不同钙环境下植物几种抗逆境指标的对比研究

不同钙环境下植物几种抗逆境指标的对比研究
黄芬;朱敏洁;卢茜;曹建华
【摘要】本文选取贵州茂兰自然保护区中只生长在岩溶区石灰土上的嗜钙植物6种、只生长在非岩溶区红黄壤上的嫌钙植物7种,以及2种土壤上都能生长良好的中间型植物7种,分析其根际土钙全量及植物叶片3种抗逆性指标,结果显示:(1)嗜钙植物根际土钙全量、叶片脯氨酸(Pro)含量、过氧化物酶(POD)和超氧化物歧化酶(SOD)活性的变化分别为w(Ca)=32.44～43.98 g/kg、w(Pro) =97.53～183.62 μg/g、6.21～38.43μKat及1.47～2.48 μKat,略高于中间型植物,高出嫌钙植物1～2个数量级;(2)大部分嗜钙植物通过提高Pro含量及SOD、POD活性等保护性物质稳定膜的透性,将高浓度的钙阻隔在原生质外；而中间型植物主要通过控制根系吸收或地下部分向地上部分的运移来减少植物体内的钙.%6 different calciphiles only grew on limestone soil in the karst area, 7 different calcifuges only grew on red-yellow soil in the non-karst area and 7 different intermediacies grew on both two kinds of soil were collected in Maolan,Guizhou. The total calcium contents of rhizosphere soil,several stress resistance indexes in the plant leaves were analyzed. The results showed that: (1) The total calcium contents of calciphiles rhizosphere soil,contents of Pro,POD and SOD activities were 32. 44-43. 98 g/kg, 97. 53-183. 62 μg/g、6. 21-8. 43 μKat and 1. 47-2. 48 μKat respectively,which were slightly higher than that of intermediacies and either one or two orders of magnitude higher than that of calcif uges; (2) most of calciphiles stabilize penetrability of cell membrane through increasing contents of Pro,POD and SOD activities. So,it could retain high contents of calcium out
of cell protoplasm. Intermediacies reduced calcium contents through controlling either root absorbing or migration from subsurface to surface of calcium mostly.
【期刊名称】《广西师范大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2012(030)004
【总页数】6页(P98-103)
【关键词】抗逆境指标;高钙环境;植物叶片;贵州茂兰
【作者】黄芬;朱敏洁;卢茜;曹建华
【作者单位】中国地质科学院岩溶地质研究所国土资源部广西岩溶动力学重点实验室,广西桂林541004;联合国教科文组织国际岩溶研究中心,广西桂林541004;中国地质科学院岩溶地质研究所国土资源部广西岩溶动力学重点实验室,广西桂林541004;广西师范大学生命科学学院,广西桂林541004;中国地质科学院岩溶地质研究所国土资源部广西岩溶动力学重点实验室,广西桂林541004;联合国教科文组织国际岩溶研究中心,广西桂林541004;中国地质科学院岩溶地质研究所国土资源部广西岩溶动力学重点实验室,广西桂林541004;联合国教科文组织国际岩溶研究中心,广西桂林541004
【正文语种】中文
【中图分类】P595
石灰土多因对母岩化学性质的继承性而具富钙、富镁特征，是西南岩溶地区广泛分布的非地带性土壤，其高钙含量已成为影响该地区植物生理特征及分布情况的重要
的环境因子之一[1-3]。

侯学煜根据植物生长对土壤钙质的依赖程度，将植物划分为嗜钙植物(Calciphile)、喜钙植物(Calcicole)、嫌钙植物(Calcifuge)、亚嫌钙性植物及中间型(不择土性植物)五类[4]。

植物对土壤高钙环境的适应行为关系到植株对钙素的吸收、转运、积累等各个环节[3,5]，主要包括：①控制根系吸收[3](最直接的方式)。

例如根部外
生菌根对钙的吸收[6]，根内皮层细胞壁上木栓化的凯氏带可阻止Ca2+的质外体
运输[7]。

②控制钙素由地下部分向地上部分的运移。

例如通过根系的固定能力或
是形成钙化根等方式将过量的钙结合在根中[8]。

③植物自身细胞质膜控制对钙的
吸收。

例如通过提高脯氨酸等渗透调节物质降低膜透性，或通过胞质Ca2+外流和内流系统，将过量的Ca2+运出细胞质外或储存于液泡等钙库中[9-10]。

④形成特定的排钙、储钙结构。

例如形成草酸钙晶体的含晶细胞和泌钙腺体[11-12]。

本文选取贵州茂兰自然保护区中只生长在岩溶区石灰土上的嗜钙植物、只生长在非岩溶区红黄壤上的嫌钙植物，以及在2种土壤上都生长良好的中间型植物，测定
其根际土钙全量、叶片脯氨酸(Pro)含量、过氧化物酶(POD)和超氧化物歧化酶(SOD)的活性，拟通过测定膜透性调节物质探讨植物对高钙环境的适应机制，为岩溶石漠化地区植被的恢复和生态重建提供基础数据。

1 研究区概况
贵州茂兰国家级自然保护区位于贵州省荔波县黔桂交界处，贵州高原南部向广西丘陵平原过渡的斜坡地带，地处东经107°52′10″～108°05′40″，北纬25°09′20″～25°20′50″，最高海拔1 078.6 m，最低海拔430 m,平均海拔在800 m 以上；本区属中亚热带季风湿润气候，年均温15.3 °C，年均降水量1 320.5 mm，年平均蒸发量1 343.6 mm。

在保护区内选择岩溶区板寨流域、非岩溶区尧排流域作为研究区(两区相距35 km)：板寨流域的基岩主要由石炭系、二叠系石灰岩及白云岩构成，土壤为黑色、棕色石灰土，土层浅薄且分散，pH7.5～8.0，土壤中Ca、Mg
含量较高，而Si、K、P含量较低(表1)；尧排流域的基岩主要由下石炭组的石英砂岩和页岩组成，风化形成的土壤为地带性的红黄壤，土壤呈酸性反应，pH5.5～6.1[13](表1)。

表1 研究区石灰土及地带性红黄壤基本理化性质[14]
Tab.1 Basic properties of limestone soil and red-yellow soil %
土壤类型含量SiO2Fe2O3Al2O3CaOMgOK2OP2O5红黄壤40．2312．9428．040．150．461．790．09棕色石灰土45．458．3426．591．581．950．550．05
2 材料与方法
2.1 样品的采集
2009年8月，分别采集嗜钙型植物6种、嫌钙型植物7种、中间型植物7种，取其植物叶片及根际土，具体见表2。

同一棵树按东、南、西、北4个方向分别采集嫩叶、老叶各10片，其中2片混合后带回实验室30 °C杀青，80 °C烘干8 h，粉碎过孔径0.150 mm筛待测；另外8片新鲜叶保存于4 °C便携式冰箱带回实验室待测。

根际土壤样本自然晾干后，粉碎过孔径0.150 mm筛待测。

表2 不同类型植物叶片的采集Tab.2 Collection list of the different kinds of plant leaves类型物种老叶嫩叶说明嗜钙型植物伞花木Eurycorymbuscavaleriei 1 木论木兰Magnoliamulunica 贵州悬竹Ampelocalamiscalcareus 黄心夜合Micheliamartini 掌叶木Handeliodendronbodinieri 单性木兰Kmeriaseptentrionalis 岩溶区采集中间型植物枫香Liquidambarformosana 盐肤木Rhuschinensis 杨梅Myricarubra 南酸枣Choerospondiasaxillaris 黄樟Cinnamomumparthenoxylon 香椿Toonasinensis 香叶树L．comunisHemsl 除香叶树只在碳酸盐岩区采集外，其他在两地区均采集嫌钙型植物华南栲Castanopsisconcinna 灯笼木Desmoschinensis 交让木
Daphniphyllummacropodum 檫木Sassafrastzumu 拟赤杨Alniphyllumfortunei 山乌桕Sapiumdiscolor 木荷Schimasuperba 非岩溶区采集
1.√表示已采集
2.2 测定方法
植物根际土总钙测定采用硝酸-氢氟酸-高氯酸-原子吸收光谱法[15]，脯氨酸(Pro)含量的测定采用茚三酮比色法，过氧化物酶(POD)活性测定采用愈创木酚法，超氧化物歧化酶(SOD)活性测定采用NBT(氮蓝四唑)光还原法[16]。

3 结果与分析
3.1 根际土壤钙总量
图1 嗜钙、嫌钙和中间型植物根际土钙含量的对比Fig.1 Comparison of calcite content in rhizosphere soilof calciphile,intermediacy and calcifuge plant 结果见图1，受母岩的影响，根际土钙总量：嗜钙植物(32.44～43.98 g/kg)>岩溶区中间型植物(24.32～30.86 g/kg)>非岩溶区中间型植物(11.17～16.58 g/kg)>嫌钙植物(8.33～11.68 g/kg)，岩溶区为非岩溶区的2～3倍。

3.2 游离脯氨酸(Pro)含量
结果见图2，嗜钙植物Pro含量变化为97.53～183.62 μg/g，高于变化范围较大的中间型植物(6.22～173.54 μg/g)，远高于嫌钙植物(11.27～18.40 μg/g)。

3种类型均表现为老叶Pro含量高于嫩叶的。

中间型植物在岩溶区与非岩溶区相差不大。

3.3 过氧化物酶(POD)活性
结果见图3，嗜钙植物POD活性变化为6.21～38.43 μKat，高于变化范围较大的中间型植物(0.027～20.08 μKat)，比嫌钙植物(0.027～1.24 μKat)的高出2个数量级。

老叶均低于嫩叶。

中间型植物均表现为岩溶区大于非岩溶区。

图2 嗜钙、嫌钙和中间型植物叶片脯氨酸含量的对比Fig.2 Comparison of Pro content in leaves of calciphile,intermediacy and calcifuge plant
图3 嗜钙、嫌钙和中间型植物叶片POD活性的对比Fig.3 Comparison of POD activity in leaves of calciphile,intermediacy and calcifuge plant
3.4 超氧化物歧化酶(SOD)活性
由图4可知，嗜钙植物SOD活性变化为1.47～2.48 μKat，高于变化范围较大的中间型植物(0.46～2.15 μKat)，远高于嫌钙植物(0.25～1.62 μKat)。

老叶均高于嫩叶。

除枫香外，中间型植物均表现为岩溶区活性高于非岩溶区。

图4 嗜钙、嫌钙和中间型植物叶片SOD活性的对比Fig.4 Comparison of SOD activity in leaves of calciphile,intermediacy and calcifuge plants
4 讨论
各种不良环境因素对细胞的影响往往首先作用于细胞质膜，极端温度、干旱、盐渍Cd2+等，和SO2、HF、O3等都会使质膜受到不同程度的损伤，而往往表现为膜透性增大，细胞内部分电解质外渗，因此，质膜透性的测定常作为植物抗性研究中的一个生理指标[17-18]。

脯氨酸作为渗透调节物质和细胞质渗透物质，当植物受环境胁迫时可保持膨压，对原生质起保护与保水作用。

超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)是植物体内的保护酶类，可以清除细胞内的活性氧对细胞膜的伤害，减少膜脂过氧化，稳定膜的透性[9,19]。

正常条件下，这几种物质在植物体内活性(含量)较低，大部分属于诱导表达型或存在反馈抑制作用[18,20-21]。

4.1 植物短期与长期适应高钙环境策略
张宇斌等通过植物对外界Ca2+变化的响应机制模拟实验表明：50 mmol/L及以下浓度的CaCl2，在1/2 Hoagland营养液处理6 d内，能同时明显增加喜钙植物和嫌钙植物脯氨酸含量，且喜钙植物活性远比嫌钙植物高得多[21-22]；吴显芝
[18]研究结果也表明：外源Ca2+对干旱胁迫下嫌钙植物油茶的脯氨酸累积无明显促进作用，但能明显促进喜钙树种脯氨酸的累积；张显强[23]用同样的方法处理，30 d后，喜钙植物伞花木游离脯氨酸含量无显著的影响，嫌钙植物大白杜鹃脯氨
酸含量却显著增加，与前者结果不符，这是不是暗示植物的长期适应与短期的外源钙胁迫之间存在着不同的适应策略?
本研究中，岩溶区土壤钙总量为非岩溶区的2～3倍，嗜钙植物通过对富钙偏碱的石灰土的长期适应，Pro含量及SOD、POD活性均高于中间型植物，且远高于嫌钙型植物，这一结果与文献[21-23]的相同，表明大部分嗜钙植物通过提高Pro含量及SOD、POD活性等保护性物质稳定膜的透性，将高浓度的钙阻隔在原生质外。

曹建华等[13]发现嗜钙型植物钙在叶片亚细胞组分中的分布顺序为：细胞壁>胞质>细胞器，也证实了这一点。

而喜钙植物伞花木短期高浓度钙胁迫下，游离脯氨酸含量明显上升而长期无明显变化，可能是由于叶片在长期高浓度钙刺激下形成了特定的排钙、储钙结构。

4.2 各种类型植物适应不同钙环境策略
曹建华等[13]发现中间型植物叶片钙总量低于嗜钙植物，钙在中间型植物叶片亚细胞组分中的分布顺序为胞质>细胞壁>细胞器。

结合本研究中间型植物根际土钙含
量低于嗜钙植物(图1)，Pro含量、SOD、POD活性均低于嗜钙植物，表明中间型植物主要通过控制根系吸收或地下部分向地上部分的运移来减少植物体内的钙。

在植物不同生长阶段，Pro含量、SOD活性表现为老叶高于嫩叶，是对叶片钙含
量均为老叶高于嫩叶的反映，但POD活性变化相反，表现为老叶低于嫩叶，可能存在更精细的调控策略。

如图1所示，同为岩溶区土壤，嗜钙型植物根际土钙总量高于中间型；同为非岩
溶区土壤，嫌钙植物低于中间型：推测嗜钙植物根系对钙有富集作用，而嫌钙植物根系具有排钙作用，这也是植物适应不同钙环境的另一种策略。

如肾蕨可通过富集、
活化根际土钙素的方式来满足自身的需求[3]。

高钙型植物具有较强的钙富集能力，其地上部分即使在低钙含量的土壤中也可维护较高的钙含量；低钙型植物的地上部分即使在高钙含量的土壤中亦可维持较低的钙含量可以间接地说明这一点[5]。

5 小结
通过本研究发现，嗜钙植物与中间型植物对岩溶地区高钙的环境存在不同的适应策略，大部分嗜钙植物通过提高Pro含量及SOD、POD活性等保护性物质稳定膜的透性，将高浓度的钙阻隔在原生质外；而中间型植物主要是通过控制根系吸收或地下部分向地上部分的运移来减少植物体内的钙；在植物不同生长阶段，稳定膜的透性保护性物质呈现相反的变化趋势，可能存在更精细的调节策略。

各种类型植物的高钙适应机制并非独立的，而是相互重叠的,只是不同植物对钙吸收、转运和累积过程中调控的重点环节不同[5]，要深入了解植物对高钙环境的适应，应从钙在植物体内的积累和运输机制、根系分泌物、根系微生物，钙在各器官(根系、茎、叶片等)的分布，钙在亚细胞组分中的分布及其形态等方面综合分析。

致谢：
感谢贵州茂兰自然保护区冉景丞、熊志斌研究员在野外采样中提供的帮助。

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