全 文 ：收稿日期:2014 － 12 － 11
基金项目:国家自然科学基金项目(31170294)
作者简介:盛玉辉(1993 －) ，女，哈尔滨师范大学生命科学与技术学院 2013 级本科生． E-mail:1012443950@
qq． com
通信作者:刘保东(1962 －) ，男，教授，硕士生导师，主要从事孢子植物学的教学及科研工作． E-mail:99bd@
163． com
第 6 卷 第 3 期 热 带 生 物 学 报 Vol． 6 No． 3
2015 年 9 月 JOUＲNAL OF TＲOPICAL BIOLOGY Sep. 2015
文章编号:1674 － 7054(2015)03 － 0298 － 06
东方水韭对人工污水胁迫的生理响应
盛玉辉1，关维元2，徐永星2，李 婧1，刘保东1
(1．哈尔滨师范大学 黑龙江省普通高等学校植物生物学重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150025;
2．浙江省建德市林业科学研究所，浙江 建德 311600)
摘 要:采用不同浓度的污水对长势基本相同的成熟东方水韭(Isoetes orientalis)植株进行处理，研究其在 5，
10，20 倍浓度污水胁迫 2 ～ 14 d的 6 项生理指标，即叶片的保护酶系统、渗透调节物质、叶绿素和丙二醛含
量、相对电导率和光和速率的变化规律。结果表明，东方水韭在 5 倍和 10 倍浓度污水胁迫下的耐受性较好，
在 20 倍污水胁迫下的耐受性较差，各项生理指标均显示出较大的损伤。根据污水胁迫强度及生态实际，笔
者认为，污水胁迫不是造成东方水韭营养体濒危的主要原因。
关键词:东方水韭;污水胁迫;生理指标;濒危原因
中图分类号:Q 949 文献标志码:A DOI:10． 15886 / j． cnki． rdswxb． 2015． 03． 013
水韭科(Isoetaceae)植物是孑遗的古老蕨类，现存约有 250 种，主要分布在北半球的沼泽湿地，为多年
生小型草本挺水植物［1］。我国所产 5 种水韭都因生态环境的恶化而数量急剧衰减，面临着严重的生存危
机，被列为国家一级保护的野生植物，尤其是中华水韭(Isoetes sinensis)已经达到国际极危(IUCN-CＲ)程
度［2 － 3］。东方水韭(Isoetes orientali)因与中华水韭形态相似、分布区重叠，一直被误判为中华水韭，仅在浙
江省松阳县有极少分布［4］，其濒危程度等于或高于中华水韭。由于我国水韭植物的野生数量极少，相关
研究一直受到制约，以往的研究成果主要集中在种类鉴定［4］、生态调查［5］、孢子萌发生理［6］、染色体分
类［7］和分子遗传［8］等方面。自 2012 年刘保东成功批量繁殖并栽培中华水韭［9］以来，取材量较大的中华
水韭生理机理研究也有了不少报道，如刘婷婷等［10］指出，中华水韭对温度变化这一古老的生态因素具有
较强的适应能力，而孙昊等［11］认为，中华水韭对除草剂等现代农业污染的生理抵抗能力较弱，邢建娇
等［12］和姜男等［13］的实验结果证明，中华水韭的幼孢子体和成熟植株都对培养基质高度依赖，路靖等［14］
则通过培养观察配子体发育、颈卵器和胚胎的形态建成，找到了中华水韭生殖濒危的若干结构性或生理
性限制因素。东方水韭作为新物种［4］发表后，尚未见有关濒危机理的研究报道。东方水韭和中华水韭均
在长江中下游地区繁衍了数亿年，历经了该地区的生态环境的变迁，不仅是研究该地区古生态和植物系
统演化的活化石，而且 6 倍体的东方水韭与 4 倍体的中华水韭又有着密切的亲缘关系［7］，这对于研究亚
洲的水韭起源及其物种演化也有重要的价值。水生植物逐渐消亡与其生活的水体质量存在着重要的联
系［5，15］，原生境的改变对水韭种群数量的减少也有一定的影响［6］，农业污染物的积累可能是水韭濒危的重
要原因［11］。东方水韭产地的工业经济尚不发达，水环境污染源主要是生活污水和农业污水，因此，笔者利用
相应的基本污水对东方水韭活植株进行不同程度的胁迫培养，比较分析多项生理指标的变化规律，以期在理
论上探索东方水韭濒危的生理生态机理并科学预测濒危趋势，实践上为保护孑遗物种以及环境监测提供参
考依据。
1 材料与方法
1． 1 实验材料 东方水韭原植株由刘保东于 2011 年 10 月采自浙江省松阳县，凭证标本保存在哈尔滨
师范大学植物标本室(HANU)。供试的活植株是栽培在哈尔滨师范大学温室(N45°5206″，E126°3259″)
的人工繁殖植株，繁殖方法同文献［9］。人工污水成分采用目前我国长江流域污水胁迫研究中广泛应用
的基本污水配方［16 － 18］，即可溶性淀粉 100 mg·L －1，尿素 150 mg·L －1，葡萄糖 150 mg·L －1，(NH4)2SO4
75 mg·L －1，K2HPO4·2H2O 40 mg·L
－1，MgSO4 25 mg·L
－1，NaHCO3 300 mg·L
－1，FeCl3·6H2O 9 mg·
L －1，H3BO3 1． 2 mg·L
－1，CuSO4 0． 3 mg·L
－1，MnSO4·H2O 1． 5 mg·L
－1，ZnSO4·7H2O 0． 9 mg·L
－1，
CoCl2·6H2O 1． 2 mg·L
－1，以此为基础，分别配制 5，10，20倍浓度的污水处理液。
1．2 试验设计 取 60个口径和高度均为 15 cm的普通塑料花盆，内装厚度为 14 cm的风干暗棕壤，用蒸馏
水润湿。选取株高在 25 ～30 cm，叶片数大于 30枚，长势良好的 180株东方水韭人工植株，每盆栽 3 株，在培
养室内缓苗 15 d后，放置在 4个长 ×宽 ×深为 70 cm ×70 cm ×30 cm的塑料水池中，每池 15盆，分别作为对
照组、5倍浓度污水组、10倍浓度污水组和 20倍浓度污水组。然后，在对照组中加入蒸馏水至水深 20 cm，其
余 3组分别加注 5，10，20倍浓度的污水至水深 20 cm。培养条件:光照强度 600 ～800 μmol·m －2·s －1、每天
光照 14 h、温度(25 ±0． 5)℃、空气相对湿度(80 ±5)%。胁迫培养期间，随时用蒸馏水补充自然蒸发的水份，
保持水深 20 cm。在胁迫的 2，5，8，11，14 d，依次剪取各组 3 盆东方水韭的中外轮叶片，测定各项生理指标，
重复 3次。
1．3 生理指标测定与数据处理 采用文献［19］的方法测定相对电导率、MDA含量、可溶性蛋白含量、POD
活性、CAT活性、叶绿素含量，用美国 Li-6400光合仪测定挺水叶的净光合速率和蒸腾速率。用 SPSS17． 0 和
Excel软件分析所测数据并作图。
2 结果与分析
2．1 污水胁迫对相对电导率的影响 从图 1可知，在污水处理期间，东方水韭的相对电导率总体呈上升趋
势。随着胁迫天数的增加，各浓度处理的相对电导率逐渐增大;相同天数的相对电导率随着污水浓度的增加
而增大;各个处理浓度下的相对电导率，在 14 d时均达到最大值，且分别显著(P ＜ 0． 05)高于对照 1． 0，3． 3，
4． 4倍，表明东方水韭的相对电导率随着污水胁迫程度的加剧而上升。
图 1 污水胁迫对东方水韭相对电导率的影响
“CK”为对照，“5”为5倍浓度，“10”为10倍浓度，“20”为20倍浓度;不同小写字母表示相同胁迫强度下不同处理天数在
0． 05水平的差异显著;* 表示相同处理时间下各处理强度在 0． 05水平与对照差异显著。下同
Fig． 1 Effects of sewage stress on relative electric conductance of Isoetes orientalis
“5”:5 times of the sewage concentration;“10”:10 times of the concentration;“20”:20 times of concentration． The different
lowercase letters within the same stress but under different treatment days show significant difference in relative electric conductance of
I． orientalis at 0． 05 levels;* indicates significant difference within the same treatment days under different treatment concentration
as against the control (CK)at 0． 05 levels． Similarly hereinafter
992第 3 期 盛玉辉等:东方水韭对人工污水胁迫的生理响应
2．2 污水胁迫对MDA含量的影响 从图 2可知，污水处理的东方水韭 MDA含量均高于同期对照组;随着
胁迫时间的延长，5倍和 10倍处理表现出先升后降再升的总体趋势，5倍处理在胁迫 5 d和 11 d时分别出现
2个峰值;10倍在胁迫 8 d时达到第 1个峰值，随后出现下降后持续上升;20 倍从胁迫开始均差异显著，且随
着胁迫处理天数的增加，其 MDA含量比对照组上升幅度大，表明污水胁迫下的东方水韭叶片膜质过氧化作
用逐渐增强。
2．3 污水胁迫对渗透调节物质的影响 从图 3可知，污水处理的东方水韭叶片内可溶性蛋白均高于同期对
照;在 5倍胁迫 11 d和 10倍胁迫 8 d时均达到最大值，随后出现下降趋势;20 倍胁迫 14 d 的叶片内可溶性
蛋白含量与同期对照相比差异显著(P ＜0． 05) ，增加了 2． 7 倍，表明胁迫程度越强东方水韭叶片内可溶性蛋
白的积累现象越明显。
2．4 污水胁迫对保护酶系统的影响
2． 4． 1 污水胁迫对 POD活性的影响 从图 4可知，在污水胁迫过程中，东方水韭叶片内 POD活性整体呈先
升高后降低的趋势，均在胁迫第 8天达到最大值，除 20倍浓度胁迫 14 d的含量低于对照组外，其余均高于同
期对照。10倍浓度在 5 ～11 d变化幅度较小;胁迫 8 d 时，20 倍浓度组的 POD活性显著高于各处理组(P ＜
0． 05) ;胁迫 14 d时，随污水浓度的增加，东方水韭的 POD活性减少幅度越大，表明污水胁迫影响了东方水韭
叶片内的 POD活性。
2． 4． 2 污水胁迫对 CAT活性的影响 从图 5
可知，胁迫期间，叶片内 CAT活性整体呈先增
加后降低的趋势。污水处理 8 d 时，叶片的
CAT活性均达到最大值，其中，20 倍浓度组的
CAT活性比对照高 1． 0 倍;污水处理 14 d 时，
CAT活性均显著降低(P ＜ 0． 05) ，其中，20 倍
浓度组的 CAT活性显著低于各组(P ＜0． 05)。
2． 5 污水胁迫对光合系统的影响
2． 5． 1 污水胁迫对叶绿素含量的影响 从
图 6 可知，整个胁迫期间，东方水韭叶片叶绿
素含量总体呈降低趋势，随胁迫天数的增加，
叶片内叶绿素含量逐渐降低;相同胁迫天数
下，随污水浓度的增加，叶片内叶绿素含量呈降低趋势。污水处理 14 d时，叶片内叶绿素含量均达到胁迫
期间的最小值，显著低于同期对照(P ＜ 0． 05)。
2． 5． 2 污水胁迫对净光合速率的影响 从图 7 可知，净光合速率随着污水胁迫程度的加强而下降，同一
处理水平的下降趋势随着胁迫时间的延长而加剧，净光合速率均低于同期对照。在整个胁迫过程中，20
倍污水处理组一直低于同时间的其他组，且下降幅度最大。5 倍浓度污水胁迫 2 d 的净光合速率低于同
期 10 倍浓度污水胁迫，且在胁迫第 5 天有小幅度上升;各浓度处理 14 d的叶片净光合速率均达到胁迫期
003 热 带 生 物 学 报 2015 年
间的最小值，其中，20 倍污水处理低于同期对照 67%，差异显著(P ＜ 0． 05)。
2． 5． 3 污水胁迫对蒸腾速率的影响 从图 8 可知，在整个胁迫过程中，东方水韭叶片蒸腾速率总体呈下
降趋势。胁迫 2 d时，各浓度污水处理的叶片蒸腾速率均达到最大值，且分别显著高于对照组，胁迫 5 d
后，叶片蒸腾速率显著下降(P ＜ 0． 05) ，但 11 d和 14 d的差异不显著(P ＜ 0． 05)。
3 讨 论
逆境胁迫下植物叶片的相对电导率会随着胁迫程度的增加而增加［20］;陈桂葵等［21］指出，短时间内低
浓度污水处理对植物的相对电导影响较小，甚至能促进生长。本实验结果支持陈桂葵等的观点，但短期
胁迫是否能真正促进植株的生长有待于进一步研究。10 倍浓度污水处理在 14 d以及 20 倍浓度污水处理
在 11 d的相对电导率均超过 50%，根据植物半致死标准［22］，低浓度的污水对东方水韭伤害并不严重。丙
二醛含量的高低直接反应逆境下膜质过氧化的程度［23］，POD 和 CAT 能通过代谢活性氧减少对机体的伤
害［24 － 25］，东方水韭的 MDA含量的上升幅度随着胁迫程度的加强而增加，5 倍污水胁迫 8 d 时，MDA的含
量有小幅度下降，可能与 CAT活性达到最大值有关。受到逆境胁迫时，植物通过提高细胞液浓度、增加可
溶性蛋白含量来适应环境［26 － 27］。也有观点认为，污水胁迫天数与可溶性蛋白含量呈负相关［28］。本研究
结果表明，东方水韭叶片的渗透调节物质积累明显，胁迫后期维持细胞渗透压的主要物质并不是可溶性
蛋白。
目前，对污水胁迫下的叶绿素含量变化认识不一。魏国余等［29］、周建等［30］认为，污水会使植物体内
叶绿素的含量降低;胡宏友等［31］的实验结果表明，污水对叶绿素的含量有促进作用。本实验结果与魏国
余等人［29］的研究结果一致，在不同浓度污水处理下，东方水韭叶片的叶绿素含量均低于同期对照，表明在
污水胁迫下，叶绿素合成受到了阻碍或分解速度大于合成速度［32］。聂磊等［33］对水葱等多种湿地植物进
行污水胁迫处理，结果发现污水胁迫会降低植物的净光合速率，笔者支持此观点，东方水韭可以通过调节
光合系统来保持体内的水分。
103第 3 期 盛玉辉等:东方水韭对人工污水胁迫的生理响应
综合东方水韭在污水胁迫下的各项生理指标的变化规律，笔者认为，该孑遗物种具有一定的抗逆能
力，而且是通过协调各生理代谢间的关系而实现抗逆生长的，与近源种中华水韭(Isoetes sinensis)有一定的
相似性［10 － 11］，中华水韭的研究成果对东方水韭具有一定的参考价值。本实验所用的污水只是按照长江
中下游地区过去 10 多年来水体的污染情况而配制的人工污水［16 － 18］，只能初步验证在基本污水胁迫下东
方水韭濒危的生理机理。而水体污染是综合性的，在时空上具有复杂性和不稳定性［16 － 18，21，31］，要针对性
地揭示东方水韭在现实污水胁迫下的生理规律，还需要做进一步的研究。
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Physiological Ｒesponse of Isoetes orientalis
to Artificial Sewage Water Stress
SHENG Yuhui1，GUAN Weiyuan2，XU Yongxing2，LI Jing1，LIU Baodong1
(1． Key Laboratory of Plant Biology，College of Heilongjiang Province，Harbin Normal University，Harbin 150025，China;
2． Jiande Institute of Forestry Science of Zhejiang Province，Jiande 311600，China)
Abstract:Isoetes orientalis is a wild national protective endangered aquatic pteridophyte． It is an endemic
ancient relict plant inhabited in the middle and lower reaches of Yangtze Ｒiver． The relationship between pollu-
tion of water body and endangerment of I． orientalis had never been reported． Mature I． orientalis plants with
similar growth vigor were treated for 2 － 14 days with different concentrations (5 times，10 times and 20 times)
of sewage water to observe the change of 6 physiological indexes of the plants，i． e．，protective enzyme system，
osmotic substance，chlorophyll content，malondialdehyde content，relative conductance and photosynthetic rate．
I． orientalis was found to have a better tolerance to the stress of the sewage water under 5 and 10 times of the
concentration but poor tolerance to the stress under the 20 times of concentration with comparatively obvious
physiological injury． According to the sewage stress and the ecological conditions，the authors believe that the
sewage water stress might not be the main reason for endangerment of I． orientalis．
Key words:Isoetes orientali;sewage stress;physiological index;endangerment
303第 3 期 盛玉辉等:东方水韭对人工污水胁迫的生理响应