外来入侵种三裂叶豚草对不同水分条件的生理响应

王国骄　孙备　李建东　薛静　王蕊

摘要：三裂叶豚草（Ambrosia trifida）是一种外来入侵杂草。采用盆栽方法研究三裂叶豚草在不同土壤水分含量条件下叶片生物膜伤害、活性氧代谢和抗氧化酶活性的变化。结果表明，在干旱胁迫下，三裂叶豚草的外渗电导率、丙二醛（MDA）含量、超氧阴离子（O2·-）产生速率和过氧化氢（H2O2）含量均显著增加；超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）活性显著降低；过氧化物酶（POD）活性在轻度干旱胁迫下显著降低，在重度干旱胁迫下显著升高。水分过量条件下，三裂叶豚草叶片的外渗电导率、MDA含量、活性氧（O2·-和H2O2）水平和抗氧化酶（SOD、CAT和POD）活性无显著变化。说明三裂叶豚草对干旱胁迫较为敏感，而对过量的土壤水分条件适应性较强。

关键词：三裂叶豚草（Ambrosia trifida）；土壤含水量；生物膜；活性氧代谢；抗氧化酶活性

中图分类号：S451；Q945.17 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）05-1054-04

入侵植物三裂叶豚草（Ambrosia trifida）生活力强，适应性广，传播途径多，繁殖系数大，容易在非原生地形成单一优势种，降低自然生态系统的生物多样性[1，2]，而且三裂叶豚草的花粉是人类过敏症的重要致敏原[3]。三裂叶豚草于20世纪50年代传入中国后，在国内建立了优势种群，现在全国大部分省市均有分布，并形成南京、武汉、南昌—九江、沈阳—铁岭—丹东4个发生和扩散中心[4]，已经对农业生产、生态环境和人民健康造成了巨大威胁[3]。因此，研究三裂叶豚草与入侵地生态环境的关系，对于揭示其入侵机制、预测扩散范围至关重要[5]。

土壤水分是影响植物分布和生长发育的重要生态因子，能够对外来植物的入侵产生影响[6，7]。野外调查表明，影响三裂叶豚草分布的主要因素是人为干扰程度和土壤水分条件，三裂叶豚草适宜生活在人为干扰程度高和土壤含水量大的生境内。目前，国内外关于三裂叶豚草的研究主要集中在生物学特性、植物竞争[8]和综合防治[1，9，10]等方面，而对其抗逆生理方面的研究较少[5]。试验研究了三裂叶豚草在不同的土壤水分含量条件下生理特性变化，旨在了解该外来杂草对环境适应的特点，为预测其潜在分布范围和有效治理提供理论依据，也为解释入侵植物在环境胁迫下的响应机制提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

试验材料为三裂叶豚草。从上一年同一生境内生长发育状况相似的三裂叶豚草上收集种子，春季进行育苗。

1.2 试验设计

试验在防雨棚中盆栽进行。塑料盆的直径

20 cm，高25 cm，每盆装土15 kg，当三裂叶豚草幼苗第一对真叶完全展开后，选择长势一致的幼苗进行移栽，土壤相对含水量控制在70%～80%，移栽20 d后进行不同水分处理。共设置4个处理：①水分过量处理，土壤含水量为土壤田间最大持水量的90%～100%（W90）；②正常水分处理，土壤含水量为土壤田间最大持水量的70%～80%[ W70，对照（CK）]；③轻度干旱胁迫处理，土壤含水量为土壤田间最大持水量的50%～60%（W50）；④重度干旱胁迫处理，土壤含水量为土壤田间最大持水量的30%～40%（W30）。土壤相对含水量用土壤水分测定仪测定，在每个处理中随机选10盆，每盆1株，于每天17：00根据当时测定的土壤含水量补水至设定的含水量上限。取样时间为分枝期、开花期和结实期，每个处理选取上部完全展开的成熟叶片，取样后放入冰盒，带入实验室称重后放入超低温冰箱（-85 ℃）中保存，用于各项生理指标测定，每个处理重复3次。

1.3 测定方法

外渗电导率[11]使用DDS-11A型电导仪测定，以相对电导率（%）表示；参照文献[12]测定丙二醛（MDA）含量、超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）的活性；参照文献[13]测定超氧阴离子（O2·-）的产生速率；参照文献[14]测定过氧化氢（H2O2）含量和过氧化氢酶（CAT）活性。

1.4 数据处理

采用DPS统计软件进行数据统计，用单因素方差分析（One-way ANOVA）和邓肯氏新复极差法进行多重比较（P<0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同水分条件对三裂叶豚草叶片生物膜的影响

干旱胁迫下植物的细胞膜首先受到损害，膜的透性增大，细胞内含物渗漏。MDA是膜脂过氧化的产物，MDA含量越高，膜脂氧化程度越严重。随着土壤相对含水量的降低，三裂叶豚草叶片的外渗电导率和MDA含量逐渐升高（图1、图2）。在各生育时期，水分过量处理的外渗电导率和MDA含量低于对照，但与对照相比无显著差异。轻度干旱胁迫的外渗电导率和MDA含量显著高于对照（P<0.05），在结实期分别是对照的2.62和1.23倍。重度干旱胁迫的外渗电导率和MDA含量显著高于对照和轻度干旱胁迫（P<0.05），在结实期分别是对照的2.95和1.53倍。三裂叶豚草对水分条件较为敏感，土壤含水量降低对其叶片的生物膜造成严重损伤。

2.2 不同水分条件对三裂叶豚草叶片活性氧代谢的影响

O2·-和H2O2都属活性氧（ROS），细胞内ROS的过量积累会导致氧化胁迫，对细胞结构造成严重伤害。在各生育时期，水分过量处理的O2·-产生速率和H2O2含量与对照无显著差异，而随着土壤相对含水量的降低，三裂叶豚草叶片的O2·-产生速率和H2O2含量显著升高（图3，图4）。在结实期，轻度干旱胁迫处理的O2·-产生速率和H2O2含量比对照分别增加了21.02%和18.71%，差异显著（P<0.05）。重度干旱胁迫处理的O2·-产生速率和H2O2含量均显著高于对照和轻度水分胁迫（P<0.05）。表明干旱胁迫使三裂叶豚草叶片的ROS过量积累，最终引起膜脂过氧化。

2.3 不同水分条件对三裂叶豚草叶片抗氧化酶活性的影响

SOD能够催化O2·-发生歧化反应生成H2O2和O2，而POD和CAT能够有效地清除H2O2。在各生育时期，水分过量处理的三裂叶豚草叶片的SOD、CAT和POD活性与对照差异不显著。轻度干旱胁迫处理的SOD、CAT和POD活性显著降低，在结实期相对于对照分别降低了12.53%，15.48%和21.31%。重度干旱胁迫下，叶片的SOD和CAT活性持续降低，在结实期与对照相比分别降低了23.13%和36.45%，差异显著（图5、图6）。而在分枝期POD活性在重度干旱胁迫下虽然显著低于对照，但却显著高于轻度干旱胁迫处理（图7）。在开花期和结实期，重度干旱胁迫的POD活性比对照升高了36.48%和78.21%，差异显著。

3 小结与讨论

研究表明，干旱、极端温度、盐、紫外线辐射和重金属等各种胁迫会导致ROS的过量积累，加剧膜脂的过氧化[15]。MDA是膜脂中的多元不饱和脂肪酸氧化后的主要产物之一，并且MDA还能继续与不饱和脂肪酸发生连锁反应，破坏膜系统的完整性，使膜的透性增加[15]。细胞膜的透性与细胞膜的损伤密切相关[16]。因此，外渗电导率和MDA含量的高低是反应生物膜受损程度的重要指标[16-18]。本研究表明，水分过量条件下，三裂叶豚草的外渗电导率和MDA含量与对照差异不显著，而从轻度干旱胁迫开始，三裂叶豚草的外渗电导率和MDA含量显著升高，说明干旱胁迫导致膜脂过氧化，生物膜的透性增加。黄高峰等[19]的研究表明，菊芋在轻度干旱胁迫（土壤相对含水量60%）下MDA含量无明显增加，而中度干旱胁迫（土壤相对含水量45%）下菊芋的MDA含量才显著升高，所以菊芋具有较强的抗旱性。孔兰静等[20]在研究观赏草对干旱胁迫的反应时指出，在中度干旱胁迫（土壤相对含水量40%～45%）下外渗电导率显著增加的观赏草抗旱性较强。本研究中，三裂叶豚草在轻度干旱胁迫（土壤相对含水量50%～60%）下外渗电导率和MDA含量就显著升高，说明三裂叶豚草对干旱胁迫较为敏感，这与邓旭等[6]的研究结果一致。

高等植物的叶绿体、线粒体和过氧化物酶体等细胞器在代谢过程中产生ROS是不可避免的[15]。在正常情况下，ROS的产生和清除维持平衡状态，但是干旱胁迫打破了这种平衡，引起细胞内的ROS迅速积累[18，19]。O2·-和H2O2等ROS具有极高的活性和毒性，能够对蛋白质、脂质、碳水化合物和DNA造成伤害，最终导致细胞死亡。本研究中，干旱胁迫下三裂叶豚草的O2·-产生速率和H2O2含量显著升高是导致生物膜受到损伤的主要原因。在生物进化的过程中，细胞内形成了一系列的抗氧化防御机制来防止ROS的过量积累，SOD、CAT和POD都是清除ROS的关键酶[15]。SOD能够催化O2·-发生歧化反应生成H2O2和O2，而POD和CAT能够有效地清除H2O2。干旱胁迫下，抗旱能力强的植物保护酶活性较高[19-21]。在菊芋耐旱性的研究中表明，轻度干旱胁迫下菊芋的SOD和CAT活性显著升高，而重度干旱胁迫下酶活呈下降趋势[20]。本研究表明，在轻度和重度干旱胁迫下三裂叶豚草的SOD和CAT活性均显著降低，这说明轻度干旱胁迫已经超出了三裂叶豚草对干旱的忍耐能力，保护酶活性降低，清除ROS的能力受到抑制[21]。

已有研究认为POD的作用具双重性能[22，23]。一方面为保护效应，Sairam等[24]的研究指出，在干旱胁迫下耐旱的小麦有较高的POD活性，而不耐旱的小麦品种的POD活性较低。另一方面POD参与叶绿素的降解、活性氧的产生，并能引发膜脂过氧化，是植物衰老到一定阶段的产物，为一种伤害性反应，可作为植物衰老的指标[23，25]。许长成等[23]指出，耐旱性强的大豆品种在干旱胁迫下POD活性增加幅度较小，而耐旱性弱的大豆品种POD活性显著升高，POD活性与H2O2含量显著正相关。本研究中，重度干旱胁迫下POD活性显著升高与细胞内发生的氧化反应有关。

三裂叶豚草是一种恶性杂草，对其控制的方法主要有人工拔除、化学防除、植物替代和引进天敌等[1，10，26]。而植物替代防治三裂叶豚草，替代植物一旦定植便能长期抑制三裂叶豚草，并且能保持水土，改良土质，提高环境质量，这是一种有效防除的方法[1]。植物替代的基本原理是选择耐胁迫能力强的多年生的草本和灌木，通过其占据地下空间、争夺水分和营养的优势，对三裂叶豚草造成水分和营养胁迫，阻碍豚草正常生长和繁殖。本研究表明，三裂叶豚草对过量水分反应不敏感，而在干旱胁迫下抗氧化酶代谢失调，清除ROS能力丧失，导致叶片损伤较重，表明三裂叶豚草耐湿润而不耐干旱，雨量充足的湿润区域是三裂叶豚草的最佳生长区[9]，这不仅有助于研究三裂叶豚草的入侵机制，还可以为植物替代防治豚草提供理论依据。

参考文献：

[1] 王建军，赵宝玉，李明涛，等.生态入侵植物豚草及其综合防治[J].草业科学，2006，23（4）：71-75.

[2] 王 蕊，孙 备，李建东，等.不同光强对入侵种三裂叶豚草表型可塑性的影响[J].应用生态学报，2012，23（7）：1797-1802.

[3] 曲 波，王学治，吕国忠，等.豚草锈菌对三裂叶豚草叶片生理生化特性的影响[J].生物安全学报，2011，20（4）：321-325.

[4] 刘静玲，冯树丹，慕 颖.豚草生态学特性及生防对策[J].东北师大学报（自然科学版），1997，15（3）：61-67.

[5] 殷萍萍，李建东，殷 红，等.三裂叶豚草入侵对植物生物多样性的影响[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2010，38（4）：189-194.

[6] 邓 旭，王 娟，谭济才.外来入侵种豚草对不同环境胁迫的生理响应[J].植物生理学通讯，2010，46（10）：1013-1019.

[7] 曹慕岚，罗 群，张 红，等.入侵植物加拿大飞蓬生理生态适应初探[J].四川师范大学学报（自然科学版），2007，30（3）：387-390.

[8] 王晋萍，董丽佳，桑卫国.不同氮素水平下入侵种豚草与本地种黄花蒿、蒙古蒿的竞争关系[J].生物多样性，2012，20（1）：3-11.

[9] 黄可辉，郭琼霞，刘景苗.三裂叶豚草的风险分析[J].福建农林大学学报（自然科学版），2006，35（4）：412-415.

[10] 常望霓，黄建利，张 亚，等.豚草的生物防除现状与展望[J].杂草科学，2011，29（3）：7-10.

[11] 郝建军，刘延吉.植物生理学实验技术[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，2007.

[12] 李合生.植物生理生化实验原理与方法[M].北京：高等教育出版社，2006.

[13] 王爱国，罗广华.植物超氧化自由基与羟胺反应的定量关系[J].植物生理学通讯，1990，26（6）：55-57.

[14] 邹 琦.植物生理学实验指导[M].北京：中国农业出版社，2000.

[15] GILL S S， TUTEJA N. Reactive oxygen species and antioxidant machinery in abiotic stress tolerance in crop plants[J]. Plant Physiology and Biochemistry，2010，48：909-930.

[16] ZHOU B Y， GUO Z F， LIU Z L. Effects of abscisic acid on antioxidant systems of Stylosanthes Guianensis （Aublet） Sw. under Chilling Stress[J]. Crop Science，2005，45：599-605.

[17] DING W， SONG L， WANG X， et al. Effect of abscisic acid on heat stress tolerance in the calli from two ecotypes of Phragmites communis[J]. Biologia Plantarum，2010，54：607-613.

[18] WANG Y L， MA F W， LI M J， et al. Physiological responses of kiwifruit plants to exogenous ABA under drought conditions[J].Plant Growth Regulation，2011，64：63-74.

[19] 黄高峰，王丽慧，方云花，等.干旱胁迫对菊芋苗期叶片保护酶活性及膜脂过氧化作用的影响[J].西南农业学报，2011， 24（2）：552-555.

[20] 孔兰静，李红双，张志国.三种观赏草对土壤干旱胁迫的生理响

应[J].中国草地学报，2008，30（4）：40-45.

[21] 张文辉，段宝利，周建云，等.不同种源栓皮栎幼苗叶片水分关系和保护酶活性对干旱胁迫的响应[J].植物生态学报，2004， 28（4）：483-490.

[22] 郭水良，方 芳，强 胜.不同温度对七种外来杂草生理指标的

影响及其适应意义[J].广西植物，2003，23（1）：73-76.

[23] 许长成，邹 琦.大豆叶片旱促衰老及其与膜脂过氧化的关系[J].作物学报，1993，19（4）：359-364.

[24] SAIRAM P K， SAXENA D C. Oxidative stress and antioxidants in wheat genotypes： possible mechanism of water stress tolerance[J]. Journal of Agronomy and Crop Science，2000，184： 55-61.

[25] 曾韶西，王以柔，刘鸿先.低温光照下与黄瓜子叶叶绿素降低有关的酶促反应[J].植物生理学报，1991，17（2）：177-182.

[26] 周忠实，郭建英，万方浩，等.豚草防治措施综合评价[J].应用生态学报，2008，19（9）：1917-1924.

[7] 曹慕岚，罗 群，张 红，等.入侵植物加拿大飞蓬生理生态适应初探[J].四川师范大学学报（自然科学版），2007，30（3）：387-390.

[8] 王晋萍，董丽佳，桑卫国.不同氮素水平下入侵种豚草与本地种黄花蒿、蒙古蒿的竞争关系[J].生物多样性，2012，20（1）：3-11.

[9] 黄可辉，郭琼霞，刘景苗.三裂叶豚草的风险分析[J].福建农林大学学报（自然科学版），2006，35（4）：412-415.

[10] 常望霓，黄建利，张 亚，等.豚草的生物防除现状与展望[J].杂草科学，2011，29（3）：7-10.

[11] 郝建军，刘延吉.植物生理学实验技术[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，2007.

[12] 李合生.植物生理生化实验原理与方法[M].北京：高等教育出版社，2006.

[13] 王爱国，罗广华.植物超氧化自由基与羟胺反应的定量关系[J].植物生理学通讯，1990，26（6）：55-57.

[14] 邹 琦.植物生理学实验指导[M].北京：中国农业出版社，2000.

[15] GILL S S， TUTEJA N. Reactive oxygen species and antioxidant machinery in abiotic stress tolerance in crop plants[J]. Plant Physiology and Biochemistry，2010，48：909-930.

[16] ZHOU B Y， GUO Z F， LIU Z L. Effects of abscisic acid on antioxidant systems of Stylosanthes Guianensis （Aublet） Sw. under Chilling Stress[J]. Crop Science，2005，45：599-605.

[17] DING W， SONG L， WANG X， et al. Effect of abscisic acid on heat stress tolerance in the calli from two ecotypes of Phragmites communis[J]. Biologia Plantarum，2010，54：607-613.

[18] WANG Y L， MA F W， LI M J， et al. Physiological responses of kiwifruit plants to exogenous ABA under drought conditions[J].Plant Growth Regulation，2011，64：63-74.

[19] 黄高峰，王丽慧，方云花，等.干旱胁迫对菊芋苗期叶片保护酶活性及膜脂过氧化作用的影响[J].西南农业学报，2011， 24（2）：552-555.

[20] 孔兰静，李红双，张志国.三种观赏草对土壤干旱胁迫的生理响

应[J].中国草地学报，2008，30（4）：40-45.

[21] 张文辉，段宝利，周建云，等.不同种源栓皮栎幼苗叶片水分关系和保护酶活性对干旱胁迫的响应[J].植物生态学报，2004， 28（4）：483-490.

[22] 郭水良，方 芳，强 胜.不同温度对七种外来杂草生理指标的

影响及其适应意义[J].广西植物，2003，23（1）：73-76.

[23] 许长成，邹 琦.大豆叶片旱促衰老及其与膜脂过氧化的关系[J].作物学报，1993，19（4）：359-364.

[24] SAIRAM P K， SAXENA D C. Oxidative stress and antioxidants in wheat genotypes： possible mechanism of water stress tolerance[J]. Journal of Agronomy and Crop Science，2000，184： 55-61.

[25] 曾韶西，王以柔，刘鸿先.低温光照下与黄瓜子叶叶绿素降低有关的酶促反应[J].植物生理学报，1991，17（2）：177-182.

[26] 周忠实，郭建英，万方浩，等.豚草防治措施综合评价[J].应用生态学报，2008，19（9）：1917-1924.

[7] 曹慕岚，罗 群，张 红，等.入侵植物加拿大飞蓬生理生态适应初探[J].四川师范大学学报（自然科学版），2007，30（3）：387-390.

[8] 王晋萍，董丽佳，桑卫国.不同氮素水平下入侵种豚草与本地种黄花蒿、蒙古蒿的竞争关系[J].生物多样性，2012，20（1）：3-11.

[9] 黄可辉，郭琼霞，刘景苗.三裂叶豚草的风险分析[J].福建农林大学学报（自然科学版），2006，35（4）：412-415.

[10] 常望霓，黄建利，张 亚，等.豚草的生物防除现状与展望[J].杂草科学，2011，29（3）：7-10.

[11] 郝建军，刘延吉.植物生理学实验技术[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，2007.

[12] 李合生.植物生理生化实验原理与方法[M].北京：高等教育出版社，2006.

[13] 王爱国，罗广华.植物超氧化自由基与羟胺反应的定量关系[J].植物生理学通讯，1990，26（6）：55-57.

[14] 邹 琦.植物生理学实验指导[M].北京：中国农业出版社，2000.

[15] GILL S S， TUTEJA N. Reactive oxygen species and antioxidant machinery in abiotic stress tolerance in crop plants[J]. Plant Physiology and Biochemistry，2010，48：909-930.

[16] ZHOU B Y， GUO Z F， LIU Z L. Effects of abscisic acid on antioxidant systems of Stylosanthes Guianensis （Aublet） Sw. under Chilling Stress[J]. Crop Science，2005，45：599-605.

[17] DING W， SONG L， WANG X， et al. Effect of abscisic acid on heat stress tolerance in the calli from two ecotypes of Phragmites communis[J]. Biologia Plantarum，2010，54：607-613.

[18] WANG Y L， MA F W， LI M J， et al. Physiological responses of kiwifruit plants to exogenous ABA under drought conditions[J].Plant Growth Regulation，2011，64：63-74.

[19] 黄高峰，王丽慧，方云花，等.干旱胁迫对菊芋苗期叶片保护酶活性及膜脂过氧化作用的影响[J].西南农业学报，2011， 24（2）：552-555.

[20] 孔兰静，李红双，张志国.三种观赏草对土壤干旱胁迫的生理响

应[J].中国草地学报，2008，30（4）：40-45.

[21] 张文辉，段宝利，周建云，等.不同种源栓皮栎幼苗叶片水分关系和保护酶活性对干旱胁迫的响应[J].植物生态学报，2004， 28（4）：483-490.

[22] 郭水良，方 芳，强 胜.不同温度对七种外来杂草生理指标的

影响及其适应意义[J].广西植物，2003，23（1）：73-76.

[23] 许长成，邹 琦.大豆叶片旱促衰老及其与膜脂过氧化的关系[J].作物学报，1993，19（4）：359-364.

[24] SAIRAM P K， SAXENA D C. Oxidative stress and antioxidants in wheat genotypes： possible mechanism of water stress tolerance[J]. Journal of Agronomy and Crop Science，2000，184： 55-61.

[25] 曾韶西，王以柔，刘鸿先.低温光照下与黄瓜子叶叶绿素降低有关的酶促反应[J].植物生理学报，1991，17（2）：177-182.

[26] 周忠实，郭建英，万方浩，等.豚草防治措施综合评价[J].应用生态学报，2008，19（9）：1917-1924.