加拿大一枝黃花水提液對玉米幼苗生長的化感作用及其機理

葉小齊，吳明，邵學新，梁雷

（國家林業局杭州灣濕地生態系統定位研究站 中國林業科學研究院亞熱帶林業研究所，浙江 富陽311400）

化感物質對鄰近植物生長的影響取決于其濃度。自然條件下，化感物質釋放到土壤中后經微生物分解轉化，濃度會逐漸降低［1］，其化感作用強度會發生顯著改變。因此有必要研究不同化感物質濃度對其他植物的影響。“低促高抑”（hormesis）效應是指某種有毒物質在高濃度時會抑制／毒害生物的生長，而在低濃度時卻會起到促進的現象［2］。化感物質對植物生長的“低促高抑”效應是植物化感作用研究中經常觀測到的現象［3］。有學者提出化感作用是外來植物物種入侵的“化學武器”［4］。但是仍然缺乏足夠多的實驗證據表明土壤中的化感物質達到了抑制其他植物生長的濃度閾值［4－5］。因此，研究入侵植物化感物質不同濃度對土著植物生長的影響具有重要意義。一些研究者發現在華東地區危害嚴重的入侵植物加拿大一枝黃花（Solidagocanadensis）具有較強的化感活性［6］，其提取物對土著植物種子萌發和幼苗生長都表現出了顯著的抑制作用［7－9］。進一步研究表明，加拿大一枝黃花提取物對土著植物生長在低的濃度范圍內表現出促進作用，而在較高的濃度范圍內則表現出抑制作用［10］，這說明加拿大一枝黃花對土著植物生長的影響和其化感物質濃度緊密相關。

前人從不同角度對植物化感物質的“低促高抑”效應的機理進行了初步探索。Prithiviraj等［11］表明低劑量兒茶素（±）－catechin能夠適度激發擬南芥（Arabidopsisthaliana）分生組織活性氧的產生從而刺激植物加速生長，因為活性氧是植物細胞伸展必不可缺的作用物質［12］，而另外一些研究發現植物提取液處理能顯著影響受體植物保護酶活性［10，13－14］，因此保護酶活性的變化也可能是“低促高抑”的機制之一。與植物化感物質類似，除草劑草甘膦對一些植物生長也具有“低促高抑”效應，這是因為低濃度草甘膦能抑制植物莽草酸代謝途徑，減少細胞壁中木質素的合成，增加植物細胞壁的伸展性，因而能促進植物的生長［15］。還有一些研究試圖從光合能力的角度對“低促高抑”做出解釋，Wiedman和Appleby［16］發現光合氣體交換并不能解釋幾種除草劑低劑量處理對黃瓜（Cucumissativus）的生長促進作用；而Cedergreen和Olesen［17］卻發現低劑量草甘膦在促進大麥（Hordeumvulgare）生長的同時，的確也刺激了其光合能力的提高。這些不同發現是不同角度不同層次研究的結果，彼此不一定相互矛盾。從構成植物的生長速率的要素來看，相對生長速率（relative growth rate，RGR）同時取決于單位葉面積凈同化速率（net assimilation rate，NAR）和對葉面積形成的資源投入（leaf area ratio，LAR）。前者主要取決于植物單位葉面積的光合能力，是內在的生理因素，而后者則指植物形成所有具有光合能力葉片面積所投入的資源比例，是植物對光合器官（葉）生物量分配（leaf mass ratio，LMR）和單位葉生物量所能建造的葉面積（specific leaf area，SLA）的共同作用的結果［18］，因此低濃度下較快的生長既可能是較高的光合速率的結果，也可能是光合組織資源分配增加的結果。

Zhang等［10］報道了加拿大一枝黃花地下莖提取物的“低促高抑”現象，對其機理做了初步探討，但沒有從光合生產的角度解釋該效應。本文于2011年研究了加拿大一枝黃花提取物對受體植物生長、光合能力和對葉的資源分配的變化，擬明確加拿大一枝黃花水提液對受體植物生長的影響與光合能力還是與葉資源分配相關。在加拿大一枝黃花危害嚴重的華東地區，棄荒地生長的加拿大一枝黃花往往嚴重抑制和影響玉米等后續作物的生長和產量［19］，因此本研究以玉米（Zeamays）幼苗為受體植物材料。

1 材料與方法

1．1 加拿大一枝黃花水提液制備

野外采集加拿大一枝黃花的枝條，去掉花序后，剪成8mm的小段，按照1g枝條∶4mL純凈水，置于燒杯中提取。整個提取過程室溫下進行，提取時間48h。

1．2 玉米幼苗培養和提取液添加處理

所用玉米品種是美玉（加甜糯）8號，在9mm培養皿中萌發。萌發14d后，選取長勢基本一致的玉米幼苗（含1片子葉和2片展開的真葉），移栽到容積為180mL塑料杯中，每個塑料杯定植1棵，生長基質為150～180 μm粒徑的石英砂。培養7d后，開始進行添加加拿大一枝黃花水提液的處理。

實驗采用隨機區組設計，共設置12個水提液濃度處理，分別是0．00，0．02，0．04，0．06，0．09，0．11，0．13，0．15，0．18，0．20，0．22和0．25g／mL，每個濃度處理重復6次。培養期間每隔3d更換1次營養液和水提液，營養液按照1倍濃度的Hoagland營養液配方進行配制［20］，種子萌發、幼苗培養和水提液處理均在智能光照培養箱中進行，日照／黑夜時間分別是12h／12h，白天溫度24℃，黑夜溫度18℃。培養期間，玉米幼苗生長良好。

1．3 光合作用測定和光合響應曲線模擬

觀察和初步測量發現，0．02g／mL濃度處理對玉米幼苗生長的促進效應最大，而0．20g／mL濃度處理對玉米幼苗生長的抑制效應最大，因此，這2種濃度可以分別作為促進生長和抑制生長的濃度處理的代表，與水提液濃度為0．00g／mL的對照處理作比較，研究其光合特性的變化。在開始處理后的第1～3天后，用LI－6400便攜式光合儀測定0．00，0．02和0．20g／mL三種濃度處理下的玉米幼苗光合光響應曲線。使用紅藍光源和開路系統測定葉片的凈光合速率，空氣流速為0．5L／min。測定從2000μmol／（m2·s）開始，依次降為1800，1500，1000，500，300，100，50，0，每個濃度處理每天測定3株，每株測定倒數第1片完全展開葉。測定之前每株玉米苗在2000μmol／（m2·s）光強下活化15min。參照Lewis等［21］的方法，采用下列模型進行光合作用的光響應曲線的模擬：

光合響應曲線用SPSS統計軟件中的Nonlinear模型擬合。其中Pn是每個測量光強下的凈光合速率；Pnmax是最大凈光合速率；PPFD是光合有效輻射強度；K是光飽和常數，其值為光合速率為1／2Pnmax時所對應的光合有效輻射強度；表觀量子效率（apparent quantum efficiency，AQY）是光響應曲線起始斜率（光強為0～300μmol／m2·s）；Rd是暗呼吸速率。

1．4 玉米幼苗生長和生物量分配測定

處理結束后，收獲所有玉米幼苗，用水洗凈根部。用直尺測量植株的高度，用Microtek掃描儀分別掃描每棵植株的葉子和根部，用根系分析軟件WinRHIZO Pro分析總葉長、總葉面積和總根長。測定完畢后，分別稱量每個植株的總鮮重以及根、莖和葉各自的鮮重。水提液對玉米幼苗生長的促進或者抑制效應的計算方法是：［（某濃度下的玉米生長指標平均值－對照處理玉米生長指標的平均值）／對照處理玉米生長指標的平均值］×100%。如果該值為正值，表明該濃度處理對玉米生長起到了促進作用，反之則為抑制作用。參照Hunt和Cornelissen［22］的方法計算LMR，SLA和LAR：

LMR＝單株總葉生物量／單株總生物量

SLA＝單株總葉面積／單株總葉生物量

LAR＝單株總葉面積／單株總生物量

1．5 數據分析

取每個處理6個重復植株測量值的平均值代表該處理的結果，以水提液濃度作為自變量，玉米幼苗生長和光合特性的各個指標作為變量，進行單因素方差分析和多重比較，以分析水提液濃度對玉米幼苗生長和光合作用各個指標的影響。同時用玉米全株生物量作為自變量，LMR，SLA和LAR分別作為因變量，分別對玉米全株生物量及LMR，SLA和LAR進行回歸分析，檢驗回歸分析的顯著性。所有的統計分析均在SPSS中進行。

2 結果與分析

結果表明，加拿大一枝黃花水提液對玉米幼苗的生長和生物量都有影響（圖1和圖2），其中對玉米幼苗的株高（P＜0．001）、總葉長（P＝0．01）、總葉面積（P＜0．05）和總根長（P＜0．001）的影響達到了顯著水平，而對玉米各器官生物量和總生物量沒有達到顯著水平（P＞0．05）。不同水提液濃度對玉米幼苗的生長影響不同。總體而言，水提液濃度在0．02～0．11g／mL范圍內都對玉米各生長指標起到了促進作用，即相應的生長指標要高于不添加水提液的對照處理；而水提液濃度在0．13～0．25g／mL范圍內都對玉米各生長指標起到了抑制作用，即相應的生長指標值都要低于對照（圖1和圖2）。進一步分析發現，水提液對玉米幼苗的總根長和根生物量的促進或者抑制作用最大，最高分別達到了29．4%，20．5%和49．5%，18．2%，其次是總葉面積，最高達到了20．8%和30．8%。水提液處理對LAR和SLA有顯著影響（P＜0．05），并且LAR和SLA隨著水提液濃度變化同樣表現出“低促高抑”效應（圖3），而LMR隨著濃度變化則沒有明顯的變化規律（P＞0．05，圖3）。回歸分析表明，處理結束時玉米幼苗總生物量同LAR和SLA之間存在著顯著的相關關系（P＜0．001，圖4），而和LMR相關關系不顯著（P＞0．05，圖4）。

圖1 不同濃度加拿大一枝黃花水提液處理后玉米幼苗的株高、總葉長、總葉面積和總根長Fig．1 Plant height，total leaf length，total leaf area and total root length of the maize seedlings treated with different concentration of water extract from S． canadensis

圖2 不同濃度加拿大一枝黃花水提液處理下玉米幼苗莖、葉、根和全株鮮重生物量Fig．2 Biomass（fresh weight）of stem，leaf，root，and whole plant of the maize seedling treated with different concentration of water extract from S． canadensis

圖3 不同加拿大一枝黃花水提液濃度處理下玉米幼苗的葉生物量分配、比葉面積和葉面積率Fig．3 SLA，LMR and LAR of the maize seedling treated with different concentration S． canadensis water extract

圖4 比葉面積（SLA）、葉生物量分配（LMR）和葉面積率（LAR）與玉米幼苗生物量的回歸分析Fig．4 Regression of LMR，SLA and LAR against the biomass of the maize seedlings treated with different concentrations of water extract from S． canadensis

圖5 不同濃度水提液處理后1～3d玉米幼苗的光合特性Fig．5 Photosynthesis characteristic of the maize seedling treated with three water extract concentration from S． canadensis

對0．00，0．02，0．20g／mL三種濃度處理的玉米幼苗的光合－光響應曲線進行分析，不同水提液濃度對Pnmax和AQY沒有顯著影響（P＞0．05），而對Rd有顯著影響（P＜0．05）。Pnmax和AQY在開始處理的1～3d內先上升后下降，但各處理之間沒有顯著差異（P＞0．05，圖5）；Rd則呈下降趨勢，0．02g／mL濃度處理的玉米幼苗的Rd高于0．20g／mL濃度處理和對照處理，但沒有顯著差異（圖5）。

3 討論

本研究結果表明，加拿大一枝黃花水提液對玉米幼苗生長表現出了“低促高抑”作用，即在較低的濃度范圍內會促進其生長，而在較高的濃度范圍內會抑制其生長；這種濃度效應和玉米幼苗對葉生長的資源分配有關，而與植物單位葉面積的光合能力無關。低濃度處理的玉米幼苗LAR和SLA較高，這表明有更多的資源分配給葉，增加了植株總的光合面積與總生物量的比例，促進了植株總體同化效率的提高［23］。提高植物單位葉面積的光合能力也能促進植物的生長，但本實驗中不同濃度處理之間的Pnmax和AQY沒有顯著差異，說明不同處理玉米葉片對不同強度的光合有效輻射的利用能力接近。植物的單位葉面積光合能力主要和葉片氮含量和Rubsico酶（1，5－二磷酸核酮糖羧化酶／加氧酶）的活性有關［24］，而較高的氮含量和Rubsico酶需要消耗更多能量，不利于植物生長。低濃度處理的玉米幼苗并沒有減少其呼吸消耗，反而比對照植株和高濃度處理植株具有更高的Rd，這和低濃度草甘膦增加大麥暗呼吸速率的結果一致［17］，可能與低濃度處理下其更強的生長活性有關。但是與本研究結果不同，一些研究表明化感物質能顯著影響植物的光合能力［25］，說明不同化感物質作用方式不盡相同。

化感物質對植物生長的促進可能和細胞，特別是和葉肉組織細胞的伸展性改變有關。Niemann等［26］發現生長速率較快的單子葉物種半纖維素、纖維素和木質素等細胞壁物質較少，因而細胞壁更容易擴展。草甘膦對植物生長也具有“低促高抑”效應，可能是因為在低濃度下草甘膦能抑制莽草酸途徑，并進一步抑制木質素的合成，從而使植物細胞壁具有更大的伸展性［15］。也有研究認為活性氧分子是實現植物細胞伸展的必要因子［12］，而低濃度的化感物質可能激發了適量活性氧分子的產生［11］，因而促進了植物細胞的伸展。實驗結果也表明在低濃度水提液處理條件下，玉米幼苗葉片SLA較大，葉片較薄，可能是木質素等細胞壁物質含量減少，因而生長速率提高。

加拿大一枝黃花水提液的“低促高抑”效應的生態學意義目前還并不清楚。有研究者認為在低水平有毒物質作用下，植物體不可能所有性狀都會表現出促進效應，因此，植物體總的適合性不大可能會得到提高［27］，但是“低促高抑”效應至少在植物生活史的某一階段的某一適應性方面具有重要的生態學意義。化感作用是植物種間相互作用的重要途徑［3］，土壤中化感物質的濃度可能是受體植物感知施加者脅迫能力的一種信號［28］。低濃度的化感物質可能意味著化感作用施加者脅迫能力較弱，受體植物對此作出適應性的反應：通過增加對光合葉面積的相對投入提高生長速率，并增強競爭能力；高濃度的化感物質可能表明化感作用施加者脅迫能力較強，因此受體植物會減緩生長速率，降低生長消耗，提高其存活率。植物競爭的重要資源之一是光照，而光競爭的表現形式之一是相鄰植株之間互相遮陰［29］。與低濃度的化感物質作用相似，遮陰也能增加對地上部分光合器官的投入，增加比葉面積，從而保持一定的光合效率［30］。植物對化感物質的響應是否與對鄰株遮陰的響應具有相似的機理還需要進一步研究。

4 結論

加拿大一枝黃花不同濃度水提液對玉米幼苗生長的影響和對葉的資源分配有緊密關系，而與單位葉面積光合能力無關。低濃度水提液提高玉米幼苗葉的SLA和植株的LAR，在保持單位葉面積光合能力不變的條件下促進了植株的生長，而高濃度水提液對玉米幼苗SLA和LAR的影響相反，從而抑制了植株的生物量積累。綜合本研究和其他研究的結果來看，化感物質對受體植物生長的“低促高抑”效應具有普遍性，因此可能在種間相互作用過程中具有一定的生態學意義。

［1］Teasdale J R，Rice C P，Cai G，etal．Expression of allelopathy in the soil environment：soil concentration and activity of benzoxazinoid compounds released by rye cover crop residue［J］．Plant Ecology，2012，213（12）：1893－1905．

［2］Calabrese E J，Baldwin L A．U－Shaped dose－responses in biology，toxicology and public health［J］．Annual Review of Public Health，2001，22（1）：15－33．

［3］孔垂華，胡飛．植物化感（相生相克）作用及其應用［M］．北京：中國農業出版社，2001．

［4］Duke S O，Blair A C，Dayan F E，etal．Is（－）－Catechin a novel weapon of spotted knapweed（Centaureastoebe）？［J］．Journal of Chemical Ecology，2009，35（2）：141－153．

［5］Thorpe A S，Thelen G C，Diaconu A，etal．Root exudate is allelopathic in invaded community but not in native community：field evidence for the novel weapons hypothesis［J］．Journal of Ecology，2009，97（4）：641－645．

［6］沈荔花．外來植物加拿大一枝黃花（SolidagocanadensisL．）入侵的化感作用機制研究［D］．福州：福建農林大學，2007．

［7］方芳，郭水良，黃林兵．入侵雜草加拿大一枝黃花的化感作用［J］．生態科學，2004，23（4）：331－334．

［8］梅玲笑，陳欣，唐建軍．外來雜草加拿大一枝黃花對入侵地植物的化感效應［J］．應用生態學報，2005，16（12）：2379－2382．

［9］郭瓊霞，陳穎，沈荔花，等．加拿大一枝黃花對豆類和蔬菜的化感作用研究［J］．檢驗檢疫科學，2006，16（6）：10－12．

［10］Zhang S S，Wang B，Zhang L，etal．Hormetic－like dose response relationships of allelochemicals of invasiveSolidagocanadensisL．［J］．Allelopathy Journal，2012，29（1）：151－160．

［11］Prithiviraj B，Perry L G，Badri D V，etal．Chemical facilitation and induced pathogen resistance mediated by a root－secreted phytotoxin［J］．New Phytologist，2007，173（4）：852－860．

［12］Rodríguez A A，Grunberg K A，Taleisnik E L．Reactive oxygen species in the elongation zone of maize leaves are necessary for leaf extension［J］．Plant Physiology，2002，129（4）：1627－1632．

［13］張志忠，石秋香，孫志浩，等．入侵植物空心蓮子草對生菜和蘿卜的化感效應［J］．草業學報，2013，22（1）：288－293．

［14］胡遠彬，陳俊，肖天昊，等．勁直黃芪水浸提液化感作用研究［J］．草業學報，2013，22（6）：136－142．

［15］Duke S O，Cedergreen N，Velini E D，etal．Hormesis：is it an important factor in herbicide use and allelopathy？［J］．Outlooks on Pest Management，2006，17（1）：29－33．

［16］Wiedman S J，Appleby A P．Plant growth stimulation by sublethal concentrations of herbicides［J］．Weed Research，1972，12（1）：65－74．

［17］Cedergreen N，Olesen C F．Can glyphosate stimulate photosynthesis？［J］．Pesticide Biochemistry and Physiology，2010，96（3）：140－148．

［18］Poorter H．Interspecific variation in relative growth rate：on ecological causes and physiological consequences［A］．In：Lambers H，Cambridge M L，Konings H，etal．Causes and Consequences of Variation in Growth Rate and Productivity of Higher Plants［M］．Dordrecht（the Netherlands）：SPB Academic，1990：45－68．

［19］柳福春，李濤，管麗琴，等．加拿大一枝黃花與玉米互作影響的研究［J］．上海農業學報，2010，26（4）：80－82．

［20］武維華．植物生理學（第2版）［M］．北京：科學出版社，2008．

［21］Lewis J D，Olszyk D，Tingey D T．Seasonal patterns of photosynthetic light response in Douglas－fir seedlings subjected to elevated atmospheric CO2and temperature［J］．Tree Physiology，1999，19（4－5）：243－252．

［22］Hunt R，Cornelissen J H C．Components of relative growth rate and their interrelations in 59temperate plant species［J］．New Phytologist，1997，135（3）：395－417．

［23］Poorter L．Growth responses of 15rain－forest tree species to a light gradient：the relative importance of morphological and physiological traits［J］．Functional Ecology，1999，13（3）：396－410．

［24］Evans J R．Photosynthesis and nitrogen relationships in leaves of C3plants［J］．Oecologia，1989，78（1）：9－19．

［25］李羿橋，李西，胡庭興．巨桉凋落葉分解對假儉草生長及光合特性的影響［J］．草業學報，2013，22（3）：169－176．

［26］Niemann G J，Pureveen J B M，Eijkel G B，etal．Differential chemical allocation and plant adaptation：a Py－MS study of 24 species differing in relative growth rate［J］．Plant and Soil，1995，175（2）：275－289．

［27］Forbes V E．Is hormesis an evolutionary expectation？［J］．Functional Ecology，2000，14：12－24．

［28］孔垂華，胡飛．植物化學通訊研究進展［J］．植物生態學報，2003，27（4）：561－566．

［29］Craine J M，Dybzinski R．Mechanisms of plant competition for nutrients，water and light［J］．Functional Ecology，2013，27（4）：833－840．

［30］Niinemets．A review of light interception in plant stands from leaf to canopy in different plant functional types and in species with varying shade tolerance［J］．Ecological Research，2010，25（4）：693－714．