紫莖澤蘭淋溶主效化感物質(zhì)對早稻幼苗根尖解剖結(jié)構(gòu)的影響

楊國慶　萬方浩　劉萬學(xué)

摘要采用營養(yǎng)液培養(yǎng)法和石蠟切片技術(shù)，研究了紫莖澤蘭淋溶主效化感物質(zhì)(澤蘭二酮和羥基澤蘭酮)對旱稻幼苗根尖解剖結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明：兩個化感物質(zhì)分別處理后，旱稻幼苗的根呈現(xiàn)短小腫脹、側(cè)根缺乏、且對營養(yǎng)液的吸收明顯減少，這些癥狀隨著化感物質(zhì)濃度的增加而加劇。石蠟切片的結(jié)果表明，和對照相比，化感物質(zhì)處理后的早稻幼苗根尖的解剖結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化，主要表現(xiàn)在頂端分生組織、靜止中心和根冠的細(xì)胞排列混亂，細(xì)胞間隙加大，皮層薄壁組織細(xì)胞變得短而粗，以及表皮層細(xì)胞大量脫落等。討論認(rèn)為，旱稻幼苗根的形態(tài)結(jié)構(gòu)變化，主要與紫莖澤蘭化感物質(zhì)對受體植物吲哚乙酸的干擾相關(guān)。

關(guān)鍵詞紫莖澤蘭；澤蘭二酮；羥基澤蘭酮；旱稻；解剖結(jié)構(gòu)

中圖分類號S 456：Q 945.78

紫莖澤蘭(Ageratina adenophora Sprengel)，作為一種世界惡性入侵雜草，已經(jīng)給我國造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和生態(tài)破壞，且現(xiàn)仍快速向我國西北地區(qū)擴(kuò)散。因此，加強(qiáng)對紫莖澤蘭在我國入侵?jǐn)U張機(jī)理的研究，對于實(shí)現(xiàn)該雜草的可持續(xù)控制有著直接的理論意義。近年來，很多研究表明化感作用是紫莖澤蘭入侵后逐漸發(fā)展成為單種優(yōu)勢種群的重要原因。當(dāng)前紫莖澤蘭的化感作用研究，大多集中于化感現(xiàn)象的揭示，對其深層次作用機(jī)理還鮮見報道。近期研究表明，紫莖澤蘭化感作用中淋溶物的主效化感物質(zhì)為澤蘭二酮和羥基澤蘭酮，且它們能引起受體植物根部細(xì)胞的過氧化反應(yīng)、抗氧化酶活性的抑制和激素平衡的失調(diào)等方面的生理生化指標(biāo)失調(diào)，而受體植物這些生理生化方面的影響必然引起細(xì)胞水平上的形態(tài)結(jié)構(gòu)變化。受體植物細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化，還對紫莖澤蘭化感物質(zhì)其他可能的生理作用機(jī)理有重要的啟示。本研究選擇了在我國紫莖澤蘭入侵典型地帶云南具有悠久種植歷史和山地中種植面積較廣的早稻(Oryza sativa L.)為受體植物，從根尖解剖結(jié)構(gòu)的角度，揭示紫莖澤蘭的化感物質(zhì)對本地植物的作用機(jī)理。

1材料與方法

1.1材料

紫莖澤蘭植株采自云南省昆明市云南農(nóng)業(yè)大學(xué)校園附近。早稻(旱277)種子由中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院農(nóng)學(xué)系提供。

1.2紫莖澤蘭淋溶主效化感物質(zhì)的制備

根據(jù)Yang等的方法制備紫莖澤蘭淋溶物中的兩種主效化感物質(zhì)。

1.3早稻幼苗的培育

選取飽滿度和大小基本一致的旱稻種子，用0.5％H₂O₂處理5min，后用蒸餾水反復(fù)清洗，置于恒溫水浴鍋內(nèi)36℃催芽1d。在裝有細(xì)沙(細(xì)沙處理：10％鹽酸浸泡24h，后反復(fù)沖洗至pH7.0左右，再高溫烘干滅菌)的白瓷盆內(nèi)播入已催芽且芽長基本一致的旱稻種子，加入營養(yǎng)液(1/4強(qiáng)度Hoagland營養(yǎng)液，pH為5.8)，于生化培養(yǎng)箱16h光照//8h黑暗，光周期28℃，暗周期25℃，相對濕度75％條件下培養(yǎng)，7d后幼苗供試驗使用。

1.4化感物質(zhì)對旱稻幼苗的處理

將澤蘭二酮和羥基澤蘭酮分別用乙酸乙酯先配成50mmol/L的母液，再等比例稀釋分別滴加于墊有兩層定性濾紙的平底試管(25mm×80mm)內(nèi)，對照僅加乙酸乙酯。于通風(fēng)櫥內(nèi)待試管中有機(jī)試劑揮發(fā)完后，分別加入上述營養(yǎng)液定容，使化感物質(zhì)的終濃度分別為0.5、1.0、1.5mmol/L，于振蕩器上混勻，后移入旱稻幼苗，每個試管10株，再將所有試管隨機(jī)排列插入泡沫板內(nèi)，置于生化培養(yǎng)箱(條件同1.3)中培養(yǎng)，在處理后72h取樣。

1.5石蠟切片的制作、切片和觀察

試驗中因1.5mmol/L化感物質(zhì)處理的旱稻幼苗根破損嚴(yán)重，因此僅對0.5、1.0mmol/L處理進(jìn)行了解剖結(jié)構(gòu)比較。參考Teng等的方法制備石蠟切片，分別用刀片截取旱稻幼苗根尖(約5mm)，并將取的材料置于裝有固定液的小瓶中，選擇改進(jìn)的FAA固定液(50％乙醇89mL，福爾馬林5mL，冰乙酸6mL)。然后經(jīng)過固綠預(yù)染，乙醇脫水，二甲苯透明，滲蠟，最后包埋于石蠟中。用石蠟切片機(jī)(LeiCaRM2145德國)將包埋于蠟塊中的材料分為縱切和橫切進(jìn)行連續(xù)切片，切片厚度8～10μm，染色采用番紅一固綠對染，染色后的切片在裝備數(shù)碼相機(jī)(Axiocam MRC)的顯微鏡(Zeiss Axioskop 40)下觀察并拍照。

2結(jié)果與分析

2.1兩種化感物質(zhì)對旱稻幼苗根及營養(yǎng)液吸收的影響

用澤蘭二酮或羥基澤蘭酮處理后，早稻幼苗根和營養(yǎng)液吸收的變化趨勢總體類似(圖1)。與對照相比，處理后幼苗根的總體形態(tài)發(fā)生了明顯的變化，表現(xiàn)為根的總數(shù)量減少、比較短小和側(cè)根數(shù)量明顯減少，且柔軟易破損，隨著化感物質(zhì)濃度的增加這些癥狀逐步加劇，且根系顏色逐漸加深呈黃褐色。尤其在1.5mmol/L處理后72h，旱稻幼苗根系已嚴(yán)重破損，且伴有明顯的異味。在營養(yǎng)液吸收方面，化感物質(zhì)處理后早稻幼苗對營養(yǎng)液的吸收趨于減少，且隨著處理濃度的增加，營養(yǎng)液逐漸渾濁。

2.2化感物質(zhì)對旱稻幼苗根尖細(xì)胞縱切解剖結(jié)構(gòu)的影響

由根尖縱切面觀察可見，化感物質(zhì)處理后的旱稻幼苗根尖幾個功能部位的細(xì)胞發(fā)生了明顯的大小和排列方面的變化(圖2)。圖中對照幼苗的根尖細(xì)胞排列規(guī)則、清晰，各功能區(qū)(表皮層、頂端分生組織和靜止中心等)細(xì)胞分類明顯。用澤蘭二酮處理后的幼苗根尖明顯變粗，內(nèi)部細(xì)胞排列紊亂，細(xì)胞間隙加大，頂端分生組織、靜止中心和根冠的細(xì)胞混亂，這種效應(yīng)隨著處理濃度的增加而增強(qiáng)，且在濃度為1.0mmol/L處理時頂端分生組織細(xì)胞出現(xiàn)明顯的短而粗的現(xiàn)象。用羥基澤蘭酮處理后的幼苗根尖變化趨勢與澤蘭二酮處理結(jié)果相類似，但它在作用強(qiáng)度上顯得略大，如在濃度為1.0mmol/L處理時根尖組織很疏松并出現(xiàn)明顯的裂開，內(nèi)部細(xì)胞排列已嚴(yán)重錯亂。

2.3化感物質(zhì)對早稻幼苗根尖細(xì)胞橫切解剖結(jié)構(gòu)的影響

由圖3可見旱稻幼苗用澤蘭二酮或羥基澤蘭酮處理后，根尖橫切面細(xì)胞發(fā)生的明顯變化。在對照中，旱稻幼苗根尖橫切面細(xì)胞排列規(guī)則、均勻，細(xì)胞飽滿，且內(nèi)部細(xì)胞質(zhì)含量豐富，各分類組織(皮層、皮層薄壁組織和中柱鞘等)清晰可辨。用化感物質(zhì)處理后，細(xì)胞排列紊亂，明顯膨脹，細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞質(zhì)淡稀，這種作用隨處理濃度增加而增強(qiáng)，在1.0mmol/L處理時，多數(shù)皮層薄壁組織細(xì)胞膨脹了兩倍多，且很多細(xì)胞的核出現(xiàn)明顯的位置偏移。

3討論

野外情況下，植物化感作用發(fā)生主要通過植株揮發(fā)、雨霧淋溶、根部分泌和殘株與凋落物分解4條途徑，其中除揮發(fā)物作用外，其余途徑中的化感物質(zhì)均首先作用于受體植物的根。而植物根系具有特定的解剖、形態(tài)和生理功能特征，其不同部位的細(xì)胞和細(xì)胞內(nèi)不同的細(xì)胞器所發(fā)生的改變，都是對外界環(huán)

境因子做出不同程度響應(yīng)的表現(xiàn)所在。本文結(jié)果表明，旱稻受到紫莖澤蘭的兩種化感物質(zhì)分別作用后，其幼苗的根在處理72h即出現(xiàn)了系列生長發(fā)育不良的癥狀。這與張希麟等研究紫莖澤蘭水提液對玉米根形態(tài)影響的結(jié)果形成了很好的印證，如都出現(xiàn)受體植物根冠至根毛區(qū)的生長受到嚴(yán)重干擾，根尖表皮至皮層細(xì)胞出現(xiàn)明顯脫落甚至腐爛。本研究發(fā)現(xiàn)處理后旱稻幼苗的側(cè)根明顯減少，而側(cè)根是由中柱鞘中的一組細(xì)胞在生長發(fā)育中分化而來，表明澤蘭二酮和羥基澤蘭酮可能對根尖的中柱鞘發(fā)生了直接或間接的作用，這在早稻幼苗根尖橫向解剖結(jié)構(gòu)里中柱鞘的比較結(jié)果得到了初步證實(shí)。最終，側(cè)根的減少應(yīng)是導(dǎo)致旱稻幼苗對營養(yǎng)液吸收下降的一個重要因素。

本文解剖結(jié)構(gòu)的結(jié)果表明，化感物質(zhì)處理后旱稻幼苗根尖細(xì)胞排列錯亂且形狀呈方形，整個根顯得短而粗，且細(xì)胞之間的中膠層出現(xiàn)很明顯的空白間隙，這與其他一些化感物質(zhì)的作用結(jié)果類似，但導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要機(jī)理還在探討之中。如有研究發(fā)現(xiàn)，黑麥(Secale cereale L.)分泌的化感物質(zhì)BOA[2(3)-benzoxazolinone]處理黃瓜幼苗后，其根尖細(xì)胞明顯比對照短且寬，最終整個根尖在外形上表現(xiàn)短且較粗，推測認(rèn)為是由于該化感物質(zhì)對受體植物的生長素水平產(chǎn)生了干擾所致。此外，還有報道用酚酸類化感物質(zhì)安息香酸處理后的芥菜幼苗，其根尖細(xì)胞出現(xiàn)不規(guī)則的形狀，且排列紊亂，細(xì)胞之間出現(xiàn)明顯離散的中膠層，認(rèn)為可能是安息香酸促進(jìn)吲哚乙酸的去碳酸基作用而抑制了吲哚乙酸的活性所致，而低濃度的IAA會促進(jìn)細(xì)胞壁松弛，促使細(xì)胞之間的中膠層出現(xiàn)了明顯的空隙，這些空隙將致細(xì)胞之間信號和營養(yǎng)的傳輸嚴(yán)重受阻。作者前期的研究結(jié)果已經(jīng)確證，澤蘭二酮和羥基澤蘭酮處理旱稻幼苗后，其根部的主要激素(脫落酸、吲哚乙酸和玉米素核苷酸)含量和平衡發(fā)生了明顯的改變，尤其是吲哚乙酸含量的顯著下降。結(jié)合本研究結(jié)果，可以基本斷定旱稻根細(xì)胞形態(tài)的變化主要是由于紫莖澤蘭化感物質(zhì)對吲哚乙酸含量的干擾所致，但這其中的作用過程還有待于進(jìn)一步的研究。

云南省旱稻種植面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他省份，同時該省也是紫莖澤蘭在我國入侵比較嚴(yán)重的地區(qū)。根據(jù)本文結(jié)果，特定的氣候條件如雨季將會促使紫莖澤蘭淋溶途徑化感物質(zhì)的大量連續(xù)釋放，這對山區(qū)地形中的旱稻田幼苗必然造成一定的負(fù)面影響。如以西雙版納內(nèi)某早稻種植區(qū)為例，該區(qū)域年平均降雨量1556mm，雨季(5～10月)降雨量占全年降雨量的82％，相對濕度83％，而這個雨季的開始時間恰恰也是旱稻直播的時期，且該期問一些常規(guī)的農(nóng)藝措施(翻田，人工除草等)常導(dǎo)致農(nóng)田附近遺留或堆積一些雜草殘株包括紫莖澤蘭，由此時空特征可以基本推測紫莖澤蘭淋溶物是影響旱稻田間生產(chǎn)的重要影響因素。