外来入侵植物喜旱莲子草在水淹逆境中的氧获取机制研究

Alternanthera philoxeroides is an alien invasive plant species growing extensively in China. The species is highly tolerant of flooding and submergence, which enhances its environment adaptability and invasiveness. All plants have to confront hypoxia stress when they are submerged, the high submergence tolerance possessed by A. philoxeroides implies that this species likely have effective pathways to acquire oxygen. Upon submergence, plants have two possible ways to get oxygen, the first is to get the oxygen produced by submerged photosynthetic tissues in underwater photosynthesis, the second is to obtain oxygen from the surrounding environments. In this project, the underwater photosynthetic capacity of submerged leaves/stems, spatial pattern of adventitious roots formation and its effects on oxygen acquisition, gas films formation on leaf/stem surfaces and its effects on oxygen acquisition, oxygen transport capacity of discontinuous pith cavity are to be investigated, so as to unravel whether submerged A. philoxeroides can acquire oxygen from its surrounding environments and from underwater tissue photosynthesis to resist hypoxia stress, and to reveal the oxygen acquisition mechanisms of A. philoxeroides upon submergence. The study will help to elucidate why A. philoxeroides has high flooding/submergence tolerance and invasiveness, and help to deepen our understanding on the mechanisms of plant flooding/submergence tolerance.

喜旱莲子草是在我国有广泛分布的外来入侵植物，具有很强水淹耐受能力，其高耐淹性极大提高了喜旱莲子草的环境适应能力和入侵能力。在水淹环境中低氧胁迫是所有受淹植物无法避免的问题，喜旱莲子草具有优良耐淹能力提示其在水淹逆境中可能具有有效的氧获取机制。植物在水淹环境中有两种可能的获氧方式，一是通过自体的光合组织光合产氧，二是从环境中获取氧。本项目拟对处于水淹环境中的喜旱莲子草的叶和茎水下光合特性、不定根发生空间格局及其吸氧效率、叶和茎表面气膜形成及其对氧获取的影响、非连续髓腔通气组织输氧能力进行研究，以阐明受淹喜旱莲子草是否可以通过水下光合作用自身产氧和从环境中获取氧来提高体内氧含量水平以抵御水淹低氧胁迫，明确喜旱莲子草在水淹逆境中的氧获取途径和机制。本研究有助于揭示喜旱莲子草具高耐淹能力和入侵能力的内在原因，为入侵植物入侵机理研究和入侵植物控制提供科学依据，并有助于深化植物水淹耐受理论研究。

喜旱莲子草作为在我国有广泛分布的入侵植物，其具有的优良水淹耐受能力极大地提高了其入侵能力。在水淹环境中低氧胁迫是所有受淹植物无法避免的问题，喜旱莲子草具有优良的耐淹能力提示其在水淹逆境中具有有效的氧获取机制。本项目对处于水淹环境中的喜旱莲子草不定根发生的空间格局及其吸氧效率、叶和茎表面是否形成气膜及其对氧获取的贡献、非连续髓腔通气组织的输氧能力进行了研究，以揭示喜旱莲子草在水淹逆境中的氧获取机制。研究结果表明（1）在低营养胁迫下，喜旱莲子草会增加对不定根的生物量分配，不定根的根效率低；但与此相反，在低氧胁迫下植物并没有增加对不定根的生物量分配，而且不定根表现出较高的根效率。不定根的通气组织管道增粗会提高不定根对氧的吸收，从而使不定根在环境中氧水平低的情况下能更多地吸收营养物质，提高植物的水淹耐受能力。（2）利用氧微电极测定了距离水面叶片表面1000μm的范围内水体中溶氧，水体垂直剖面层中溶氧含量变化，发现对叶片正面和反面进行清水处理和Triton处理（气膜去除剂）后，水面中溶氧变化趋势没有显著差异，从而认为被水淹喜旱莲子草叶片表面没有气膜层。喜旱莲子草植株无法在水淹过程中产生气膜，缓解其水下缺氧的逆境，从而帮助其克服水淹胁迫。（3）对喜旱莲子草茎中非连续的茎髓腔的阻塞阻碍了氧气在茎中的输送，使部分水淹植株位于水面下淹没茎段的皮层和髓腔中的氧含量明显下降；同时，抑制了部分水淹植物的生长。茎中的非连续髄腔通气组织尽管被实心的节隔板所阻断，但仍然在氧气运输中发挥着重要作用，并有利于提高植物体内的氧气含量和增强植物对水淹的耐受。本项目研究有助于揭示喜旱莲子草具有优良水淹耐受能力和强大入侵能力的内在原因，为外来入侵植物的入侵机理基础研究和外来入侵植物控制的实践应用提供科学依据，同时，有助于拓展和深化植物水淹耐受和水淹逆境适应的理论研究。