澳洲茶树对淹水胁迫的生长和生理响应

刘正兴，肖玉菲，莫云善，陈博雯，覃子海，张 烨，张晓宁，覃玉凤，刘海龙

（1.广西国有钦廉林场，广西钦州 535000；2.广西壮族自治区林业科学研究院国家林业和草原局中南速生材繁育实验室 广西优良用材林资源培育重点实验室，广西南宁 530002）

近年来，随着全球气候变暖，淹涝灾害频有发生，我国也是自然灾害频发的国家，淹涝是主要的自然灾害之一，已成为植物遭受的主要逆境之一[1]。适宜的水分是植物生长的必需条件，淹水会导致土壤水分含量过多，影响土壤的物理化学特性[2]，使植物根部受淹，造成缺氧，地上部分生长受到抑制，叶片发黄萎蔫[3]，进而影响植物自身的生理代谢，对其生长造成巨大影响[4]。植物可通过改变生理特性等方式适应淹水胁迫，不同植物在淹水胁迫条件下的生理响应有所不同。研究表明，耐淹性强的植物会通过提高超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）和过氧化物酶（POD）等抗氧化酶活性清除活性氧，减轻淹水对植物的伤害[5-6]；淹水胁迫下，植物还会改变代谢状态，积累脯氨酸和可溶性糖，主动适应淹水环境，丙二醛（MDA）含量可衡量植物受逆境伤害的程度[7-8]。

澳洲茶树（Melaleuca alternifolia）为桃金娘科（Myrtaceae）白千层属植物[9]，又名互叶白千层，原产于澳大利亚，自然生长于沼泽平原，喜潮湿但排水良好的土壤[10]。澳洲茶树新鲜枝叶提取的精油为茶树油，茶树油是优良的天然芳香剂、抗菌剂和防腐剂，广泛应用于制药、日化、食品和香料等行业[11]，经济价值极高。20世纪90年代初我国开始引进澳洲茶树，并在南方多省区种植[12]，这些省区为洪涝多发地带，开展澳洲茶树抗涝性研究十分必要。此前，有关澳洲茶树淹水胁迫的报道较少，主要研究了淹水胁迫下内源激素[13]和幼苗气体交换及叶绿素荧光的情况[14]，关于保护酶和代谢产物方面的研究尚未见报道。本研究通过模拟淹水胁迫条件，对淹水胁迫下澳洲茶树的生长情况、保护酶活性和代谢产物含量进行研究，以进一步了解其在淹水胁迫下的生理响应机制，深入了解澳洲茶树的耐涝性，为其在低洼湿润区域推广种植提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

材料为广西壮族自治区林业科学研究院生物技术研究所培育的1年生4-松油醇型澳洲茶树组培苗，栽植于40 cm×30 cm的育苗袋内，基质为红壤土，土壤中有机质、全氮、全磷和全钾的平均含量分别为11.3、0.14、0.16和6.43 g/kg。

1.2 试验设计

试验地位于广西林科院生物所苗圃（108°35′E，22°92′N），苗圃上方有遮雨棚，日温27.0～37.5 ℃，夜温22.5～26.0℃，平均相对湿度55%。2017年8月选择生长健康、长势一致的20株澳洲茶树苗，通过双套盆法[15]进行盆栽淹水试验，将育苗袋置于注满水的塑料桶内，水位在土壤表面高度5 cm左右，每天检查补充水分，保持水位。其他按照常规育苗方式管理，参照刘海龙等[16]筛选的最佳施肥配方进行施肥。胁迫当天记为0 d，连续胁迫60 d。

1.3 测定与观察方法

1.3.1 生长指标测定

处理开始至试验结束，用卷尺（精确到0.1 cm）和游标卡尺（精确到0.01 mm）每10 d分别测定20株苗木的苗高（土壤表面至苗木顶稍的距离）与地径（土壤表面以上5 cm处的直径）1次，同时观察苗木叶片状态（是否变黄或萎蔫）及根系情况（是否腐烂），60 d统计成活率。

1.3.2 生理指标测定

淹水处理后每2 d采集1次叶片，每次取样重复3次，样品采集后立即采用干冰速冻，放入超低温冰箱中备用，用于各项生理指标测定。POD活性、SOD活性、CAT活性、硝酸还原酶（NR）活性和谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-PX）活性的测定采用酶联免疫吸附法，试剂盒来自南京森贝伽生物科技有限公司；脯氨酸含量的测定采用茚三酮显色法[17]；MDA含量和可溶性糖含量的测定参考孔祥生等[18]的方法。

1.4 数据处理与分析

采用Excel 2007计算数据的平均值，然后对平均值进行常规统计和作图，并采用SPSS 19.0进行方差分析和多重比较（邓肯氏新复极差法）。苗高和地径生长量为胁迫处理相应时间的苗高、地径减去胁迫0 d的苗高、地径所得值。

2 结果与分析

2.1 淹水胁迫对澳洲茶树生长的影响

淹水胁迫60 d内，叶片未出现萎蔫变黄和脱落等现象，14 d有新芽萌出，根部未腐烂，苗木成活率为100%。不同淹水时间对苗高和地径生长的影响差异显著（P＜0.05）（图1）。苗高在20 d后增长逐渐变缓，30 d增长19.21 cm，60 d增长24.85 cm（图1a）；地径在40 d后增长趋于平缓，30 d增长0.75 mm，60 d增长0.92 mm（图1b）。常规育苗时，澳洲茶树的苗高和地径30 d可分别增长20～25 cm和1.5～6.1 mm[16]，均显著高于本研究，说明淹水胁迫虽未造成其死亡，但随着淹水时间的增加，淹水对苗高和地径的生长产生了抑制。

图1 不同淹水胁迫时间对澳洲茶树生长的影响Fig.1 Effects of different flooding stress time on growths of M.alternifolia

2.2 淹水胁迫对澳洲茶树保护酶活性的影响

POD活性随淹水时间的增加呈上升趋势，胁迫0 d时为0.003 U/g，胁迫60 d时为0.069 U/g；前6 d上升幅度较大，前24 d波动幅度较大，之后呈逐步上升趋势，48 d后上升趋势逐渐变缓，说明澳洲茶树受到淹水胁迫后迅速启动POD进行保护，通过不断调整POD的活性消除自由基带来的伤害（图2a）。

SOD活性前10 d呈波动升高，之后整体呈波动下降的趋势，胁迫0 d时为1 826.98 U/g，胁迫60 d时降低为1 234.540 U/g，说明前10 d，SOD通过提高活性来保护植物，但随着淹水时间的增加逐渐失去了对植物的保护作用（图2b）。

CAT活性及NR活性的整体变化趋势类似，均表现出前32 d波动幅度较大，发挥了一定调节作用，之后逐渐趋于平缓，维持较低的水平（图2c～d）。CAT活性前16 d较高，16～30 d较低，22 d时仅为0.104 U/g，说明CAT主要在前16 d发挥作用；NR活性在18～30 d较高，20 d时为0.360 U/g，活性最高，32 d后几乎和胁迫0 d时相当，说明NR主要发挥作用的时间为18～30 d。

GSH-PX活性呈先升高后降低的趋势，前38 d波动幅度较大，活性较高，之后呈逐步降低的趋势；胁迫0 d时为109.585 U/g，6 d时达到峰值（1 128.180 U/g），60 d时降低为476.790 U/g，但仍显著高于胁迫0 d时的活性（P＜0.05），说明GSH-PX在前38 d发挥明显作用，之后作用变小（图2e）。

2.3 淹水胁迫对澳洲茶树代谢产物的影响

不同淹水时期代谢产物变化差异显著（P＜0.05）（图3）。MDA是膜脂过氧化产物之一，对细胞有很强的毒性，并且参与破坏生物膜的结构和功能，植物体内MDA的产生与积累是植物胁迫的主要生理响应特征之一。澳洲茶树淹水胁迫60 d内MDA含量呈连续M型变化，4个峰值分别出现在16、22、30和40 d，胁迫60 d时MDA含量与胁迫前6 d的含量差异不显著，说明淹水对澳洲茶树产生了一定的胁迫，但通过自身保护酶等调节机制的作用，叶片并未积累太多MDA，对叶片膜脂伤害不大（图3a）。

图3 不同淹水胁迫时间对澳洲茶树代谢产物的影响Fig.3 Effects of different flooding stress time on metabolites in M.alternifolia

脯氨酸是有效的渗透调节物质之一，澳洲茶树脯氨酸含量在淹水前14 d变化不显著，16 d时显著增加，由胁迫0 d的10.473 μg/g增加到51.835 μg/g，16～44 d呈小幅波动，之后趋于平稳（48 μg/g左右），说明淹水胁迫前14 d并未形成较严重的胁迫，不需要脯氨酸进行渗透调节，16 d后启动脯氨酸调节细胞渗透势，使澳洲茶树逐渐适应淹水环境（图3b）。

耐涝性较强的植物为了适应逆境，会主动积累可溶性糖维持细胞膨压，保持稳定和充足的碳水化合物供应。澳洲茶树可溶性糖含量前34 d波动较大，之后呈显著降低的趋势（P＜0.05），胁迫60 d时的含量显著低于胁迫0 d时的含量，说明淹水胁迫前34 d可溶性糖对于缓解淹水胁迫对苗木造成的伤害具有重要意义，之后可溶性糖逐渐被消耗，可能是植物生长受到抑制的重要原因（图3c）。

3 结论与讨论

淹水胁迫会使新叶形成受阻，诱导老叶变黄衰老甚至脱落，抑制苗木生长，甚至导致其死亡，存活率是评价植物耐涝性的重要指标之一，长期淹水胁迫下，耐涝性强的植物存活率明显高于耐涝性弱的植物[19-20]。澳洲茶树在淹水60 d内，未出现叶片萎蔫发黄及脱落现象，仍有新芽萌出，存活率为100%，说明其具有较强的耐涝性，这与陈博雯等[13]的研究结果一致。本研究中，澳洲茶树在淹水胁迫下苗高和地径生长均受到抑制，而刘瑞仙等[14]研究发现浅淹组（水位高出土壤5 cm）在淹水90 d内株高受到的影响较小，与对照没有差异，可能是因为试验材料有差别，大小不同的苗木耐涝程度可能存在差异，可在后续试验中开展澳洲茶树不同生长期淹水胁迫试验，为科学管理苗木和合理用水提供依据。

淹水胁迫会造成根部缺氧，导致植物氧代谢失调，致使活性氧积累而引起细胞损伤[1]。淹水条件下，植物会启动一系列保护酶调整和降低活性氧含量[21]，同时改变代谢状态适应淹水环境。本研究中不同的淹水时期，5种保护酶活性变化不同，其中POD活性呈现前期波动、后期显著增加的趋势，可见POD是澳洲茶树淹水胁迫的重要响应酶，随着淹水时间增加，主要启动POD来提高其耐涝适应性，其他4种保护酶活性分别在淹水的不同时期达到峰值后逐渐下降，可能是与POD协调配合清除活性氧，分别在不同时期发挥作用。不同淹水时期代谢产物含量变化差异显著，其中MDA和可溶性糖含量在波动后逐渐下降，脯氨酸含量显著增加，可能是脯氨酸能通过渗透调节保持细胞结构完整，降低MDA含量，脯氨酸含量的急剧上升是植物适应淹水胁迫的表现[22]。除了保护酶和代谢状态的调节外，植物还会通过改变植株形态、形成通气组织和产生不定根等来适应淹水环境，维持正常生长[23]，后续可开展淹水胁迫下澳洲茶树营养器官解剖结构的研究，进一步分析其耐涝的结构性特征，为其推广提供更加科学的理论依据。

澳洲茶树具有较强的耐涝性，在淹水胁迫下能生长；应对淹水逆境时，不同淹水时间发挥作用的保护酶不同，POD为主要的保护响应酶，SOD、CAT、NR和GSH-PX与其协调作用清除活性氧，减少活性氧对细胞膜的伤害；脯氨酸和可溶性糖进行渗透调节，使MDA含量在波动后回归正常值，但苗木的生长速度受到一定程度的抑制，为保证生长，淹水时应及时排水。