热带滨海植物红厚壳的抗逆生物学特性

张世柯,黄耀,简曙光,刘楠*

(1.中国科学院华南植物园，广东省应用植物学重点实验室，广州 510650；2.中国科学院大学，北京 100049)

红厚壳(Calophyllum inophyllum)，别名海棠木、琼崖海棠、君子树、胡桐等，为藤黄科(Guttiferae)乔木(图1)，树高5～12 m；叶对生，革质较厚，呈椭圆形或宽椭圆形；叶片双面都有光泽,波状或全缘，叶柄短；总状花序或圆锥花序，花两性；雄蕊多数,球形核果[1]。红厚壳分布于印度、斯里兰卡、中南半岛、马来西亚、印度尼西亚、澳大利亚、非洲东部等热带岛屿，在我国主要分布于海南(含西沙群岛)和台湾[2]。红厚壳主要生长在低海拔的沿海地区,村边、公路旁、海岸、河边、丘陵等环境中都可以观察到[3]。红厚壳的根系较为发达,抗风，对盐碱环境有较强的耐受性，能够在贫瘠且干旱的海滨地带以及低海拔的丘陵中生长[4]。红厚壳是西沙群岛和东南亚地区常见的植物，是西沙群岛森林群落中的优势种[2]。红厚壳木材坚硬且耐腐蚀，是良好的造船材料；其叶能够去肿消炎，有一定的药用价值；其油脂具有粘合功能,是良好的天然粘合剂[1]。此外，红厚壳具有良好的水土保持能力，是用来防止土地荒漠化的理想树种[4]。

图1 红厚壳。A：植株；B：花枝；C：花；D：果实。Fig.1 Calophyllum inophyllum.A：Plant；B：Branch with flowers；C：Flowers；D：Fruits.

目前对红厚壳的研究主要集中在药理活性[5]、野生资源的保护[6]、指纹图谱[7]、生物碱提取[8]、合成生物柴油[9]、叶片韧性[10]等方面，但对于红厚壳的抗逆生物学特性的研究尚未见报道。本研究对西沙群岛东岛红厚壳的形态解剖学特征、生理学特性、植物元素含量等进行研究，探究其对珊瑚岛环境的生态适应性，为红厚壳的引种及开发利用提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区位于中国西沙群岛东岛，112°43′13″～112°44′22″E，16°39′34″～16°40′31″N，是椭圆形珊瑚岛，面积约为1.55 km2，是西沙群岛中的第二大岛。气候类型是热带海洋气候，年均温为26℃～27℃，年降水量约为1 500 mm[11]，主要集中在6-11月，占全年降水量的87%[12]。干季(12-5月)降水量小且海岛土壤保水能力低，导致东岛季节性干旱。西沙群岛形成陆地时间较晚，各岛均无特有植物,主要依赖人类活动、海风和海水等传播而来。东岛人类活动稀少，岛上植物种类少，共有103种植物,其中有76种为野生植物[2]。

1.2 材料

红厚壳(Calophyllum inophyllum)主要分布于东岛海岸线地带(距离海洋50～100 m)，数量少且分布稀疏，多以单株形式分布。于2016年6月在西沙群岛东岛，随机选取5株健康、长势良好且株高相仿(1.5～2.5 m)的成年红厚壳植株，每株采集健康成熟且大小相近的中部叶片约10片，放入装有冰袋的冰盒中保存。参照森林生态系统土壤采样方法,采集红厚壳植株附近0～20 cm的表层土壤约1 000 g,装入密封袋保存。所有植物样品和土壤样品带回实验室。

1.3 形态解剖特征

选取成熟叶片徒手制作切片[13]，根据Duncan[14]和任海[15]的方法制作，将样品切片放置于Leica DM 4000B(Leica,德国)显微镜下，每片叶子取3个清晰的视野，观察叶片、海绵组织、栅栏组织、气孔和保卫细胞。再通过Image-J(https：//imagej.en.softonic.com)软件对显微图片进行处理，计算叶片、海绵组织和栅栏组织的厚度，测量叶片气孔保卫细胞的长度(SL)和气孔密度(SD)，计算气孔面积指数(SPI),SPI=SL2×SD[16]。

1.4 方法

干物质含量和比叶面积采用分析天平称取叶片样品的鲜质量(FW)，然后将叶片置于65℃烘箱烘干，称量干质量(DW)。利用LI-3000C(LI-COR,美国)便携式叶面积仪测定叶片的叶面积(LA)。计算叶片比叶面积(SLA)=LA/DW；干物质含量(LDMC)=DW/FW。

叶绿素含量参照胡秉芬等[17]的方法，采用分光光度计UV-3802(Unico，中国)分别在663和645 nm波长下比色测量叶绿素a、b的吸光度[17]。根据Arnon公式[18]分别计算叶绿素a、b和叶绿素总含量。

过氧化氢酶(CAT)活性采用紫外吸收法[19-20]测定。

过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚法[21]测定。

超氧化物歧化酶(SOD)活性采用四氮唑蓝(NBT)法[22]进行测定。以抑制NBT还原50%为1个酶活单位(U g-1)。

总抗氧化能力(T-AOC)采用FRAP法[23]测定。

脱落酸(ABA)含量采用高效液相色谱法[24]测定。

丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法[25]测定。

脯氨酸(PRO)含量采用茚三酮比色法[26]测定。

总酚(TP)含量采用福林酚比色法[27]测定。

植物营养元素含量将叶片置于65℃的烘箱中烘干,研磨并过100目筛。称取0.15 g粉末并酸化,采用丘林法[28]测定碳含量；称取0.15 g粉末采用靛酚蓝比色法[29]测定氮含量；称取0.15 g粉末采用钼锑抗比色法[29]测定磷含量。

土壤理化性质将采集的土壤样品充分混匀，用镊子去除土壤中的植物凋落物、动物残骸等杂质并过2目筛。过筛后的土壤样品在室内阴凉处自然风干，研磨过100目筛。加入过量浓HCl去除碳酸盐，再用纯水将土壤样品洗涤至中性，放置于65℃烘箱烘干。使用pH211(Hanna，意大利)酸度计测定pH值；采用靛酚蓝比色法[29]测定氮含量；采用丘林法[28]测定碳含量；采用钼锑抗比色法[29]测定磷含量；使用原子分光光度计测定其他元素含量。

1.5 数据处理

将测定所得的各项数据录入Microsoft Excel 2013计算平均值和标准误；使用Adobe Photoshop 5对图片进行处理。

2 结果和分析

2.1 叶片形态解剖学特征

红厚壳叶片的形态学解剖特征如图2所示，其叶片有明显的海绵组织和栅栏组织分化，异面叶,由上表皮、海绵组织、栅栏组织和下表皮组成。叶片厚(365.76±6.87)μm，属于厚叶片，上表皮厚(18.41±1.66)μm。海绵组织发达，有一定程度的分化。栅栏组织排列紧密，但厚度一般。栅栏组织厚(71.64±10.04)μm，海绵组织厚(176.73±10.90)μm,两者之比为0.41±0.07。气孔保卫细胞长(31.10±2.77)μm,排列松散，密度为(24.40±2.30)mm-2。叶片干物质含量为(38.00±2.06)%，比叶面积为(83.71±3.91)cm2g-1。

2.2 叶片生理学特征

叶片的叶绿素(Chl)a、b含量分别为(0.87±0.03)和(0.43±0.09)mg g-1，Chl a/b为 2.02±0.33,小于理论值3∶1，能够促进红厚壳吸收光能和光合作用,Chl a+b为(1.30±0.12)mg g-1。红厚壳的T-AOC和SOD活性较高，分别为(388.60±1.16)和(149.42±3.63)U g-1。CAT 活性较低，仅为(78.89±0.95)U g-1。PRO含量较高，为(127.89±2.35)µg g-1,表明红厚壳具有良好的抗氧化胁迫能力。TP和MDA的含量较低,分别为(13.24±0.79)mg g-1和(13.46±0.30)nmol g-1,表明氧化胁迫不足以导致红厚壳体内大量积累MDA。

图2 红厚壳叶片的形态解剖结构Fig.2 Anatomical structure of Calophyllum inophyllum leaf

2.3 植物营养元素和土壤理化性质

叶片总有机碳含量较高[(428.279±15.879)g kg-1],总P含量较低[(2.218±0.318)g kg-1]，总N含量为(15.529±3.679)g kg-1，叶片的N/P为7.001，C/N为25.579。

土壤含水量为(14.21±5.32)%，pH为8.12±0.12,土壤呈碱性。有机碳含量为(4.59±2.24)%，全N含量为(1.94±0.65)g kg-1，全P含量为(1.27±0.59)mg kg-1。土壤金属元素中，Ca含量最高为(78.54±11.53)g kg-1,Na含量最低为(0.24±0.10)g kg-1,K、Mg和Fe含量分别为(0.45±0.23)、(6.20±1.62)和(1.13±0.81)g kg-1,说明红厚壳适生环境的土壤为典型的碳酸钙基质,保水能力差，呈碱性，养分含量极低。

3 讨论和结论

3.1 形态解剖学特征与抗干旱的关系

比叶面积是植物的重要形态解剖学特征之一。低比叶面积的植物能够减少体内水分的丧失。因此在干旱环境中，较小比叶面积的植物更有竞争优势[30]。叶片是植物对干旱敏感的器官，其形态结构发生改变将会引起植物生理特性改变[31]。研究表明[32-34]，西沙群岛优势乔木抗风桐(Ceodes grandis)、橙花破布木(Cordia subcordata)和榄仁树(Terminalia catappa)的比叶面积分别为166.84、205.06和111.2 cm2g-1，而红厚壳比叶面积较低,为83.71 cm2g-1，说明红厚壳具有良好的储水能力和抗干旱能力。红厚壳叶片革质，角质层发达，具有减少水分丧失的能力。比叶面积和叶片厚度成反比，即比叶面积小的叶片一般厚度较大，叶片的厚度能够反映植物的储水能力，厚度大的植物储水能力好[35]。西沙群岛优势乔木海滨木巴戟(Morinda citrifolia)的叶片厚度为 221.73μm[36]，橙花破布木叶片厚203.69μm，而红厚壳的叶片厚度达365.76μm，说明红厚壳叶片具有较高的储水能力，有利于抵御季节性干旱的胁迫。

植物叶片的气孔性状与植物的抗旱能力密切相关，气孔密度与植物的蒸腾作用有很大关系[37]。张义[38]等统计了青海高原上11种城市森林植物的气孔密度，大约为80.6～408.4 mm-1。西沙群岛优势乔木榄仁树的气孔密度为32.40 mm-1，而红厚壳叶片气孔密度较小，为24.40 mm-1。较小的气孔密度加之较厚的叶表皮和角质层，有利于植物保水,防止水分散失，是其维持抗旱能力的重要保障。

3.2 叶片生理学特征与抗逆性的关系

叶绿素是植物抗逆能力的重要指标[39]，叶片的叶绿素含量低是对干旱环境做出的生理响应[40]。叶绿素在光合作用中不仅承担光能吸收与能量转换,还在不同环境下通过调整光能分配以保证光合系统的正常运行。与西沙群岛优势乔木榄仁树(1.85 mg g-1)和海滨木巴戟(9.79 mg g-1)相比，红厚壳的叶绿素含量较低，说明其通过降低叶绿素含量来减少干旱环境引起的伤害，并增强抗旱能力和对强光环境的适应能力[40]。

逆境会造成植物细胞代谢失调，短时间内会出现超氧阴离子(2O-·)和H2O2大量累积并超过膜伤害阈值，引起膜脂过氧化对细胞造成危害。膜脂过氧化的产物是MDA，其含量常用于指示膜脂过氧化伤害程度[41]。红厚壳叶片的MDA含量为13.46 nmol g-1,和抗风桐(16.88 nmol g-1)、橙花破布木(16.94 nmol g-1)很接近，远低于西沙群岛野生乔木海滨木巴戟(65.86 nmol g-1)。因此，在海岛逆境中，红厚壳受到的氧化胁迫伤害较小，能够适应海岛逆境。

东岛干湿季分化明显，干季降水量小且土壤保水能力较差，使生活在东岛的植物受到干旱胁迫。PRO是植物蛋白质的主要组成部分，同时也是植物的渗透调节剂。在植物受到干旱胁迫和盐胁迫时，体内会积累大量PRO，增加植物对渗透胁迫的抗性[42]。红厚壳PRO含量为127.89µg g-1，低于海滨木巴戟(190.78µg g-1)、抗风桐(158.61µg g-1)和榄仁树(284.70µg g-1),表明渗透胁迫对于红厚壳影响较小，耐旱性较强。

为了避免活性氧大量积累破坏膜系统，细胞的抗氧化系统会清除多余的活性氧自由基以保护细胞膜[43]。SOD和CAT是植物抗氧化过程中起主要作用的酶。红厚壳的SOD活性与榄仁树(148.47 U g-1)相近；CAT活性小于榄仁树(243.08U g-1)，高于橙花破布木(30.99Ug-1)。此外红厚壳的总抗氧化能力高于西沙群岛上大多数优势乔木，如抗风桐(217.28Ug-1)、橙花破布木(145.74 U g-1)，表明红厚壳有可能含有非酶类抗氧化剂用以清除过多的活性氧，以减小其受到的氧化胁迫伤害。

3.3 叶片营养元素及土壤养分的关联

对红厚壳生长环境的土壤进行分析，结果表明，土壤含水量低，pH高，有机碳含量、全N含量和全P含量偏低，钙含量非常高。这说明红厚壳适生环境的土壤为典型的碳酸钙基质，保水能力差，呈碱性，养分含量极低。氮和磷是植物体不可或缺的重要元素，在一定范围内，植物N含量与其光合作用速率以及电子传递效率呈正比[44]。植物叶片中的磷与呼吸作用和光合作用有密切联系，影响光合作用和呼吸作用过程中生物能值传递分子，如脱氢酶复合物等的活性。据张义等[38]对11种城市森林植物的研究，植物的N/P＜14时，会出现氮限制植物生长的现象。红厚壳的N/P比为7.001，说明其生长受到严重的氮限制，与东岛土壤的贫瘠有关。尽管土壤养分含量总体偏低，但红厚壳体内的养分元素含量与常绿阔叶林优势树种持平[45]，说明红厚壳能够高效吸收和利用土壤养分，合成有机物用于其自身的生理代谢。与热带珊瑚岛植物相比,红厚壳氮、磷含量都高于热带海岛环境中生长的草海桐[46]，说明红厚壳能够适应东岛贫瘠的土壤环境，维持体内氮、磷的积累和正常周转。

红厚壳属于阳生植物，具有叶片厚、比叶面积小、气孔密度低等适应干旱环境的形态解剖特征,并具有叶绿素含量和丙二醛含量较低、脯氨酸含量较高、抗氧化能力和营养元素利用效率高等能够抵御多种逆境胁迫的生理特征。因此，红厚壳具有较好的抗逆性，能够在干旱、贫瘠、盐碱的珊瑚岛环境中生长，在海岛绿化和植被恢复中有较好的应用前景，可以作为热带珊瑚岛植被恢复工具种。