2017, Vol. 25
2. 中国科学院华南植物园, 中国科学院退化生态系统植被恢复与管理重点实验室, 广东省应用植物学重点实验室, 广州 510650;
3. 中国科学院大学, 北京 100049;
4. 河南大学, 河南 开封 475004
2. Key Laboratory of Vegetation Restoration and Management of Degraded Ecosystems, Guangdong Provincial Key Laboratory of Applied Botany, South China Botanical Garden, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510650, China;
3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
4. Henan University, Kaifeng 475004, Henan, China
中国热带珊瑚岛(礁)多由珊瑚沙堆积形成，缺少真正的土壤及肥力，且具有高盐、强碱、高温和强光等极端环境特点，植物极难生长、定居，无法形成宜居的生态环境。植被是海岛三个基本组成要素之一，具有供给、调节、文化和支持服务等生态系统服务功能，是人类和其它动物赖以生存的基础, 可以为物种保育提供基础，也是海岛宜居和可持续发展的基础。海岛植被在自然和人为因素干扰下极易退化，退化后其生物、土壤和水分条件很难支撑重建或恢复，因此，进行珊瑚岛的植被构建具有必要性和急迫性[1-3]。由于珊瑚岛(礁)特殊的恶劣生境, 只有少数能耐盐碱、干旱、贫瘠等极端环境特点的热带海滨植物才能在珊瑚岛存活生长。研究这些植物对原生境条件和极端环境的响应规律和适应机制, 有助于深入理解热带珊瑚岛植物定居的限制机制, 可为热带珊瑚岛植被重建的工具种筛选、种植、养护及应用等技术提供重要的参考和理论基础。
环境胁迫会直接或间接引起植物的一系列代谢功能的变化，这些变化可以作为鉴定植物抗逆性的重要指标[4]。植物自身存在的抗氧化系统，可以在逆境条件下保护植物的膜系统，清除植物体内多余的自由基[5]。抗氧化系统是由许多酶和还原性物质组成，其中超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和过氧化物酶(POD)是主要的抗氧化酶。张永峰等[5]指出SOD在植物抵抗干旱和盐害的过程中, 主要功能是清除氧离子，以防止和中断膜脂过氧化，对细胞膜系统损伤起保护作用。CAT是催化H2O2分解成氧和水的酶，存在于细胞的过氧化物体内，其功能是催化细胞内过氧化氢的分解防止过氧化，以维持植物体内的H2O2处在低浓度水平。POD在植物体内广泛存在，是活性较高的一种酶。它与呼吸作用、光合作用及生长素的氧化等都有关系, 同时也是催化H2O2降解的一种重要的防御酶。脯氨酸(Pro)是植物蛋白质的主要组成部分，当植物受到干旱胁迫和盐胁迫时，Pro可作为渗透剂参与植物的渗透调节作用，增强植物对渗透胁迫的耐性, 因此干旱胁迫和盐胁迫会导致植物体内Pro含量的积累增加[4, 6]。丙二醛(MDA)是细胞膜质过氧化最终分解的产物，其含量可以反映植物遭受高盐、干旱等胁迫伤害的程度，是膜系统受伤害的重要指标之一[7]。MDA的产生会加剧膜的损伤，因此，MDA产生数量的多少能够代表膜脂过氧化的程度，也可间接反映植物组织的抗氧化能力的强弱。植物叶片中MDA含量越高，说明细胞膜脂过氧化作用越强，该物种的抗逆性可能就越弱。目前对热带珊瑚岛适生植物的生理生态学特征研究还较少。李捷等综合了热带珊瑚岛的苗木生长、存活及光合等数据，分析推荐了草海桐(Scaevola sericea)、红厚壳(Calophyllum inophyllum)、海刀豆(Canavalia maritima)和榄仁树(Terminalia catappa)等物种可用于珊瑚岛的植被重建[1]，但仍需要更多的物种来增加热带珊瑚岛的生物多样性，构建稳定的植物群落。本研究基于前期对西沙群岛植物调查和热带珊瑚岛礁植被构建试验与示范结果，选取狗牙根(Cynodon dactylon)、大叶相思(Casuarina equisetifolia)和木麻黄(Casuarina equisetifolia)等3种适宜热带珊瑚岛生长的植物，以海南省文昌市苗木基地为对照，测定两种环境下植物的生理生化指标，分析两种环境下3种植物抗氧化系统的适应途径和策略，以期为对热带珊瑚岛植被重建提供理论支持。
1 材料和方法 1.1 研究地概况本研究的热带珊瑚岛位于海南省，属热带季风海洋性气候；光照强烈，年平均气温约28℃，年平均降水量约2800 mm，但降水分配不均，雨季旱季明显，雨季占80%以上的降水，旱季降水较少，且时间长达4~5个月；海拔约5 m，现有土壤基质为珊瑚沙，缺少真正的土壤结构(直径大于0.5 mm的粗颗粒约占80%，稳定性和保水保肥性差)，缺养分；盐碱度高，含水量极低；加上当地高温(极端高温达56℃或以上)、强光、多台风和雨旱交替明显等气候环境条件，植物极难存活或定居。珊瑚岛上移植的苗木来自苗木基地，位于海南省文昌市郊区，东经110°45′，北纬19°31′，属热带季风海洋性气候；年降水量约1800 mm，年平均气温约24℃；基地地势低平，平原阶地，海拔约10 m，土壤类型为滨海沉积物沙壤土。
1.2 材料狗牙根(Cynodon dactylon)是禾本科(Poaceae)草本地被植物，生长于全球温暖潮湿和温暖半干旱地区，极耐热和抗旱，近年来在其抗盐机制研究上取得了一些成果[8]。大叶相思(Casuarina equisetifolia)是豆科(Leguminosae)乔木，我国自引种以来，已在全国大面积种植，在荒山绿化、薪炭林经营、水土保持及公路建设中发挥了重要作用，在其栽培、抚育管理、遗传改良、种源选择方面都已进行了大量的研究[9]。木麻黄(Casuarina equisetifolia)是木麻黄科(Casuariaceae)乔木，是重要的防护林、用材林和多用途林树种，其对防台风和海啸危害，防海浪侵蚀、固沙，对海岸带生态系统的恢复, 对贫瘠的沿海沙地和严重退化的南方山区丘陵地区的土壤改良等均有重要作用[10]。选择这3种植物作为热带珊瑚岛的植被重建工具种是因为他们具有一定的生态适应性，这些苗木于2015年前种植于海南省文昌市苗木基地，于2015年5月移植到珊瑚岛。
1.3 方法健康植株于2015年5月运输到珊瑚岛后，在3 d内完成种植。在修整去除大石块等杂物的平地种植，并在种植穴中施入客土以及基肥，回填客土, 浇水定根。其中狗牙根移植200 m2，大叶相思和木麻黄各移植20株。
植物性状测定于2016年5月全部完成，取样时，文昌的植物长势良好，珊瑚岛的植物长势一般。叶片采集于傍晚时分(19:00左右)，排除幼叶及残缺叶，选择叶片完全展开、长势良好的成熟叶片，每种植物选择5株苗木，每株苗木选择3~5片叶片，保证样品鲜重在50 g左右。采集后样品马上装入带有湿水滤纸的密封袋中，密封袋置于装有冰砖的密封盒里，迅速带回实验室进行测定，每个指标测定3~5个重复。
超氧化物歧化酶(SOD)活性 采用氮蓝四唑法[11]测定，以抑制NBT光化学还原的50%为1个酶还原单位，用U g-1 FW表示。
过氧化氢酶(CAT)活性 采用紫外吸收法[12]测定，以1 min内A240降低0.10为1个酶活性单位，用U g-1 FW表示。
过氧化物酶(POD)活性 采用愈创木酚显色法[12]测定，以1 min内470 nm下的光密度(D470 nm)变化0.10为1个酶活性单位，用U g-1 FW表示。
叶片游离脯氨酸(Pro)含量的测定 采用磺基水杨酸提取，酸性茚三酮染色法[13]测定。
丙二醛(MDA)含量的测定 采用硫代巴比妥酸法[13]测定。
1.4 数据统计和分析采用Excel 2013及Origin 8.5进行简单数据整理及作图，结合IBM SPSS 20.0对不同生境同种苗木的性状进行独立样本t检验。
2 结果和分析 2.1 抗氧化酶活性从图 1可见，在两种环境下，3种植物叶片的SOD、CAT和POD活性均出现显著变化，热带珊瑚岛植物的酶活性显著提高(P＜0.05)，大叶相思的3种酶活性均提高了1.5~2倍；狗牙根的CAT活性提高了2.5倍；木麻黄的POD活性提高最多，接近9倍，但在苗木基地木麻黄的POD活性极低，而大叶相思和狗牙根的POD活性是其800~1000倍。
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图 1 两地植物的SOD、CAT和POD活性比较。**: P＜0.01; *: P＜0.05; n=6. Fig. 1 Comparison of SOD, CAT and POD activities in leaves of three species in two sites. **: P < 0.01; *: P < 0.05; n=6. |
珊瑚岛上3种植物的Pro含量与文昌的都有极显著差异(P＜0.01)，表现为Pro含量显著增加(图 2: A)，狗牙根增加了7.5倍，大叶相思增加了3倍, 木麻黄增加的最少，仅1.6倍。文昌和珊瑚岛的植物叶片MDA含量也不同(图 2: B)，珊瑚岛的大叶相思和狗牙根的MDA含量均极显著上升(P＜0.01), 均上升了1倍左右，而木麻黄的MDA含量没有显著差异，在珊瑚岛的还略微下降。
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图 2 两地植物的Pro和MDA含量比较。**: P＜0.01; *: P＜0.05; n=6. Fig. 2 Comparison of Pro and MDA contents in leaves of three species in two sites. **: P < 0.01; *: P < 0.05; n=6. |
从表 1可以看出，种植在文昌和珊瑚岛的狗牙根盖度均为100%。而从株高和胸径上可以看出, 虽珊瑚岛的大叶相思和木麻黄长势稍差于文昌苗圃, 但差异并不显著，处于同一水平。
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表 1 珊瑚岛和文昌苗圃植物生长情况对比 Table 1 Growth status of plants in coral islands and Seedling Base in Wenchang |
SOD、CAT和POD是植物体内抗氧化还原系统中最主要的酶，SOD催化氧离子形成H2O2，再由CAT和POD将H2O2转化分解[14]。本研究中珊瑚岛上3种植物的SOD活性都明显增强，表明植物在遭受逆境胁迫时，产生的氧自由基增多，为了抵抗逆境的伤害，SOD活性增加，以便清除氧自由基，减少膜脂过氧化[2]。
CAT是催化H2O2分解成氧和水的酶，可防止细胞过氧化。本研究中珊瑚岛上3种植物的CAT活性都有升高或显著升高，说明其在发挥抗氧化酶的功能，表明抗氧化系统能增强植物清除活性氧的能力，保证了膜结构的完整和功能[15]。植物体内对H2O2的清除不单是CAT这一种酶的作用[16], POD与呼吸作用、光合作用及生长素的氧化等都有关系，同时也是催化H2O2降解的一种重要的防御酶。本研究中珊瑚岛上3种植物的POD活性都显著升高，体现了植物对逆境的适应能力，可以缓解干旱和盐碱环境对植物造成的不利影响。王振镒等[17]对玉米(Zea mays)和克热木·伊力等[18]对阿月浑子(Pistacia vera)的研究表明，较抗逆境的植物品种在重度胁迫下表现为POD活性上升。木麻黄的POD活性虽然也明显增强，但是其整体活性极低，远远低于其他2种植物，说明POD并不是木麻黄体内的主要抗氧化酶，它可能是通过SOD和CAT来调节体内的抗氧化系统的。
3.2 两地植物叶片脯氨酸(Pro)和丙二醛(MDA)含量的差异大量研究表明，当植物受到干旱胁迫和盐胁迫时会导致植物体内脯氨酸(Pro)的含量积累增加。移植到珊瑚岛上的3种植物均表现Pro含量增加, 这与前人的研究结果相同，在一定范围内, 植物受到的干旱胁迫或盐胁迫强度越大，Pro积累越明显[19-20]，此时Pro可作为调节剂参与植物的渗透调节作用[17]。
丙二醛(MDA)含量越高，说明细胞膜脂过氧化作用越强，植物的抗逆性就越弱。本研究结果表明，在珊瑚岛上的木麻黄MDA含量没有显著变化，略微降低，表明其对珊瑚岛的逆境条件比较适应，干旱及其他逆境胁迫并没有损伤到植物细胞膜，这极有可能是植株体内抗氧化酶活性升高清除了氧自由基的直接结果[21]。
在大叶相思和狗牙根中，其MDA含量显著上升，虽然其抗氧化酶系统的功能也是整体增加了, 这可能是其调节能力有限，因此体内还是积累了一些氧自由基没有被抗氧化酶系统清除，进而引起膜过氧化并最终导致了MDA含量的增加[2]。丁玉梅等[22]对耐旱性马铃薯(Solanum tuberosum)的研究表明，植株中MDA含量增高，推测可能是植株中的膜脂过氧化作用加剧，在水分胁迫下植株中与清除细胞膜脂过氧化作用产物的相关生理生化代谢也随之被激活，但主要的机理还需要更加深入的了解其抗氧化的理化代谢途径。
3.3 两地植物生长情况珊瑚岛上植物在种植初期，都在种植穴中施入客土以及基肥，保证了植物幼苗初期的生长，也为植物后期生长提供了部分肥力。这点尤其体现在狗牙根上，缓释肥料对狗牙根的效果持久[23]，加上草本需要肥料较少，所以在生长后期受到基肥的影响仍比较大，长势也更好，覆盖度达到100%，和文昌一样的覆盖水平。而大叶相思和木麻黄则需要较多肥力，基肥供应不如狗牙根充足，后期长势虽不如狗牙根但是也在健康水平。
珊瑚岛礁的胁迫环境(高温、强光、干旱和盐碱)对植物的生存和生长具有重要影响，因此，在进行海岛植被重建过程中，选择潜在适生植物应考虑植物对这些逆境的适应能力。本研究表明，狗牙根、大叶相思和木麻黄不仅能通过增强整体的抗氧化酶系统来适应珊瑚岛的环境，并且还可以通过脯氨酸含量的升高以提高对渗透胁迫的耐受性。从植物生长情况上来看，狗牙根在珊瑚岛上的生长更具有优越性，大叶相思和木麻黄次之。本研究提供了岛礁植物生长的生理生化基础数据，对热带珊瑚岛的植被重建和恢复具有重要参考价值。
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