不同水淹胁迫下Cenchrus fungigraminus的形态学和光合作用特征

《Industrial Crops and Products》：Morphological and photosynthetic characteristics of Cenchrus fungigraminus under different waterlogging stress

水涝胁迫下Cenchrus fungigraminus的适应性机制及生长策略研究。通过人工模拟30天根系和地上部水涝，分析其生长形态、光合特性及非结构性碳水化合物的响应。结果表明：水涝深度和持续时间显著抑制植物生长，地上部水涝（Wa组）较根部水涝（Wr组）损伤更严重，但两者均通过形成气生根（ARs）和薄壁组织增强氧运输；光合速率（Pn）在胁迫初期短暂上升后下降，非结构性碳水化合物（NSC）动态积累与分配调整；植物采用低氧逃逸策略（LOES）与低氧休眠策略（LOQS）相结合的适应性模式，以维持生存率并优化资源分配。研究为河岸带作物选育和生态恢复提供理论依据。

　　全球气候变化导致降水模式发生显著变化，从而引发更为广泛和严重的水淹现象，这已成为河岸工业作物发展的重要障碍。本文研究了在黄河上游流域进行的田间观察中，水淹对一种名为*Cenchrus fungigraminus*的植物生长特性、根部解剖结构、生物量、光合作用以及非结构性碳水化合物（NSC）的影响。该植物作为中国和非洲的重要生物材料和超级能源植物，因其高生物量、强适应性和抗逆性而备受关注。研究通过人工控制水位，模拟30天的水淹胁迫，分别对根部水淹（Wr组）和地上部水淹（Wa组）条件下的植物进行了系统分析。

研究结果显示，水淹的深度和持续时间显著影响了*C. fungigraminus*的生长特性和光合效率。然而，该植物通过一系列适应性机制有效缓解了胁迫，包括松散皮层细胞、形成木质部溶解型组织以增强氧气通道、生成气生根以改善通风、提高根与地上部的生物量比，以及增加叶片和地下根中的可溶性糖、淀粉和NSC含量。在水淹条件下，该植物的生长策略经历了阶段性变化，初期表现出低氧逃逸策略（LOES）的特征，随后过渡到低氧静止策略（LOQS），并在特定组织中再次表现出LOES的特性。这些适应性反应赋予了*C. fungigraminus*极强的耐水淹能力，特别是对根部水淹的耐受性。本研究为工业作物的可持续发展和经济林草系统的生态修复提供了科学证据，突显了*C. fungigraminus*作为高质量生物资源的潜力。

水淹不仅影响了植物的光合过程，还通过形态变化和生物量积累直接反映了其对环境变化的适应能力。尽管水淹破坏了植物的正常生长，但*C. fungigraminus*展现出显著的自我调节机制。例如，茎的伸长、气生根的形成以及气腔的发育成为其适应缺氧环境的重要形态策略。研究发现，水淹后根部皮层细胞的间隙增大，促进了气腔的形成，同时增加了木质部细胞的气腔面积，从而提升了植物的氧气捕获和运输能力。此外，水淹还刺激了根部乙烯的生物合成，进而提高了纤维素酶活性，导致皮层细胞壁溶解，最终形成发达的气腔结构。这一机制在植物的耐水淹能力中发挥了关键作用，为植物提供持续的氧气供应通道，并有助于代谢气体如二氧化碳、甲烷和乙烯的排放。

光合作用是植物生长和代谢的重要过程，为植物提供必要的能量支持。在水淹条件下，大多数植物会迅速关闭气孔，降低气孔导度（Gs）以减少蒸腾作用，防止木质部气泡形成。然而，*C. fungigraminus*在水淹后的3-6天才开始降低Gs，表明其具有较强的耐水淹能力。在水淹初期，该植物的叶绿素含量和可溶性糖水平显著增加，提升了光合效率和生物化学反应能力。这一现象可能归因于气孔快速开放，以促进二氧化碳的吸收和利用。随着水淹时间的延长，净光合速率（Pn）逐渐趋于稳定，与之前的研究结果相吻合。耐水淹植物通常会在水淹后经历光合效率的短暂下降，但能够稳定或恢复至正常水平，而敏感植物则会因持续下降的Pn而最终死亡。

在水淹条件下，*C. fungigraminus*的非结构性碳水化合物（NSC）表现出显著变化。可溶性糖（SS）和淀粉（ST）在叶片和根部的含量均有所增加，但随着水淹时间的延长，这些碳水化合物的水平逐渐下降。这一模式表明，*C. fungigraminus*在短期水淹中通过增强生物化学反应和代谢活动获取更多能量，但随着水淹的持续，其生理代谢活动减弱，碳水化合物储备被消耗以应对持续的胁迫。这种适应机制有助于防止碳水化合物耗尽，从而避免因长期水淹导致的死亡。此外，研究还发现，地下根中SS、ST和NSC的浓度变化趋势与叶片相似，但叶片的反应速度更快，这可能与叶片作为主要同化器官的功能有关。在水淹初期，叶片迅速积累光合产物，而地下根的浓度变化则需要更长时间才能显现。

在水淹胁迫下，*C. fungigraminus*的生长策略和生物量分配呈现出明显的适应性特征。根据研究，该植物在短期水淹中优先采用低氧逃逸策略（LOES），以提高光合效率和生物化学反应能力。而在中期和后期，植物则转向低氧静止策略（LOQS），通过减少光合色素含量和生长速率、增加淀粉含量以及提高根与地上部的生物量比来适应水淹环境。气生根的形成进一步增强了植物对缺氧环境的应对能力，提供了额外的氧气吸收途径。这种适应性机制使得*C. fungigraminus*在长期水淹中仍能保持较高的存活率。

研究还发现，*C. fungigraminus*在根部水淹条件下表现出更强的防御能力。与地上部水淹相比，根部水淹对植物的损伤较小，其生物量分配策略也更为合理。在根部水淹组中，植物减少了地上部的生物量分配，同时增加了地下根和气生根的生物量比例，以确保在有限资源条件下维持正常的生长和代谢。相比之下，地上部水淹对植物的伤害更为严重，导致叶片和茎部的生长受限，并促使植物将更多的生物量分配到地下部分，以减少能量消耗并提高生存率。

通过主成分分析（PCA）和皮尔逊相关系数分析，研究进一步揭示了*C. fungigraminus*在不同水淹条件下各生长特性之间的关系。PCA结果显示，主成分1（PC1）和主成分2（PC2）分别解释了总变异的83.5%和11.3%，表明水淹对植物的生长特性产生了显著影响。同时，皮尔逊相关系数分析表明，SS、NSC、ST和Tr之间存在显著的正相关关系，而这些参数与其他生长特性如生物量和光合色素含量之间则呈现负相关。这一发现有助于理解*C. fungigraminus*在水淹条件下的生理调节机制，以及其如何通过调整生物量分配来适应不同的水淹深度和持续时间。

综上所述，*C. fungigraminus*在水淹胁迫下展现出显著的适应性和防御机制。其通过松散皮层细胞、形成木质部溶解型组织、生成气生根等手段，增强了氧气通道，有效缓解了缺氧胁迫。在短期水淹中，植物采用LOES策略，通过增加叶绿素和可溶性糖含量，提升光合效率和生物化学反应能力。而在中期和后期，植物则转向LOQS策略，通过减少生长速率和光合色素含量，增加淀粉储备，以适应长期的水淹环境。这些适应性策略不仅保证了植物在水淹条件下的生存能力，还为其在河岸生态系统的应用提供了理论依据。

研究结果表明，*C. fungigraminus*具有极强的耐水淹能力，尤其是在根部水淹条件下。这种能力使其成为水淹频发地区工业作物开发的理想选择，有助于实现河岸植被的恢复和生态系统的重建。此外，该植物的高生物量和多种应用潜力，如生物能源生产、纸浆制造和板材生产，进一步凸显了其在可持续发展中的重要价值。因此，本研究不仅为工业作物的耐水淹育种提供了科学依据，也为河岸生态系统管理和经济林草系统的生态修复提供了重要的理论支持和实践指导。