淹水胁迫对枫杨等3个树种生理生化特性的影响

庞宏东，胡兴宜，胡文杰，周文昌，王晓荣

（湖北省林业科学研究院，湖北 武汉 430075）

淹水胁迫是季节性淹水江滩地上最常见的逆境胁迫因子，长江中下游滩地由于每年江河水位的季节性变动，形成冬陆夏水这种独特的季节性淹水特征，大部分滩地每年都有1个月左右的淹水时间。这对滩地造林造成了极大的影响，不但影响了树木的正常生长，严重淹水甚至会导致苗木的死亡。研究发现，淹水胁迫可影响到植物形态结构[1-2]、光合生理[3-5]以及酶系统调节[6-7]等多方面，而植物对淹水胁迫响应的适应机制又包含着极其复杂的生理生化过程[8]。因此，研究植物在淹水胁迫下的生理生态响应过程及其机理已经逐渐成为植物逆境研究的热点之一[9-10]。淹水胁迫，会造成植物根部缺氧，影响根系呼吸，使自由基产生积累，促使MDA和H2O2大量形成，从而对植物形成伤害[11]。SOD是植物酶促防御体系主要的保护酶，是有机体内的天然消除剂，可以有效地除去植物体化学反应中所产生的活性氧，POD和CAT具有分解H2O2的作用，这几种酶的协同作用能有效减轻活性氧对植物体的伤害，抑制MDA的形成[12]。因此，通过研究植物体内MDA含量及SOD、POD、CAT等酶活性的变化，可了解植物对逆境的适应能力。

枫杨Pterocarya stenoptera、落羽杉Taxodium distichum和枫香Liquidambar formosana等为长江中下游地区常见的用材树种，耐水淹能力较强，不仅具有良好抑螺作用，还能获得一定的经济收益，在滩地血防林的建设中，具有较高的推广利用价值。近年来，许多学者对这几个树种耐水淹能力进行了相关的研究[13-17]，但对在淹水胁迫下其生理生化变化方面的研究较少。本试验通过人工模拟季节性淹水过程，研究淹水胁迫对这3个树种内部生理生化指标的影响，探讨植物对淹水胁迫的适应机制，为季节性淹水滩地造林和治理开发提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与方法

试验地点位于湖北省林业科学研究院内，2016年3月选取生长良好、长势较为一致的枫杨、枫香、落羽杉1—2年生幼苗进行盆栽养护，2016年7月18日移入淹水池中进行淹水处理。共设7个模拟处理组，分别为:A组，短期渍水（水面与土壤表面持平，28 d后解除渍水恢复正常生长）；B组，长期渍水（水面与土壤表面相平，渍水时间超过56 d）；C组，短期轻度淹水（水面在土壤表面10 cm以下，28 d后解除淹水恢复正常生长）；D组，长期轻度淹水（水面在土壤表面10 cm以下，淹水时间超过56 d）；E组，短期深度淹水（水面保持在土壤表面50 cm处，顶端不淹入水中，28 d后解除淹水恢复正常生长）；F组，长期深度淹水（水面保持在土壤表面50 cm处，顶端不淹入水中，淹水时间超过56 d）；CK，对照组，不淹水，常规管理。每个处理5株，取3株用于指标测定，其余留作观测。

1.2 数据测定与分析方法

2016年7月18 日开始淹水，从淹水之日起，每间隔7 d选取植株幼嫩叶片分别测定超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）活性以及丙二醛 ( MDA ) 含量，一共连续测定9次，每处理每次测定3个重复。这4个生理指标的测定均参考李合生的测定方法[18]。其中SOD活性采用氮蓝四唑（NBT）光还原法测定，POD活性采用愈创木酚显色法测定，CAT活性采用紫外吸收法测定，MDA含量采用硫代巴比妥酸（TBA）比色法测定。吸光值测定均使用德国耶拿公司产的Specord®200 plus紫外可见分光光度计进行测量。测定结果用Excel和SPSS统计软件进行统计分析处理。

2 结果与分析

2.1 淹水胁迫对超氧化物歧化酶（SOD）活性的影响

淹水后，枫杨和枫香SOD活性与CK相比明显下降，落羽杉SOD活性呈现出升高-降低-升高波状变化（图1）。枫杨B组与CK相比减少9.55%，D组减少10.17%，F组减少9.13%，与CK相比均存在显著差异（P＜0.05）。枫香B组与CK相比减少5.75%，但无显著差异；D组与CK相比减少8.12%，存在显著差异；F组与CK相比减少13.41%，存在极显著差异（P＜0.01）。落羽杉B组与CK相比增加了2.44%，D组与CK相比减少了6.21%，F组与CK相比减少2.7%，但3个处理组与CK间均无显著差异。不同淹水深度处理下，枫杨F组SOD活性最高，D组SOD活性最低，但3个处理间无显著差异；枫香随淹水深度增加SOD活性逐渐减少，且B组与F组间存在显著差异；落羽杉B组SOD活性最高，D组SOD活性最低，两处理组间存在显著差异。

随着淹水时间的延长，枫杨只有F组淹水21 d后SOD活性显著低于淹水前，B组、D组淹水后SOD活性与淹水前均无显著差异。枫香3个处理组淹水一段时间后SOD活性均显著低于淹水前。落羽杉只有B组淹水14 d时SOD活性显著高于淹水前，D组、F组淹水后SOD活性与淹水前无显著差异。

图1 淹水胁迫下3个树种SOD活性的动态变化Fig. 1 Changes of SOD activity of three tree species under waterlogging stress

淹水胁迫解除后，枫杨和枫香SOD活性明显增加，高于未解除淹水胁迫的处理组，但低于CK，3个处理组解除胁迫后与CK均无显著差异；枫杨只有C组解除胁迫后显著高于D组，枫香只有E组解除后显著高于F组。而落羽杉解除胁迫后，不同处理间SOD活性变化不尽相同；A组与E组解除胁迫后SOD活性均低于未解除淹水胁迫的处理组，无显著差异；而C处理解除胁迫后稍高于D处理；3个处理组解除胁迫后与CK均无显著差异。

2.2 淹水胁迫对过氧化物酶（POD）活性的影响

淹水后，枫杨POD活性降低，枫香POD活性在前期迅速降低，然后升高并维持在一个较高的水平上，落羽杉POD活性明显降低（图2）。枫杨B组POD活性平均值与CK相比减少14.19%，D组减少8.23%，F组减少13.13%，B组与CK存在显著差异。枫香B组POD活性平均值与CK相比增加52.90%，D组增加42.08%，F组增加了25.10%，B组、D组与CK间存在极显著差异，F组与CK存在显著差异。落羽杉B组POD活性平均值与CK相比减少28.48%，D组减少25.33%，F组减少29.43%，3个处理组与CK均存在极显著差异。不同淹水深度处理下，枫杨B组POD活性最高，D组POD活性最低，3个处理组间无显著差异；枫香随淹水深度增加，POD活性逐渐降低，B组与F组间存在显著差异；落羽杉D组POD活性最高，F组POD活性最低，3个处理组间无显著差异。

随淹水时间的延长，枫杨3个处理组淹水一段时候后POD活性均显著低于淹水前。枫香B组和F组淹水前后无显著差异，D组淹水56 d时POD活性显著低于淹水前。落羽杉B组、D组淹水一段时候后POD活性均显著低于淹水前，F组淹水前后POD活性无显著差异。

淹水胁迫解除后，枫杨、落羽杉POD活性明显增加，高于未解除淹水胁迫的处理组，与CK无显著差异，仅E解除后与F存在显著差异。枫香解除胁迫后POD活性明显高于CK，A组解除后低于B组，C组解除后稍高于D组，E组解除后稍高于F组，均无显著差异，3个处理组解除胁迫后均极显著高于CK。

2.3 淹水胁迫对过氧化氢酶（CAT）活性的影响

图2 淹水胁迫下3个树种POD活性的动态变化Fig. 2 Changes of POD activity of three tree species under waterlogging stress

图3 淹水胁迫下3个树种CAT活性的动态变化Fig. 3 Changes of CAT activity of three tree species under waterlogging stress

淹水后，枫杨、枫香、落羽杉CAT活性变化均呈现出先降低后升高的趋势（图3）。枫杨B组CAT活性与CK相比增加3.71%，D组增加1.75%，F组增加15%，但3个处理组与CK均无显著差异。枫香B组CAT活性与CK相比增加11.84%，D组增加18.69%，F组增加20.96%，只有F组与CK存在显著差异。落羽杉B组CAT活性与CK相比增加7.58%，D组增加5.24%，F组增加31.57%，只有F组与CK存在极显著差异。不同淹水深度处理下，枫杨F组CAT活性最高，D组CAT活性最低，但3个处理组间无显著差异；枫香随淹水深度增加，CAT活性逐渐增加，但3个处理组间无显著差异。落羽杉与枫杨相似，F组CAT活性最高，D组CAT活性最低，F组CAT活性极显著高于B组和D组。

随着淹水时间的延长，枫杨3个处理组淹水前后均无显著差异。枫香只有B组淹水35 d时CAT活性显著高于淹水前，D组、F组淹水前后均无显著差异。落羽杉B组、D组淹水后与淹水前无显著差异，F组淹水一段时间后CAT活性显著高于淹水前。

解除淹水胁迫后，枫杨CAT活性增加，高于未解除淹水胁迫的处理组，也高于CK组；A组解除后极显著高于CK和B组；C组解除后，显著高于CK，但与D组无显著差异；E组解除后极显著高于CK，显著高于F组。枫香解除胁迫后高于未解除淹水胁迫的处理组，极显著高于CK组；A组解除后显著高于B组，C组解除后与D组无显著差异，E组解除后显著高于F组。落羽杉解除胁迫后高于未解除淹水胁迫的处理组，极显著高于CK组；A组解除胁迫后与B组无显著差异，C组解除后显著高于D组，E组与F组无显著差异。

2.4 淹水胁迫对丙二醛（MDA）含量的影响

淹水后，不同树种MDA含量变化不尽相同（图4）。枫杨MDA含量在淹水前期显著增加，后期降低，总体上仍高于CK组，B组与CK相比增加15.27%，D组增加12.65%，F组增加7.36%，但3个处理组与CK相比均无显著差异。枫香淹水后，MDA含量迅速升高，然后维持在一个较高的水平上，B组与CK相比增加116.70%，D组增加88.60%，F组增加99.42%，3个处理组与CK均存在极显著差异。落羽杉淹水后，呈现出降低-升高-降低的趋势，B组与CK相比增加0.98%，D组增加2.94%，F组增加19.71%，与但3个处理组与CK相比均无显著差异。不同淹水深度处理下，枫杨随淹水深度增加，MDA含量呈现出递减趋势；而落羽杉随淹水深度增加，MDA含量呈现出逐渐增加趋势；枫香B组MDA含量最高，D组MDA含量最低；但3个树种在不同淹水深度处理下均无显著差异。

图4 淹水胁迫下3个树种MDA含量的动态变化Fig.4 Changes of MDA content of three tree species under waterlogging stress

随着淹水时间的延长，枫杨在淹水前期MDA含量极显著高于淹水前，到淹水后期时MDA含量与淹水前已经无显著差异。枫香MDA含量淹水前最低，淹水一段时间后MDA含量显著高于淹水前。而落羽杉淹水后MDA含量普遍降低，B组淹水49 d后MDA含量显著低于淹水前；D组、F组淹水后MDA含量与淹水前无显著差异。

淹水胁迫解除后，枫杨MDA含量高于未解除淹水胁迫的处理组，也高于CK组，其中A组显著高于B组和CK，C组显著高于D组和CK，E组高于F组和CK，但无显著差异。枫香MDA含量呈现增加趋势，极显著高于CK组，也高于未解除淹水胁迫的处理组，其中C组、E组显著高于未解除胁迫的处理组，A组与B组无显著差异。落羽杉MDA含量高于未解除淹水胁迫的处理组，但仅C组与D组存在显著差异，且3个处理组与CK均无显著差异。

3 结论与讨论

（1）经过56 d长期淹水后，所有试验苗木存活率均为100%，且试验结束后将长期淹水组的苗木继续淹水过冬观察，至2017年5月止，所有苗木仍能正常存活，并长出嫩枝和新叶，这证明枫杨、枫香、落羽杉等3个树种可耐长期水淹，对淹水胁迫具有很强的适应性。对于枫香，以前国内外普遍认为只耐干旱贫瘠，不耐水湿，而近年来的研究发现，枫香也具有较强的耐水淹能力[19-20]，孙海菁等[15]研究也发现5个不同枫香种源经过120 d的淹水后存活率均为100%，本试验结果也证明了枫香具有很强的耐水淹能力，可适合在江滩地上推广种植。

（2）不同淹水深度胁迫下，枫杨SOD、POD、CAT活性无显著差异；枫香随着淹水深度增加，SOD、POD活性逐渐减少，且渍水与深度淹水间存在显著差异；CAT活性随淹水深度增加而逐渐增加，但不同淹水深度间无显著差异。落羽杉渍水时SOD活性最高，显著高于轻度淹水时；深度淹水时CAT活性最高，极显著高于渍水和轻度淹水时；POD活性不同淹水深度处理下无显著差异。陈桂芳等人[21]对耐水淹能力极强的水松的研究结果与本试验结果较为相似。

（3）随着淹水时间的延长，枫杨、枫香、落羽杉SOD等保护酶活性多呈现出降低-升高-降低的波状起伏变化。枫香淹水一段时间后SOD活性显著低于淹水前，枫杨、落羽杉淹水一段时间后POD活性也显著低于淹水前，而枫杨、枫香、落羽杉的CAT活性在淹水前后变化不大。淹水解除胁迫后，枫杨等3树种的SOD等保护酶活性明显增加。这可能是由于枫杨等树种在淹水后，体内SOD等保护酶活性增加，消除了植物体内的活性氧，抑制和降低了MDA的含量，在淹水一段时间后，形成了对淹水环境的适应，从而使SOD等保护酶活性形成了新的动态平衡。这与张往祥等人[22]对落羽杉的研究结果不尽相同，而李纪元[13]的研究发现枫杨在短期淹水胁迫下，SOD、POD活性下降，这与本研究结果较为相似。武燕奇等人[23]在研究板栗的抗逆生理时也发现随着干旱时间的延长，板栗叶片中SOD活性也呈现出降低-升高-降低的趋势。

（4）丙二醛（MDA）为植物膜脂过氧化作用的最终产物，具有细胞毒性，能与膜结构上的酶类结合使其失去活性，通常利用其表示细胞膜脂过氧化程度及植物对逆境条件反应的强弱[24-25]。淹水后，枫杨、枫香的MDA含量显著增加，枫香MDA含量增加最为明显，后期MDA含量下降，说明枫杨、枫香等在淹水后受到了一定的伤害，但随着对淹水环境的适应，受伤害的程度由强转弱。落羽杉为沼生植物，淹水环境更适合其生长，因而淹水后MDA含量反而降低。