淹水胁迫对菖蒲生理特性及其根际细菌群落特征的影响

顾诗云，杨 飞，张毅敏①，张志伟，谢科夫，管祥洋

(1.常州大学环境与安全工程学院，江苏 常州 213164;2.生态环境部南京环境科学研究所，江苏南京 210042)

湿地植物可以直接吸收利用湿地中的营养物质、吸附悬浮物及重金属，同时其根系又能给微生物的生长、繁殖提供适宜的场所［1］。挺水植物作为水陆交界处浅水区域常见的湖滨带湿地植物［2］，淹水是其在自然环境中常常遭受到的一种非生物胁迫［3］。淹水环境一方面会阻碍植物与大气环境间的气体交换，改变光照条件，进而影响植物的生长、生理特性及光合作用能力［4］;另一方面也会影响植物根系生长及微生物活性，间接影响植物根际环境细菌群落的多样性［5］。相关研究表明，当挺水植物长期处于淹水环境下，为减轻淹水胁迫对其造成的伤害，植物自身会通过形态结构和资源分配方式的调整(包括分蘖数、地上部分的高度、根状茎构造、茎及根状茎的直径、生物量分配比例等)或生理生化机制的调节(如形成相应的抗氧化保护酶系统、改变激素调节方式和代谢途径等)，来适应淹水环境［6-7］。长时间淹水易造成植物根际低氧环境，抑制好氧微生物的生长，产生一些厌氧细菌，进而对根系造成伤害［8］。而植物在缺氧条件下根系分泌物的量会增加，特别是可溶性有机物的量，给微生物生长代谢提供营养物质［9］。

菖蒲(Acorus calamus)是湖泊岸边浅水区、河流以及沼泽湿地常见的一种多年生挺水草本植物，全株具有芳香气味，形态美观，有净化污染水体的能力，可在园林水景区栽种或用作人工湿地植物［10］。以往研究多集中在实验室内模拟淹水胁迫对菖蒲生长生理的影响［11-13］，而对野外环境下菖蒲受到不同程度淹水胁迫后生理特性变化的研究还鲜有报道。且以往研究多注重地上部分，忽视植物受淹水胁迫后地下根际细菌群落的变化特征。为此，笔者选取典型挺水植物菖蒲为研究对象，通过在滆湖进行野外现场模拟试验，探究不同淹水深度及淹水持续时间对菖蒲生理特性及其根际细菌群落特征的影响，分析菖蒲对淹水胁迫的响应规律，旨在为湖滨带湿地挺水植物的重建和恢复提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于常州市滆湖东北部大洪港(31°38"35.78″N，119°52"26.54″E)，属北亚热带季风气候区，年平均气温为15.5℃，多年平均降水量为1 124 mm，年平均最大风速为15.3 m·s-1。该区域四季分明，夏季雨量充沛，日照充足，湿地植物受鱼类牧食影响小。

1.2 试验设计

试验用挺水植物菖蒲购于滆湖大洪港试验基地附近的夏溪花木市场，于2018年8月挖取滆湖公园底泥，去除石块和植物残体等杂质，选取长势良好、高度和根系大小相近的菖蒲〔初始株高(79.4±3.7)cm〕，用纯水冲洗其表面附着物，小心分至单株并称重，重新栽种至铺有约10 cm滆湖底泥的PVC吊桶中(直径20 cm，高30 cm)，每桶种3株，将所有重新种植于PVC吊桶中的菖蒲在玻璃房中驯养1周，每天固定时间浇水(从滆湖大洪港采集的湖水)，待其长势稳定后移入滆湖大洪港试验区开展原位模拟试验，试验期该区域基本水环境指标:平均水深 2.60 m，ρ(TN)均值为(1.216±0.112)mg·L-1，ρ(TP)均值为(0.147±0.009)mg·L-1，ρ(NH4+-N)均值为(0.188±0.012)mg·L-1，ρ(NO3--N)均值为(0.157±0.074)mg·L-1，ρ(PO43--P)均值为(0.014±0.001)mg·L-1，ρ(DO)均值为(7.74±0.05)mg·L-1，ρ(SS)均值为(43.75±0.75)mg·L-1，ρ(Chl-a)均值为(31.74±3.82)μg·L-1，pH 均值为 7.57±0.15。

将栽有菖蒲的PVC吊桶通过尼龙绳分别以正常水位处理(T0:基质面至水面约20 cm，野外湖滨带菖蒲正常水位)、半淹处理(T1:淹水至植株株高一半，淹水深度约40 cm)和全淹处理(T2:植株完全没于水中，淹水深度约80 cm)，悬挂固定在试验区中可漂浮框架上(3.0 m×2.5 m)，同时为防止鱼类牧食干扰，在框架周围围网(图1)。试验共设置2个处理组和1个对照组，每组设置6个平行，试验周期为42 d(2018年8月11日—9月21日)。

图1 原位模拟试验装置Fig.1 In-situ simulation test device diagram

1.3 测定指标及方法

1.3.1 植物生理特性指标

(1)丙二醛(MDA)含量与超氧化物歧化酶(SOD)活性:自试验开始，每组间隔7 d随机抽样采集3片新鲜植物叶片，取样时将PVC桶小心提出水面，剪下植物叶片并用蒸馏水冲洗干净其表面附着物，立即装入编号自封袋中，再统一放入含有冰袋的泡沫盒中带回实验室，放至-80℃的冷冻冰箱中储藏备用。MDA含量的测定采用硫代巴比妥酸法，单位为nmol·g-1(以鲜重计)。SOD活性的测定采用氮蓝四唑比色法［14］，以抑制 NBT光化还原的50%为一个活性单位(U)，SOD总活性以每克样品鲜质量的酶单位表示(U·g-1)。以上指标测定每个处理均重复3次。

(2)叶绿素荧光特性:自试验开始分别于第0、14、28、42天07:00—08:00在野外试验现场每组随机选择3片成熟叶片，采用水下饱和脉冲叶绿素荧光仪Diving-Pam(德国Walz公司)和数据采集软件Wincontrol原位测定叶绿素荧光参数。

①最大量子产量:将连体叶片暗适应10 min后，打开叶夹，开启测量光(0.15 μmol·m-2·s-1)测得初始荧光产量(F0)，再开启饱和脉冲(1 000 μmol·m-2·s-1)测得最大荧光产量(Fm)，根据Fm和F0可计算出经过暗适应后 PSⅡ的最大量子产量［15］:

式(1)中，Fv为可变荧光。

②快速光响应曲线:开启强度分别为0、67、153、241、357、497、734、1 023 和 1 518 μmol·m-2·s-1的光化光照射10 s，在任一光合有效辐射强度(RPA)照射后记录荧光值(Ft)，打开饱和脉冲得到最大荧光值(Fm")，由此得出PSⅡ的有效量子产量(Y)［16］:Y=(Fm"-Ft)/Fm"，根据Y和RPA计算出相对光合电子传递速率(rETR)［17］，并绘制rETR与光强的快速光响应曲线:

式(2)中，0.84为植物的经验性吸光系数;0.5表示假设植物吸收的光能被2个光系统均分［18］。

1.3.2 植物根际细菌群落特征测定

在整个淹水试验过程中，初始和结束每个处理组分别采集3个平行植物根际土壤样品进行混合，装入编好号的自封袋中，放于含有冰袋的泡沫盒运至实验室，在-80℃冰箱中储藏备用。根据Illumina MiSeq高通量测序要求，样品采用土壤DNA提取试剂盒(Power Soil DNA Isolation Kit，MOBIO，USA)提取基因组DNA，微生物细菌基因片段采用上海微基生物科技有限公司的454GS Junior测序仪进行测序，测序引物选用16S rRNA的V4-V5区引物515F和926R。MiSeq测序最后得到的优化序列，利用mothur软件(Version 1.33.3)进行OTU聚类分析(可进行多样性指数分析)和物种分类学分析(可在各个分类水平上进行群落结构的统计分析)。

1.3.3 水质指标

试验期间，每7 d采集试验区水样，立即带回实验室进行水质指标测定。采用哈希hq-30d水质便携计测定水体温度、pH值和溶解氧浓度。总氮(TN)浓度采用碱性过硫酸钾氧化，经紫外分光光度计测定;总磷(TP)浓度采用碱性过硫酸钾消解，钼锑抗分光光度法测定。氨氮(NH4+-N)浓度、硝态氮(NO3--N)浓度、磷酸盐(PO43--P浓度)、悬浮物(SS)浓度和叶绿素浓度(Chl-a)浓度等水质指标参照《水和废水监测分析方法(第四版)》［19］测定。

1.3.4 数据处理与分析

采用Excel 2016和SPSS 22.0软件对数据进行计算和统计分析处理，Origin 8.5软件作图。采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和Duncan检验法进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 淹水胁迫下菖蒲生理特性的变化

2.1.1 MDA含量与SOD活性

由图2可见，在整个试验期间，随着淹水时间的延长，正常水位组(T0)MDA含量总体上表现平稳，半淹处理组(T1)MDA含量呈升高—降低—升高的变化趋势，全淹处理组(T2)MDA含量呈上升趋势。淹水前各组菖蒲叶片MDA含量差异不显著;淹水7 d后T1、T2组菖蒲叶片MDA含量均缓慢增加，但各组间MDA含量无显著差异;淹水14 d、21 d各组间差异均达显著水平(P＜0.05)，其中T1组菖蒲叶片中MDA含量呈下降趋势，至淹水28 d与T0对照组差异不显著，而T2组MDA含量仍然呈上升趋势;淹水42 d时T1、T2组MDA含量均达最大值，分别比对照组显著提高47.24%和64.44%(P＜0.01)。总体而言，T1组菖蒲叶片MDA含量上升的幅度小于T2组，表明半淹处理菖蒲叶片受到的淹水伤害较轻。

在试验期间，T0组SOD活性总体较平稳，T1、T2组菖蒲叶片SOD活性对淹水的响应有所差异。淹水前各组的SOD活性差异不显著;淹水7 d后T1、T2处理组SOD活性均有所上升，但T1组菖蒲叶片SOD活性与T0组相比差异不显著，T2组SOD活性显著高于T0组(P＜0.05)。从淹水14 d开始T1、T2组菖蒲叶片SOD活性均显著高于T0组，至淹水21 d T2组SOD活性达到最大(比T0组提高54.26%)后逐渐降低;T1组在淹水28 d时菖蒲叶片SOD活性已下降至与T0组持平，之后随着淹水时间的延长，SOD活性有所上升后下降，其中淹水35 d时SOD活性达到最大，是T0组的1.32倍。

图2 淹水胁迫下菖蒲丙二醛(MDA)含量和超氧化物歧化酶(SOD)活性的变化Fig.2 Changes of MDA content and SOD activity of Acorus calamus under flooding stress

2.1.2 叶绿素荧光特性

从图3可见，淹水前菖蒲各组最大量子产量(Fv/Fm值)介于0.821～0.831之间;淹水后T2组菖蒲的Fv/Fm值始终小于T1组，而T1组菖蒲的Fv/Fm值始终小于T0组。相比于T1组，T2组菖蒲的Fv/Fm值在淹水第 14、28、42天分别下降了3.44%、8.69%和6.36%;T1组菖蒲的Fv/Fm值在淹水第 14、28、42天比 T0组分别下降 6.20%、2.42%和8.47%，即Fv/Fm值随着淹水深度的增加而减小。随着淹水时间的延长，T1、T2组菖蒲的Fv/Fm值均呈下降趋势，其中除T1组淹水28 d时下降不明显且与T0组差异不显著外，其余均显著低于T0组(P＜0.05)。至淹水结束(42 d)，T1、T2组菖蒲的Fv/Fm值比 T0组分别下降了8.47%和14.29%。

快速光响应曲线(RLCs)为相对电子传递速率(rETR)随着光强(RPA)变化的连续曲线。淹水第14、28、42天菖蒲RLCs上的rETR均表现出随着淹水深度的增加而下降(图3)，在试验设置的最大光强(1 518 μmol·m-2·s-1)下菖蒲 T1、T2 组淹水第 14天的rETR分别为T0组的77.75%和47.54%，第28天的rETR分别为T0组的87.27%和41.61%，第42天的rETR分别为T0组的72.58%和42.81%。从淹水时间上看，随着淹水时间的延长，T1、T2组菖蒲的rETR逐渐下降，在试验设置的最大光强(1 518 μmol·m-2·s-1)下菖蒲T1组淹水第28和42天分别比第14天下降了15.36%和34.64%，T2组淹水第28和42天分别比第14天下降了33.99%和36.95%。其中，rETRmax值从大到小排序为 T0(14 d)＞T1(14 d)＞T0(28 d)＞T0(42 d)＞T1(28 d)＞ T1(42 d)＞ T2(14 d)＞ T2(28 d)＞ T2(42 d)，与rETR表现出同样的规律，可见全淹或淹水时间过长更易限制光合作用过程中电子的相对传递速率，进而影响菖蒲的光合作用能力。

图3 淹水胁迫下菖蒲最大量子产量(Fv/Fm)与快速光响应曲线的变化Fig.3 Changes of Fv/Fmand RLCs of Acorus calamus under flooding stress

2.2 淹水胁迫下菖蒲根际细菌群落特征

2.2.1 细菌群落结构多样性和丰富度

该研究中克隆覆盖率均在0.98以上(表1)，说明测序过程中对样品微生物群落覆盖程度较高，有较合适的测序数据量。Shannon指数和Simpson指数用来反映群落的多样性，其中Shannon指数越大或Simpson指数越小，说明样品中微生物群落多样性越丰富［20］。Chao指数反映样品中群落的丰富度，其指数越大，群落丰富度越高。由表1计算结果可知，对比淹水前(0 d)和淹水结束(42 d)，T1、T2组菖蒲根际泥样的Shannon指数分别从5.98、6.15上升至6.48、6.55;Simpson指数分别从 0.017 4、0.013 9下降至0.007 9、0.004 6;Chao指数分别从2 491.78、2 625.39 上升至 2 740.24、2 720.48，说明淹水结束菖蒲根际细菌群落多样性和丰富度均有所增加。淹水结束，T1、T2组菖蒲根际泥样的Shannon指数及Chao指数均大于 T0组，但 T1、T2组之间指数值相近，表明半淹和全淹组均使菖蒲根际细菌群落多样性和丰富度有所增加，但两组之间差别不大。

2.2.2 细菌群落结构相似性和差异性

在OTU水平上对各样本计算距离矩阵(Bray-Curtis法)，得出相似性树状图(图4)。

图4 基于Bray-Curtis距离的各样本聚类与OTU分布韦恩图Fig.4 Analysis of sample clustering based on Bray-Curtis distance and OTU

聚类结果显示，总体划分为2个分支，淹水前聚为1支，淹水结束聚为另1支。说明淹水结束菖蒲根际细菌群落结构发生改变，表现为与淹水前相似度较低。淹水前菖蒲各组根际细菌群落结构虽然相似，但也存在一些差异，淹水结束后T1、T2组相似度较高，表明不同淹水深度菖蒲根际细菌群落结构相似度较高。韦恩(Venn)图可以直观地展示样品间共有和独有的OTU数目(图4)。淹水前和淹水结束菖蒲根际泥样共有的OTU总数为2 553个，其中淹水前菖蒲根际泥样特有的OTU数目为83个，淹水后特有的OTU数目增长至277个，明显高于淹水前，说明淹水结束菖蒲根际拥有较多特有的细菌种类。

2.2.3 细菌群落组成分析

在门分类水平上(图5)，菖蒲各组根际细菌优势门类包括变形菌门(Proteobacteria，占比为42.5%～52.3%)、拟杆菌门(Bacteroidetes，15.9% ～21.7%)、绿弯菌门(Chloroflexi，4.5%～8.8%)、酸杆菌门(Acidobacteria，4.2%～5.0%)和厚壁菌门(Firmicutes，2.4%～4.7%)，这5类约占总测序序列的77.1%～84.1%。变形菌门为第1优势类群，主要包括α-变形菌纲(Alphaproteobacteria)、β-变形菌纲(Betaproteobacteria)、γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)、δ-变形菌纲(Deltaproteobacteria)4 个亚类，其中，γ-变形菌纲(11.6% ～18.6%)、δ-变形菌纲(12.5%～16.5%)和β-变形菌纲(11.2%～17.4%)为优势菌纲。拟杆菌门作为群落中第2优势类群，主要由拟杆菌纲(Bacteroidia)和鞘脂杆菌纲(Sphingobacteriia)组成。绿弯菌门为群落中第3大优势类群，厌氧蝇菌纲(Anaerolineae)是其主要亚类。在目水平以假单胞菌目(Pseudomonadales)、厌氧绳菌目(Anaerolineales)、红环菌目(Rhodocyclales)为优势类群，主要优势科类为假单胞菌科(Pseudomona-daceae)、厌氧绳菌科(Anaerolineaceae)和红环菌科(Rhodocyclaceae)。其中，纲目科水平上主要优势类群均包含在前3优势门类中。

对比淹水前和淹水结束后2个不同时期菖蒲根际泥样细菌群落组成，各分类水平上优势类群相近，但组成数量不同。表现为门水平上，T1、T2组在淹水结束后优势门类所占比例(78.8%、77.1%)均低于淹水前(82.0%、81.6%);纲水平上，T1、T2组淹水结束后优势菌纲所占比例分别下降6.8和5.8百分点;目科水平上，淹水结束优势类群占比也均有所下降。淹水结束后，菖蒲根际蓝藻门(Cyanobacteria)的丰度上升，表现为淹水前蓝藻门仅占0.2%～0.4%，淹水结束后增加至1.6%～2.6%;除此之外，T1、T2组厚壁菌门的丰度(4.7%、4.6%)高于T0组(2.4%)，而T1、T2组变形菌门的丰度比T0组分别下降7.3和8.2百分点。

在属分类水平上(图5)，存在于各组样品中且丰度较高的有假单胞菌属(Pseudomonas，3.56%～11.70%)、脱氯单胞菌属(Dechloromonas，1.13% ～4.68%)、地杆菌属(Geobacter，1.27% ～3.36%)、拟杆菌属(Bacteroides，0.70% ～2.09%)、硫杆菌属(Thiobacillus，0.19%～3.29%)。假单胞菌属是属水平的第1类优势菌属，T1、T2组在淹水前丰度相对较高，分别占11.70%和10.68%，淹水结束时丰度明显下降，仅占7.38%和3.56%。除此之外，对比淹水前和淹水结束时，淹水结束后丰度下降的有硫杆菌属(T1组从3.29%下降至0.41%，T2组从1.13%下降至0.34%)、硫曲菌属(Sulfuricurvum，T1组从2.55%下降至0.03%，T2组从1.11%下降至0.04%)，丰度升高的有普氏菌属(Prevotella，T1组从0.05%上升至 2.30%，T2组从 0.25%上升至1.76%)。

图5 门分类及属分类水平上细菌群落组成Fig.5 Composition of bacterial communities at the level of phylum and genus

3 讨论

3.1 淹水胁迫对菖蒲生理特性的影响

逆境胁迫导致植物体内活性氧代谢失衡而产生过量活性氧，进而引发或加剧膜脂过氧化或膜脂脱脂作用，而植物细胞膜脂过氧化的重要产物是MDA［21］，通常表现为MDA含量的积累。此外，植物为清除体内过量的活性氧，也会通过抗氧化酶系统和非酶系统的共同作用［3］，其中超氧化物歧化酶(SOD)是抗氧化酶系统中重要的保护酶之一，因此SOD活性的大小常作为植物抗逆性的生理指标。有人工模拟根系淹水、植株1/5淹水、植株1/2淹水3种不同程度涝渍胁迫的研究发现，在45 d的水涝胁迫中石菖蒲(Acorus tatarinowii)的各生理指标表现出持续上升或趋于稳定［22］。刘泽彬等［23］对香附子(Cyperus rotundus)进行不同淹水处理45 d发现，所有淹水处理(根部淹水、半淹、全淹)香附子植株叶片MDA含量、SOD活性均有所增加，但随着淹水时间的继续延长，全淹组植株叶片SOD活性逐渐下降。该研究与后者结论相似，在淹水前期T1和T2组菖蒲叶片的MDA含量和SOD活性均缓慢增加，说明菖蒲受到淹水胁迫后缺氧，导致其体内活性氧大量积累，进而引发膜脂过氧化作用并启动抗氧化酶保护系统来增强自身的抗性。随着淹水时间的延长，T1组MDA含量、SOD活性均呈下降趋势至淹水28 d与T0组相近，说明菖蒲清除活性氧自由基能力增强，对半淹环境有所适应，有研究也证实菖蒲具有一定的抗淹水能力［11］。朱启红等［24］研究也得出，石菖蒲能够适应21 d的半淹环境。而T2组MDA含量一直呈上升趋势，说明菖蒲膜脂过氧化程度进一步加剧，受伤害程度不断加大。淹水后期，T1和T2组的MDA含量均不断上升，SOD活性表现为T1组上升后下降，T2组呈下降趋势，这表明淹水后期菖蒲体内膜脂过氧化程度的加剧可能使SOD活性超出其清除活性氧的生理耐受性范围，SOD活性受到抑制。詹嘉红等［25］研究没顶淹水处理对铺地黍(Panicum repens)几种保护酶活性的影响也发现，淹水后期(3～5周)由于淹水胁迫超过了植物的耐受能力，酶活性反而下降。也有研究菖蒲对亚硝酸盐胁迫的耐受性及生理响应发现，随胁迫程度加深，SOD活性受到过量活性氧的抑制，从而破坏菖蒲各种功能膜和酶系统［26］。

叶片的叶绿素荧光与光合作用密切相关，任何逆境对光合作用各过程产生的影响都可通过体内叶绿素荧光诱导动力学变化反映出来［27］。叶绿素荧光参数中，Fv/Fm反映了在最适条件下经过暗适应后的PSⅡ的最大量子产量，其值越大代表植物光能转化效率越高，并且一般高等植物的Fv/Fm值在0.70～0.85 之间，多数为 0.83［28］。在该研究中，全淹组在淹水28 d时Fv/Fm值就已降至0.70以下，而半淹组则到淹水42 d时Fv/Fm值才降至0.70以下，说明全淹组菖蒲叶片受到的胁迫更严重。柏祥等［18］研究发现黄菖蒲(Iris pseudacorus)和美人蕉(Canna indica)的Fv/Fm值均随着水深的增加而降低，说明水深的增加加重了植物所受的胁迫程度。该研究结果也与之类似，菖蒲的Fv/Fm值随着淹水深度的增加而减小，表明水深的增加导致菖蒲光能转化效率降低，进而影响其正常光合作用。这可能与随着水深增加，水下的光照强度下降导致植物光合作用能力下降有关。此外，有研究也认为光合速率的下降也可以归因于淹水导致挺水植物气孔阻力加大或关闭，从而限制二氧化碳进入叶片［29］。长期淹水不仅限制植物体内部氧气的运输，而且也会限制光资源的获取［30］。随着淹水时间的延长，T1和T2组菖蒲的Fv/Fm值均呈下降趋势，而其中T1组在淹水28 d时Fv/Fm值与T0组差异不显著，表明淹水28 d时T1组菖蒲受到淹水胁迫影响较小，进一步证实菖蒲能够适应短期的半淹环境。值得注意的是，快速光响应曲线也表现出了与Fv/Fm值相同的变化规律。

淹水初期，菖蒲生理特性上MDA含量和SOD活性均缓慢增加，表明菖蒲受到淹水胁迫后表现出一定的抗逆性。随淹水时间的延长，T1、T2组菖蒲有氧代谢、光合作用、体内二氧化碳固定均不同程度受阻，导致其体内活性氧增生，表现为MDA含量积累明显，SOD酶活性升高，光能转化效率降低。短期T1组菖蒲自身保护系统清除活性氧能力强于活性氧的产生，细胞膜伤害减轻，光合作用有所恢复，然而更长时间的淹水或淹水过深均会破坏活性氧代谢系统的平衡，活性氧不断增加，甚至导致植物质膜受损，对抗氧化酶系统形成一定的伤害。

3.2 淹水胁迫对菖蒲根际细菌群落特征的影响

根际是植物与土壤环境进行能量和物质交换的重要界面，也是大部分土壤微生物的生存场所［31-32］。有研究认为长时间淹水会降低土壤细菌的丰富度［33］及细菌数量［34］。但也有对淹水和非淹水芦苇湿地表层土壤微生物多样性的研究发现淹水能增加芦苇湿地土壤细菌的多样性［35］。郭太忠等［8］研究也发现淹水后玉米根际土壤微生物发生变化，细菌数量增加。该研究得出的结论与后者结论相似，淹水结束菖蒲根际细菌群落多样性和丰富度均有所增加且拥有较多特有的细菌种类。影响根际微生物群落结构多样性的主要因素包括植物根际分泌物、营养水平和温度等［36］。一方面夏季滆湖湖泊富营养化，水中营养物含量较高，藻类细菌生长旺盛，浅表层易受波浪扰动和雨水冲刷的影响，淹水之后所处水位增加，植物根际环境给藻类和细菌提供了一个稳定的附着环境。另一方面，有研究表明在逆境胁迫条件下，植物根系分泌物数量一般都明显增多［37］，而植物根系分泌物是刺激根际微生物繁殖的重要能源和养分源［38］。这2个方面可能是导致淹水结束菖蒲根际细菌群落多样性和丰富度增加的原因。

相同植物秋、冬季根际土壤中细菌群落结构相似度较高［39］，同一植物不同深度根际细菌群落结构相似度也较高［40］。张琼琼等［41］对比研究3种不同水位深度的水生植物根际细菌群落多样性，得出随水位深度增加，植物生态幅逐渐变窄，根际细菌群落多样性逐渐减少的结论。也有研究表明，淹水深度对土壤细菌群落组成无显著影响［33］。该研究发现不同淹水深度菖蒲根际细菌群落结构相似度较高，这可能是淹水条件下饱和的水环境导致其理化环境变化规律一致，对微生物的影响无明显差异。

挺水植物芦苇、香蒲(Typha orientalis)、水葱(Scirpus validus)根际细菌的主要优势门类是变形菌门、厚壁菌门、绿弯菌门、拟杆菌门、酸杆菌门，其中变形菌门是绝对优势种［42］，该研究与其结果一致。变形菌门广泛分布于浅水湖泊、底泥沉积物以及植物根际土壤中且数量丰富，具有较好的脱氮除磷作用［39］。清水态湖泊以拟杆菌门居多［43］，且厚壁菌门菌群丰度与富营养化指数呈显著正相关［44］，这与滆湖大洪港实际情况相符。绿弯菌门菌群通过光合作用产生能量，主要分布于深海和湖泊有机物丰富的沉积物中［45］。酸杆菌门菌种在湿地中广泛存在，能够参与枯枝落叶分解的碳循环［46］。淹水前，T1和T2组菖蒲根际细菌在各类水平上优势种群跟淹水结束时相近，但是组成数量较高，而细菌群落多样性又较低，可能原因是淹水前优势种群繁殖占优势，增长快且数量集中。淹水结束时蓝藻门和厚壁菌门丰度上升，变形菌门丰度下降，推测淹水胁迫会影响菖蒲根际营养环境。假单胞菌属是植物根际促生菌，但其对环境的适应能力较差［47］。淹水结束假单胞菌属丰度下降，说明长时间淹水环境对其生存与繁殖产生了威胁。菖蒲根际细菌属类水平上丰度下降的还有硫杆菌属、硫曲菌属等好氧菌群，普氏菌属等厌氧菌群丰度上升，这可能与淹水导致植物光合作用能力下降，产氧减少、形成根泌氧屏障，致使根部缺氧，植物根际变成低氧环境有关［48］。

3.3 淹水胁迫下菖蒲生理响应及其根际细菌群落变化之间的联系

植物与根际微生物共生，根际微生物能协调参与植物的生理功能调节，尤其是在逆境胁迫和营养吸收方面;而植物不同的生长状况和代谢活动使其根际分泌物、输氧能力也不同，这些均影响根际微生物的生长繁殖［49］。淹水结束，菖蒲根际营养较高(体现在蓝藻门、厚壁菌门等与富营养化指数呈正相关的菌门丰度上升，具有脱氮除磷作用的变形菌门丰度下降)，使菖蒲可获得营养增加，诱导其对淹水胁迫产生抗性。而假单胞菌属(能促进植物磷、铁元素吸收)、硫杆菌属(能促进植物硫元素吸收)等丰度的下降，表明逆境胁迫会导致植物根际促生菌下降，从而间接影响植物的生长生理状况。而菖蒲长时间处于淹水胁迫环境中，其活性氧代谢系统失衡、光合作用能力下降，植物光合作用产生的氧通过茎、叶输送到根部的较少，且会形成根泌氧屏障，使得植物根际变成低氧环境，表现为根际好氧菌群丰度的下降，厌氧菌群丰度的上升。植物根系处于逆境胁迫，植物为适应环境胁迫会通过自身调节，如产生植物根系分泌物，主要是氨基酸和有机酸等酸类、糖类、酚类、烷烃类等有机化合物［50-51］，分泌物数量在逆境胁迫条件下一般会明显增多［37］，也有研究得出随着逆境胁迫程度的加深，芦苇根系分泌物组分和含量呈现先增加后下降的规律［52］。而植物根际微生物的种类、数量和空间分布受根系分泌物影响，已有研究发现根际细菌偏好消耗植物根系分泌物中的芳香有机酸(烟碱、莽草酸、水杨酸、肉桂酸和吲哚-3-乙酸)［53］。

4 结论

(1)菖蒲能够适应28 d半淹环境，但半淹水35 d或全淹水21 d以上均会加剧菖蒲叶片的膜脂过氧化程度，破坏其体内活性氧产生与清除系统之间的动态平衡，甚至对抗氧化酶系统形成一定的伤害。在叶绿素荧光参数方面，菖蒲的最大最子产量(Fv/Fm值)随着淹水深度的增加而下降，且随着淹水时间的延长，T1和T2组菖蒲的Fv/Fm值均呈下降趋势。快速光响应曲线也表现出了与Fv/Fm值相同的变化规律。

(2)对比淹水前(0 d)和淹水结束(42 d)菖蒲根际细菌群落组成发现，在门、纲、目、科、属类水平上优势种群相近，但是组成数量不同。淹水结束时，在门类水平上，蓝藻门和厚壁菌门丰度上升，变形菌门丰度下降;在属类水平上，假单胞菌属、硫杆菌属、硫曲菌属等好氧菌群丰度下降，普氏菌属等厌氧菌群丰度上升，这与淹水易造成植物根际低氧环境有关。多样性和丰富度结果表明，淹水结束菖蒲根际细菌群落多样性和丰富度均有所增加且拥有较多特有的细菌种类。相似性与差异性分析结果表明，淹水结束菖蒲根际细菌群落结构发生改变，表现为与淹水前相似度较低，但不同淹水深度之间相似度较高。

(3)从淹水期间菖蒲的生理特性变化来看，菖蒲对湖泊持续高水位野外环境有一定的适应能力，但淹水深度40 cm淹水时间不宜超过35 d，80 cm时不宜超过21 d，此可为水位波动下湖滨带湿地挺水植物的恢复提供参考。