积累，启动细胞膜脂过氧化作用是造成细胞膜系统受损伤、植物体受危害的重要原因。当活性氧积累时，由于活性氧具有极高的氧化还原活性，所以能与细胞中众多生物分子发生反应，使它们失去生物活性造成机体损伤[8]。植物体内的SOD和POD是生物自由基的清除剂，在防御植物活性氧伤害方面具有重要作用[9]。

由图4可知，菖蒲等4种湿地植物在淹水过程中，功能叶SOD和POD总活性变化都是呈先升后降的变化趋势。泽泻在淹水胁迫第6天SOD出现最高峰，相比原来增加了73.8%，菖蒲和茭白分别在第8 d和第10 d出现最高峰，相比原先SOD活性分别增加了54.1%、43.1%，千屈菜在第10 d后死亡，所以4种湿地植物耐涝性强弱：泽泻＞菖蒲＞茭白＞千屈菜。

图3 涝害胁迫对4种湿地植物叶绿素含量的影响Figure 3 Influence of waterlogging stress on chlorophyll content in tested plants

图4 涝害胁迫对4种湿地植物SOD活性的影响Figure 4 Influence of waterlogging stress on SOD activity in tested plants

由表1可知，菖蒲在淹水2 d后POD活性出现最高峰，泽泻和茭白都在胁迫4 d后出现最高峰。千屈菜在胁迫第4 d出现最高峰，但在胁迫10 d后死亡。在淹水胁迫时，POD活性的升高的生理学意义就在于保护细胞膜，越早出现高峰，耐涝性越强，所以从浸水后植物POD活性看泽泻耐涝性最强，千屈菜最弱。

2.1.5 涝害胁迫下Pro含量的变化 逆境下植物叶片游离脯氨酸累积，原因一是叶片组织多种酶活性降低，脯氨酸氧化受阻，造成游离脯氨酸累积；二是谷氨酸合成脯氨酸的速度增加。脯氨酸可提高植物细胞原生质渗透压，防水分散失以及提高原生质胶体的稳定性，从而提高植物体抗性[10]。

表1 涝害胁迫对4种湿地植物POD活性的影响Table 1 Influence of waterlogging stress on POD in tested plants ΔA470/min·g-1FW

由图5可知，4种植物Pro含量随着淹水时间的延长表现为先升后降的趋势。菖蒲增势在淹水第2 d就表现明显，上升了267%，并且在胁迫的8 d出现最高峰。泽泻在淹水胁迫第8天出现最高峰，相比原先增加了401%，茭白在胁迫第12 d才出现最高峰，千屈菜在淹水胁迫10 d后死亡，所以由Pro的含量判断4种湿地植物的耐涝性强弱：泽泻＞菖蒲＞茭白＞千屈菜。

2.1.6 涝害胁迫下MDA含量的变化 MDA的积累量是判断膜脂过氧化作用的一个重要指标[11]。土壤淹水后旱地作物叶片受伤害的程度与体内膜脂过氧化产物MDA的积累一致[12]，即MDA含量上升幅度越高则代表植株所受活性氧伤害越大，在淹水环境下植株表现的耐涝性越弱。

由图6可知，菖蒲、泽泻和茭白都在淹水第12天后出现最高峰，丙二醛含量相比原先分别增加了102%、160%、328%，而千屈菜在淹水胁迫10 d后死亡，所以由此得出耐涝性菖蒲和泽泻较强，茭白较弱，千屈菜最弱。

图5 涝害胁迫对4种湿地植物脯氨酸含量的影响Figure 5 Influence of waterlogging stress on Pro content in tested plants

图6 涝害胁迫对4种湿地植物MDA含量的影响Figure 6 Influence of waterlogging stress on MDA in tested plants

3 小结与讨论

（1）在水分胁迫下，4种湿地植物的叶绿素含量均表现为下降的趋势。涝害胁迫试验表明，泽泻下降幅度较为缓慢，茭白叶绿素含量变化相比菖蒲较小，千屈菜在淹水胁迫10 d后提前死亡。若以叶绿素下降的幅度为标准，则4种湿地植物的耐淹水能力顺序为：泽泻＞茭白＞菖蒲＞千屈菜。绿素含量变化，在淹水胁迫下，泽泻降幅较低，说明这种植物在逆境中的自我调节能力相对较强。

植物细胞原生质膜对逆境非常敏感。水分胁迫至一定程度下，植物细胞的膜系统被破坏，内含物失去控制，质膜透性增加，胞液离子外渗。4种湿地植物在逆境中细胞膜遭到破坏，膜蛋白变构和膜脂呈有序排列致使膜脂相对透性增大，从而使细胞内的电解质外渗，以致植物细胞浸提液的电导率增大。

（2）在淹水胁迫条件下，泽泻的细胞膜透性相比其他3种湿地植物下降幅度最小，表明其细胞膜抵御淹水胁迫的能力最强，茭白其次，千屈菜提前死亡可见耐涝性最弱。

（3）淹水胁迫下，菖蒲的MDA含量在淹水第12天后出现高峰，并且相比原来MDA含量增加幅度最小，只有102%，耐涝性最强，千屈菜在淹水胁迫10 d后死亡，表明其耐涝性最差。

（4）在水分胁迫下，4种植物体内的SOD活性和POD活性表现先升高后下降的变化趋势。泽泻在淹水胁迫6 d后SOD就出现最高峰，相比原来增加了73.8%，菖蒲和茭白分相比原先SOD活性分别增加了54.1%、43.1%，所以4种湿地植物的耐涝性强弱：泽泻＞菖蒲＞茭白＞千屈菜。

（5）在淹水胁迫下，泽泻的Pro含量增幅最大，茭白较小，千屈菜提前死亡，由此可以判断耐涝性强弱：泽泻＞菖蒲＞茭白＞千屈菜。

（6）综合评价：结合4种湿地植物在水分胁迫下各项生理指标的变化，再根据模糊隶属函数法，利用公式计算出各植株相应指标的隶属函数值（表2）。

表2 4种湿地植物耐涝生理指标值的综合评判结果Table 2 Comparisons on physiological indicators of tested plants

在耐涝性实验中，4种湿地植物各项生理指标变化所表现的耐涝性强弱与隶属函数法得到的隶属函数均值基本符合，所以耐涝性能力排序为：菖蒲＞泽泻＞茭白＞千屈菜。

[1] 钱芳. 论湿地功能及其保护[J]. 哈尔滨学院学报，2003，9（24）：54-58.

[2] Enabili A, Ater M, Radoux M. Biomass production and NPK retention in macrophytes from wetlands of the Tingitan Peninsula [J]. Aquat Bot,1998 (62)：45-56.

[3] 蒋明义，荆家海，王韶唐. 干旱胁迫与植物膜脂过氧化[J]. 西北农业大学出版社，1991，19（2）：88-93.

[4] 吴林，李亚东. 淹水、干旱条件下北空越桔生理反应的研究[J]. 果树科学，1998，15（2）：137-140.

[5] 卢从明. 水分胁迫对光合作用影响的研究进展[J]. 植物学通报，1994，11（增刊）：9-14.

[6] Joseph C V Vu, George Yelenosky. Water Deficit and Associated Changes in Some Photosynthetic Parameters in Leaves of Valencia Orange(Citrus sinensis(L.)Osbeck)[J]. Plant Pysiol, 1988, 88(2): 375-378.

[7] 王爱国，邵从本，罗广华，等. 活性氧对大豆下胚轴线粒体结构和功能的损伤[J]. 植物生理学报，1990, 16（1）：13-18.

[8] 傅爱根，罗广华，王爱国. 活性氧在植物抗病反应中的作用[J]. 热带亚热带植物学报，2000，8（1）：63-69.

[9] 宫长荣，汪耀富. 淹水胁迫对烤烟生理生化特性的影响[J]. 中国农业科学，1995，28（增刊）：126-130.

[10] 任雪萍，吴诗光，牛明功，等. 湿涝害对灌浆期冬小麦叶片脯氨酸含量的影响[J]. 周口师专学报，1998，15（5）：72-74.

[11] 董合忠，郭庆正，李维江，等. 棉花抗逆栽培[M]. 济南：山东科学技术出版社，1997.

[12] 汪宗立，丁祖性，娄登仪. 小麦湿害及耐湿性生理研究[J]. 江苏农业科学，1984（4）：10-14.