狗尾草水提取物對6種植物的化感作用

朱 強(qiáng)， 張得懷， 王雪劍， 田曾元， 郭予琦

(鄭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，河南鄭州 450001)

狗尾草水提取物對6種植物的化感作用

朱 強(qiáng)， 張得懷， 王雪劍， 田曾元， 郭予琦

(鄭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，河南鄭州 450001)

采用室內(nèi)培養(yǎng)皿法測試了狗尾草地上部分水浸提液對小麥、高粱、綠豆、黃瓜、蘿卜等農(nóng)作物和牛筋草(雜草)的化感作用。結(jié)果表明：狗尾草水浸提液對植物種子萌發(fā)和幼苗生長具有較高的化感抑制作用；當(dāng)水浸提液的質(zhì)量濃度為0.025 0 g/mL時(shí)，除綠豆外，小麥、黃瓜、蘿卜和高粱等農(nóng)作物的種子萌發(fā)均受到顯著或極顯著的抑制作用，其發(fā)芽率的RI值分別為-0.56、-0.17、-0.28、-0.27；在0.050 0 g/mL浸提液處理下，除黃瓜苗高、苗鮮重、根鮮重、綠豆根鮮重外，5種農(nóng)作物根和苗的生長受到極顯著的抑制，小麥、綠豆、黃瓜、蘿卜、高粱根長的RI值分別為-0.75、-0.60、-0.61、-1.00、-0.61；當(dāng)浸提液濃度為0.030 g/mL時(shí)，牛筋草種子不能萌發(fā)，而小麥、綠豆的葉綠素含量和可溶性糖含量則從生理生化水平反映出不同程度的化感效應(yīng)。綜合研究結(jié)果可知，狗尾草顯示出極強(qiáng)的化感作用，為進(jìn)一步分離、鑒定和開發(fā)環(huán)境友好型除草劑提供了理論依據(jù)和支持。

狗尾草；水提取物；化感作用；抑制效應(yīng)

化感作用是植物或微生物的代謝分泌物對環(huán)境中的其他植物或微生物的有利或不利的效應(yīng)。植物化感作用通過淋溶、揮發(fā)、殘?bào)w分解和根系分泌等方式向環(huán)境中釋放化學(xué)物質(zhì)，從而對周圍植物產(chǎn)生直接或間接的、有害或有利的作用[1]。研究優(yōu)勢雜草的化感作用對實(shí)現(xiàn)雜草的有效控制、減少農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)對化學(xué)農(nóng)藥的依賴具有重要意義[2]。目前國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)對優(yōu)勢雜草進(jìn)行了許多研究[3-6]，但對于常見雜草狗尾草(Setariaviridis)的化感作用則鮮有報(bào)道。

狗尾草俗稱毛毛狗、谷莠子、莠草，是谷類、麥類、玉米、棉花、豆類、馬鈴薯等作物田的主要雜草，也是果園、蔬菜田的常見雜草，更是草坪中的頑固性雜草[7]。狗尾草的發(fā)生極為普遍，除北非、東非和澳大利亞東部一些地區(qū)外，在大多數(shù)歐亞和中東國家均有分布[8]，是我國農(nóng)田的常見雜草。狗尾草繁殖能力強(qiáng)、生長速度快、生長期長、適應(yīng)性強(qiáng)、耐旱耐貧瘠，在酸性或堿性土壤中均可生長。農(nóng)田的狗尾草常與農(nóng)作物競爭水分和養(yǎng)分，從而影響作物的生長和產(chǎn)量，發(fā)生嚴(yán)重時(shí)甚至可以形成優(yōu)勢種群密被田間，造成作物嚴(yán)重減產(chǎn)。國外曾報(bào)道狗尾草導(dǎo)致小麥、玉米、大豆分別減產(chǎn)44%、28%、29%，同時(shí)也可造成甜菜、葡萄和其他作物的產(chǎn)量損失[7]。據(jù)研究，狗尾草的競爭優(yōu)勢可能部分來自其化感作用[9-10]，本試驗(yàn)對此作了進(jìn)一步研究，以期為全面了解狗尾草的化感作用并在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上利用其化感作用提供必要的試驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

果實(shí)期狗尾草全株采于鄭州大學(xué)新校區(qū)的校園內(nèi)；化感作用受體植物小麥(Triticumaestivum)、綠豆(Vignaradiata)、黃瓜(Cucumissativus)、蘿卜(Raphanussativus)、高粱(Sorghumvulgare)種子購于河南鄭州豫研種子科技有限公司；牛筋草(Eleusineindica)種子采于鄭州大學(xué)校園內(nèi)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 狗尾草浸提液的制備 選取發(fā)育良好的狗尾草，剪去根部后將地上部分用水沖洗干凈，自然風(fēng)干后用粉碎機(jī)粉碎并過40目篩(孔徑為 0.42 mm)，稱取一定量的粉末，加入10倍質(zhì)量體積(即1 g加10 mL水)的蒸餾水后置于搖床中，26 ℃振蕩浸提24 h，用4層紗布過濾即得質(zhì)量濃度為 0.1 g/mL 的狗尾草水浸提液；以此作為母液，分別用蒸餾水稀釋成0.100 0、0.050 0、0.025 0、0.012 5 g/mL 濃度梯度的狗尾草水浸提物，用于測定不同濃度處理下小麥、綠豆、黃瓜、蘿卜和高粱的形態(tài)指標(biāo)，以0 g/mL處理作為對照。另外，由于預(yù)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)種子的萌發(fā)和生長受到的抑制程度較高，因此為了獲得足夠的材料用于測定生理指標(biāo)，將測定生理指標(biāo)的浸提液濃度調(diào)整為0.05、0.03、0.02、0.01 g/mL。

為了進(jìn)一步確定狗尾草中化感物質(zhì)的存在及其作用，試驗(yàn)設(shè)計(jì)為：將狗尾草切成2 cm左右的小段，加入20倍蒸餾水進(jìn)行浸提，浸提液經(jīng)二重過濾，第一重用定量濾紙過濾，第二重經(jīng)濾膜(0.45 μm)過濾，以得到的不含微生物的浸提液作為母液(0.05 g/mL)，再取部分母液分別稀釋為0.030、0.010、0.005 g/mL，用于測定對牛筋草的化感作用，保存在4 ℃冰箱中備用。

1.2.2 生物測定 采用培養(yǎng)皿濾紙法進(jìn)行化感活性的生物測定。取一定數(shù)量的培養(yǎng)皿，墊上雙層濾紙后高溫蒸汽滅菌。先將選好的籽粒飽滿的小麥、綠豆、黃瓜、蘿卜、高粱、牛筋草種子沖洗干凈，其中牛筋草種子用10%次氯酸鈉消毒5 min，其余消毒10 min，取出后用蒸餾水沖洗5次。每個(gè)培養(yǎng)皿中放50粒種子，設(shè)3次重復(fù)。在培養(yǎng)皿(直徑 9 cm)中加入10 mL(牛筋草加6 mL)不同濃度的狗尾草水浸提物，以蒸餾水作為對照，在28 ℃、16 h/d光照條件的恒溫箱內(nèi)培養(yǎng)7 d，期間補(bǔ)充浸提液以保持濾紙濕潤。每天記錄種子的萌發(fā)數(shù)量(種子萌發(fā)以胚根或胚芽達(dá)到種子自身長度一半以上為準(zhǔn))，7 d 后每處理取10株植物，測量苗高、根長、鮮重，生理指標(biāo)只測定小麥和綠豆。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理方法

發(fā)芽率=(第7天種子的發(fā)芽數(shù)/供試種子數(shù))×100%

發(fā)芽指數(shù)=∑(Gt/Dt)

式中：Gt為t天內(nèi)的發(fā)芽種子數(shù)(個(gè))；Dt為相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù)(d)。

由于不同植物在各指標(biāo)間存在很大的差異，因此本試驗(yàn)采用衡量化感效應(yīng)的敏感指數(shù)RI值[11]來表示化感效應(yīng)，以便對不同植物進(jìn)行比較。計(jì)算公式為：

RI=1-C/T(T>C)

RI=T/C-1(T≤C)

式中：C為對照，是用蒸餾水培養(yǎng)的受體植物各項(xiàng)指標(biāo)的平均值；T為處理值，是用浸提液培養(yǎng)的受體植物各項(xiàng)指標(biāo)的平均值。當(dāng)RI>0時(shí)，表示浸提液具有促進(jìn)作用；當(dāng)RI<0時(shí)，表示浸提液具有抑制作用；RI的絕對值代表作用強(qiáng)度的大小。

葉綠素、可溶性糖含量的測量方法參照張志良等的方法[12]。

1.2.4 統(tǒng)計(jì)分析 用SPSS 13.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 狗尾草水浸提物對5種農(nóng)作物種子萌發(fā)的影響

狗尾草水浸提物對各種植物種子的萌發(fā)均起到較強(qiáng)的化感抑制作用，并且隨著浸提液質(zhì)量濃度升高，抑制作用增強(qiáng)，但不同植物的抑制程度有所差異。由表1可以看出，在0.025 0 g/mL浸提液處理下，除綠豆外，其他農(nóng)作物的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)受到的抑制作用與對照相比均到達(dá)顯著或極顯著水平。小麥和黃瓜的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)在0.012 5 g/mL浸提液處理時(shí)即受到顯著抑制，小麥、黃瓜的RI值分別為-0.26、-0.29，-0.20、-0.23。高粱的發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)在低濃度時(shí)表現(xiàn)出輕微的化感促進(jìn)作用，但未達(dá)到顯著水平，化感效應(yīng)指數(shù)都為0.04。在高濃度下，蘿卜對浸提液的化感作用最為敏感，在0.050 0 g/mL浸提液處理的情況下，蘿卜的發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)的抑制程度較其他種子高，RI值分別為-0.86、-0.95。綠豆對浸提液的處理最不敏感，發(fā)芽率在各濃度下均未受到顯著影響，發(fā)芽指數(shù)的抑制作用只有在 0.100 0 g/mL 浸提液處理下與對照相比達(dá)到極顯著水平，RI值為 -0.19；其他濃度處理下的化感效應(yīng)均不顯著。

表1 狗尾草浸提液對5種作物種子萌發(fā)的影響Table 1 Effect of aqueous extracts from S. viridis on seed germination of five crops

注：同列數(shù)據(jù)后不同大、小寫字母者分別表示差異極顯著(P<0.01)、顯著(P<0.05)。表2同。

2.2 狗尾草水浸提物對5種農(nóng)作物幼苗生長的影響

不同質(zhì)量濃度的狗尾草水浸提液對5種農(nóng)作物的幼苗生長具有不同程度的影響。由表2可以看出，在0.100 0 g/mL浸提液濃度下，小麥、綠豆均未長出根；蘿卜則在0.050 0 g/mL濃度下也未出根。蘿卜、高粱在0.100 0 g/mL浸提液處理時(shí)受到極強(qiáng)的抑制作用而未能長出根和幼苗。在0.025 0 g/mL濃度下，高粱根和幼苗的生長受到顯著抑制，苗高、根長的RI值分別為-0.41、-0.43。在0.050 0 g/mL浸提液處理下，除黃瓜的苗高、苗鮮重、根鮮重外，5種作物的各項(xiàng)指標(biāo)受到的抑制程度均達(dá)到顯著或極顯著水平。小麥、黃瓜、蘿卜的根長在0.012 5 g/mL濃度下即受到顯著抑制，其中蘿卜受到的抑制程度最高，RI值為-0.48。黃瓜的幼苗最不敏感，各濃度對苗高、苗鮮重的抑制作用均未達(dá)到顯著水平。蘿卜的苗高在0.012 5 g/mL濃度下受到極顯著的促進(jìn)作用，在其他作物中低濃度下也有輕微的促進(jìn)作用出現(xiàn)，但未能達(dá)到顯著水平。

表2 狗尾草浸提液對5種作物幼苗生長的影響Table 2 Effect of aqueous extracts from S. viridis on seeding growth of five crops.

2.3 狗尾草水浸提物對小麥、綠豆部分生理指標(biāo)的影響

2.3.1 狗尾草水浸提物對小麥、綠豆葉綠素含量的影響 由圖1可見，隨著狗尾草水浸提液質(zhì)量濃度升高，小麥和綠豆幼苗體內(nèi)的葉綠素含量都下降，即葉綠素合成受到抑制的程度增加。在 0.01 g/mL 浸提液處理下，綠豆的葉綠素含量受到的抑制作用已經(jīng)達(dá)到極顯著水平，RI值為-0.28；在最高濃度0.05 g/mL浸提液處理下，RI值為 -0.52。小麥的葉綠素合成受到的抑制程度稍輕，在0.02 g/mL浸提液處理下，葉綠素含量比對照顯著降低，RI值為-0.28；當(dāng)用0.05 g/mL浸提液處理時(shí)，RI值為 -0.41。此外，在用低濃度浸提液處理時(shí)，綠豆和小麥的葉綠素含量急劇下降，而在高濃度時(shí)下降得較緩慢，說明2種植物的葉綠素含量對浸提物非常敏感，在濃度很低時(shí)即明顯減少，進(jìn)而影響光合作用。

2.3.2 狗尾草水浸提物對小麥和綠豆可溶性糖含

量的影響 由圖2可以看出，隨著浸提液質(zhì)量濃度增加，小麥和綠豆的可溶性糖含量都表現(xiàn)出先增加后減少的趨勢，但變化的程度存在差異。小麥的可溶性糖含量在各濃度下都比對照有所增加，在 0.02 g/mL 濃度時(shí)，增加量達(dá)到最大，RI值為0.15，與對照差異極顯著。綠豆的可溶性糖含量在低濃度下有所增加，在高濃度下含量減少并與對照相比差異極顯著，4個(gè)濃度下的RI值依次為0.02、0.08、-0.26、-0.31。結(jié)果表明，當(dāng)化感物質(zhì)在低濃度下時(shí)，綠豆的可溶性糖含量變化不如小麥敏感而緩慢增加；在高濃度的化感物質(zhì)作用下則表現(xiàn)得非常敏感而急劇減少。

2.4 狗尾草水浸提物對牛筋草種子萌發(fā)和幼苗生長的影響 由圖3可以看出，狗尾草浸提液對牛筋草種子萌發(fā)和幼苗生長均具有強(qiáng)烈的化感抑制作用。除了在0.005 g/mL濃度下牛筋草根長受到的抑制作用與對照相比未達(dá)到顯著差異外，在其他各濃度下牛筋草的發(fā)芽率、根長、苗高均受到顯著抑制；浸提液濃度在0.030 g/mL及以上時(shí)，牛筋草種子被完全殺死而不能萌發(fā)。從圖中還可以看出，牛筋草發(fā)芽率受到的抑制作用在各濃度下均比根長和苗高強(qiáng)烈，在0.005 g/mL浸提液濃度下，牛筋草發(fā)芽率的RI值即達(dá)-0.42。

3 結(jié)論與討論

試驗(yàn)結(jié)果表明，狗尾草地上部分水浸提液中含有活性極高的化感物質(zhì)，浸提液在濃度很低的情況下即可對受試植物的種子萌發(fā)和幼苗生長產(chǎn)生顯著的影響。當(dāng)浸提液濃度為0.025 0 g/mL時(shí)，除綠豆外，小麥、黃瓜、蘿卜、高粱的種子萌發(fā)受到顯著或極顯著的抑制。在0.050 0 g/mL浸提液處理下，除黃瓜苗高、苗鮮重、根鮮重，綠豆根鮮重外，5種作物根和幼苗生長受到的抑制程度均達(dá)到顯著或極顯著水平。因此無論是在種子萌發(fā)還是幼苗生長方面，浸提液對蘿卜的影響都是最大。

為了排除了微生物的干擾，在對牛筋草的測試中，將浸提液進(jìn)行了雙重過濾，使結(jié)果更加可靠。浸提液在0.03 g/mL濃度時(shí)，牛筋草種子即不能萌發(fā)，可見狗尾草具有極強(qiáng)的化感作用，因而具有很大的應(yīng)用潛力。通過不同濃度浸提液對不同受試植物的測試發(fā)現(xiàn)，相同濃度浸提液對不同植物的化感作用不同，這不僅反映出不同植物對化感物質(zhì)的敏感性與物種的歷史進(jìn)化相關(guān)[13]，同時(shí)也說明植物化感效應(yīng)的專一性和選擇性[14]。因此在應(yīng)用化感作用控制其他植物生長時(shí)，不僅要選用強(qiáng)化感效應(yīng)的材料，還應(yīng)選擇好目標(biāo)植物[15]。不同濃度的浸提液對同一植物的作用也不同，即化感物質(zhì)存在濃度效應(yīng)，隨著濃度的變化，其化感效應(yīng)也不同[16]。值得注意的是，濃度效應(yīng)并非僅由化感物質(zhì)的作用強(qiáng)度改變造成，必然還存在溶液滲透壓改變對植物造成的影響[17]。加入抽提物與水混合后的滲透壓超過了影響受體種子發(fā)芽的滲透壓閾值，即使沒有化感物質(zhì)也會(huì)對種子發(fā)芽產(chǎn)生抑制作用，因此在試驗(yàn)時(shí)一定要考慮植物材料與溶劑的比例[18]。

葉綠素含量是對化感作用十分敏感的一個(gè)生理指標(biāo)，同時(shí)也是化感物質(zhì)作用機(jī)理的重要方面[19]。化感物質(zhì)也可以通過改變?nèi)~綠素合成間接影響光合作用[20]，進(jìn)而影響植物的生長發(fā)育。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著狗尾草水浸提液質(zhì)量濃度升高，小麥和綠豆幼苗體內(nèi)的葉綠含量都下降，在0.02 g/mL濃度下，兩者的葉綠含量即顯著減少，從而影響光合作用中光能的吸收和傳遞，抑制受體生長[21-22]。生長在逆境中的植物代謝反映的變化趨勢相同，即水解作用增強(qiáng)，合成作用減弱[23]。試驗(yàn)中小麥和綠豆的可溶性糖含量都呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢，可能是因?yàn)樵诘蜐舛认滦←溚ㄟ^增加可溶性糖含量來增強(qiáng)其對化感作用的抵御能力；但在高濃度下，化感作用強(qiáng)度超過了小麥的承受限度，致使可溶性糖含量開始減少。可溶性糖含量的變化則從另一個(gè)方面體現(xiàn)了化感物質(zhì)的作用機(jī)理。

研究、分離高活性化感物質(zhì)并利用它們對不同植物作用效果不同的特點(diǎn)，可以用來合成選擇性除草劑的先導(dǎo)化合物、仿生合成環(huán)境友好除草劑，從而使其對作物的不良影響降到最低[24]。狗尾草所含化感物質(zhì)究竟是什么以及化感物質(zhì)在自然界中的作用途徑等還有待于進(jìn)一步研究。

致謝：本研究得到鄭州大學(xué)2013年度大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助，指導(dǎo)教師為田曾元副教授，特向他們表示感謝。

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AllelopathicEffectofAqueousExtractsfromSetariaviridisonSixPlants

ZHU Qiang，ZHANG De-huai，WANG Xue-jian，TIAN Zeng-yuan，GUO Yu-qi

(College of Life Science，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China)

The allelopathic effect of an aqueous extract from aerial parts ofSetariaviridison wheat，sorghum，mung bean，cucumber，radish and the weed goosegrass was tested in petri dishes. The extract had significant inhibited seed germination and seedling growth of all bioassay plants except mung bean. At a mass concentration of the aqueous extracts of 0.025 g/mL，RI values for seed germination for the four crops (mung bean excluded) were - 0.56，-0.17，-0.28，and -0.27，respectively. When the mass concentration of the aqueous extracts was increased to 0.05g/mL，the root and seeding growth of five crops were extremely inhibited except for the seedling height and seedling fresh weight of cucumber，the RI values for root length of wheat，mung bean，cucumber，radish，sorghum were -0.75，-0.60，-0.61，1.00，and -0.61，respectively. At a concentration of 0.03 g/mL，goosegrass seed did not germinate，while chlorophyll and soluble sugar content reflected different degrees of allelopathic effects on the physiology and biochemistry of the plant. ThereforeS.viridisextracts were strongly allelopathic，providing a lead for the purification，appraisal and development of a possible environmentally friendly herbicide.

Setariaviridis；aqueous extract；allelopathy；inhibitory effect

S432.2+2

A

1003-935X(2013)04-0025-06

朱 強(qiáng)，張得懷，王雪劍，等. 狗尾草水提取物對6種植物的化感作用[J]. 雜草科學(xué)，2013，31(4)：25-30.

2013-09-16

鄭州大學(xué)2013年度大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃。

朱 強(qiáng)(1991—)，男，河南鄭州人，本科生，從事植物化感方面的研究。E-mail：zhuqiang21@163.com。

郭予琦，女，副教授，從事植物生物化學(xué)和分子生物學(xué)的研究。E-mail：guoyuqi@zzu.edu.cn。