菊花植株水浸液對生菜幼苗根系形態特征的化感作用

周凱，王智芳，丁利平，王亞磊

河南科技學院//新鄉市景觀生態工程技術研究中心，河南 新鄉 453003

植物化感作用是植物在長期進化過程中產生的一種對環境適應性機制。植物的化感作用廣泛存在于農業生態系統，與植物對光、水分、養分和空間的競爭一起構成了植物間的相互作用（邵華等，2002；Singh et al.，2001；Chou，1999）。植物根系是活躍的吸收器官和合成器官，根的生長狀況直接影響植物地上部的養分吸收及產量水平；同時，植物根系對外界環境條件反應非常敏感。在土壤非生物逆境脅迫條件下，植物最先感受逆境脅迫的器官是根系，植物感受這一逆境信號后作出相應的反饋，首先在基因表達上進行時間和空間的調整，而后是調整代謝途徑和方向，改變碳同化產物的分配比例和方向，進而改變根系形態和分布，以適應環境脅迫，其中根系形態上的變化最為直觀（劉瑩等，2003）。已有學者研究表明，植物根系的功能受到化感作用的強烈影響（Bais et al.，2003；Chon et al.，2010，Hussain et al.，2011，Nilsen et al.，1999；楊陽等，2010）。

研究菊科植物的化感作用對于田間雜草防治，改進栽培耕作制度，減少作物化感作用的負面影響等，在現代農業以及環境保護領域具有重要作用及應用前景（田學軍等，2015；倪利曉等，2011；周凱等，2004）。截至目前，國內外有關菊科化感作用的研究比較多（Chon et al.，2010；Zhou et al.，2009；周凱，2004），但有關切花菊（Chrysanthemum morifolium）對受體植物的化感作用研究文獻不多，尤其是對受體植物根系形態特征的化感作用研究尚未見報道。生菜（Lactuca sativa L.）在實驗室中常被用作為受體植物進行化感作用研究（林文雄等，2004），另外生菜也是新鄉市主栽的蔬菜品種。因此，本研究利用根系掃描儀及根系專業分析軟件，探討了菊花浸提液處理對受體植物生菜幼苗根系形態特征的化感作用，為揭示菊花化感作用機理提供理論基礎，并為切花菊產業化可持續發展提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用的菊花“北京黃”采自于河南省新鄉市西水東村切花菊種植基地，該基地已連續6年生產切花菊。于冬季采集大田栽培的菊花枯落植株地上部分，取回實驗室進行整理，去除枯根、雜物和泥土，攤放在實驗室內，晾干，保存備用。生菜種子采購于新鄉本地蔬菜種子市場。

1.2 試驗方法

1.2.1 菊花水浸液制備

選取菊花植株地上部分，剔除雜物后置于室內晾干，剪成2 cm小段，經粉碎機（FY130藥物粉碎機，天津市泰斯特儀器有限公司）充分粉碎，將粉碎后的菊花粉末于鼓風干燥箱（ZXFD-B5430，上海智城分析儀器制造有限公司）中烘干。稱取干燥的菊花粉末500 g放入5 L去離子水中，常溫下浸泡48 h，再經抽濾后得到質量濃度為0.1 mg·mL-1菊花水浸液母液，置于4 ℃冰箱中備用。

1.2.2 水浸液處理

選取健康、飽滿、均勻一致的生菜種子，用0.2%NaClO溶液進行種子表面消毒10 min，后用去離子水沖洗3～4次，然后用濾紙再將生菜種子表面的水分吸干。選取直徑為9 cm的培養皿，每個培養皿上放兩張Whatman定性濾紙，然后均勻放置50粒生菜種子，分別注射2、4、6、8 mg·mL-1水浸液各5 mL于培養皿內，以等量去離子水為對照，每個質量濃度處理設置3個重復。每天補充2 mL水浸液，置于室內自然光下培養7 d。

1.2.3 生菜幼苗根系掃描

處理結束之后取出生菜幼苗，用去離子水小心清洗，然后將生菜幼苗放入根系掃描儀（EPSON perfection 4990 PHOTO，愛普生(中國)有限公司）的根盤中，用根系掃描儀對生菜幼苗的根系進行掃描。掃描得到的圖片經過處理后再經專業根系分析軟件（WinRHIZO Pro 2007 d 13 March 2007）分析，自動生成生菜根系總根長（Total Root Length）、總表面積（Total Surface Area）、總投影面積（Total Projection Area）、平均根系直徑（Average Diameter）、總根體積（Total Root Volume）、總根尖數（Total Root Tips）等參數值。

圖1 菊花水浸液處理對生菜幼苗總根長（a）和平均根系直徑（b）的化感作用Fig.1 Allelopathic effects of chrysanthemum aqueous extracts on total roots length (a) and average root diameter (b) of lettuce root system

1.3 統計分析

數據采用DPSV 7.55專業版軟件進行單因素方差分析，采用SSR中的鄧肯新復極差法進行不同處理間的顯著性檢驗，小寫字母和大寫字母分別代表5%和 1%檢驗水平下的差異顯著性。參照Williamson et al.（1988）的方法計算化感效應指數RI（response index），計算公式為：

RI＝1-C/T（T≥C）或 RI＝T/C-1（T＜C）

式中，C為對照值；T為處理值；RI≥0為促進作用，RI＜0為抑制作用，定義對照的 RI值為 0，其中 RI絕對值的大小與化感作用強度一致。綜合化感效應SE（synthetical allelopathic effect）利用受體植物幼苗根系各個測試指標 RI的算術平均值進行評價（廖周瑜等，2007）。

2 結果與分析

2.1 總根長

如圖 1a所示，菊花水浸液顯著抑制了生菜幼苗根長的生長。2 mg·mL-1及以上處理對生菜幼苗根長的生長都具有抑制作用且達到極顯著水平（P＜0.01）。處理7 d后各質量濃度水浸液處理的總根長均極顯著低于對照的 3.39 cm，2、4 mg·mL-1水浸液與6、8 mg·mL-1處理間也均有極顯著差異。各質量濃度水浸液處理生菜總根長分別比對照減少了15.01%、16.95%、35.72%和37.80%。

2.2 平均根系直徑

菊花水浸液處理對生菜幼苗根系平均直徑具有一定的促進作用。4 mg·mL-1及以上處理對生菜幼苗平均根系直徑具有促進作用且達到極顯著水平（P＜0.01）（圖1b）。處理7 d后對照的平均根系直徑（0.27 mm）均極顯著低于各質量濃度水浸液處理，其中，平均根系直徑隨著水浸液處理質量濃度的增加呈增加趨勢，8 mg·mL-1水浸液處理對平均根系直徑的促進作用與2 mg·mL-1和4 mg·mL-1處理間存在極顯著差異。各質量濃度水浸液處理生菜平均根系直徑分別比對照增加了3.38%、18.14%、12.65%和34.85%。

2.3 總根體積

如圖 2a所示，菊花水浸液處理對生菜幼根總根體積的影響無顯著性差異。

2.4 總投影面積

如圖 2b所示，與對照相比，浸提液質量濃度低于8 mg·mL-1時，水浸提液處理對生菜幼苗根投影面積的生長幾乎無影響，但當質量濃度達到 8 mg·mL-1時則對幼苗根投影面積具有極顯著抑制作用，總投影面積比對照減少了24.66%。

2.5 根尖數

如圖 3a所示，浸提液處理對生菜幼苗根尖數的影響不顯著。與對照相比，各質量濃度處理對根尖數的影響沒有明顯差異。

圖2 菊花水浸液處理對生菜幼苗總根體積（a）和總投影面積（b）的化感作用Fig.2 Allelopathic effects of chrysanthemum aqueous extracts on total root volume (a) and total root projected area (b) of lettuce root system

圖3 菊花水浸液處理對生菜幼苗總根尖數（a）和總根表面積（b）的化感作用Fig.3 Allelopathic effects of chrysanthemum aqueous extracts on total root tips (a) and total root surface area (b) of lettuce root system

2.6 總根表面積

浸提液質量濃度低于8 mg·mL-1時，生菜幼苗根的總根表面積與對照相比無顯著性差異；質量濃度為8 mg·mL-1水浸液處理對總根表面積的抑制作用達到極顯著水平，總根表面積比對照減少了24.70%（圖3b）。

2.7 化感作用的綜合效應

不同質量濃度水浸液處理對生菜幼苗根系形態特征的綜合化感效應如表1所示。結果表明，水浸液綜合化感效應指數的順序為 8 mg·mL-1＞4 mg·mL-1＞6 mg·mL-1＞2 mg·mL-1。不同根系形態特征指標中，總根長、平均根系直徑、總投影面積、總根表面積、根尖數和總根體積的平均綜合化感效應指數分別為-0.264、-0.139、-0.134、-0.134、-0.094、-0.086。水浸液處理對平均根系直徑和總根體積表現出一定的促進作用，且這種化感促進作用還具有比較明顯的濃度梯度效應。

3 結論與討論

3.1 討論

植物根系是最早接受逆境脅迫的器官，根系形態直觀反映了根的適應能力。結果顯示，菊花水浸液的化感作用潛勢抑制了受體植物生菜幼根生長，隨著水浸液處理質量濃度的增大，受體植物根系生長受抑制程度加重，根系形態特征發生了相應的變化，間接導致受體植物地上部生物量下降，說明水浸液對受體植物根系有明顯的抑制作用。水浸液處理對生菜平均根系直徑和總根體積具有明顯的化感促進作用，這與楊國慶等（2008）對紫莖澤蘭（Eupatorium adenophorum）對早稻（Oryza sativa）幼苗根的化感作用研究結果類似，生菜根系直徑和總根體積的增加可能是對化感逆境的主動性適應。研究還發現，有些根系形態特征如總根長對菊花的化感作用敏感，而另外一些指標如總根體積和根尖數則可能比較遲鈍。由于植物根系形態特征對各種逆境的反應比較直觀，根系形態結構變化必然影響植物生理生態功能的改變（李芳蘭等，2005），如吸水、吸肥能力降低，會進一步導致植株矮小、瘦弱，影響其對光、溫、水和肥等各種資源的競爭，根系形態特征的改變是造成受體植物生長受到抑制的重要原因（Aguilera et al.，2015）。在化感物質作用環境下，植物根系形態特征的反應已引起了越來越多學者的關注（Aguilera et al.，2015；Wang et al.，2017；楊陽等，2010），探究植物根系對化感物質的生理生態反應將有助于揭示植物化感作用的生理機制。

表1 菊花水浸液處理對生菜幼苗根系生長的綜合化感效應指數Table1 Synthetical allelopathic effect index of chrysanthemum aqueous extracts on lettuce root system

3.2 小結

結果表明，菊花具有較強的化感潛力，菊花水浸液處理對生菜幼苗根系生長總體上呈現出化感抑制作用，隨著水浸液處理質量濃度的增加，化感抑制或促進作用有增強的趨勢。不同根系形態特征指標中，菊花水浸液對總根長的化感抑制作用效果最明顯，顯著地抑制了生菜根系總根長的生長；水浸液處理對總根體積和根尖數的生長沒有影響；水浸液質量濃度較低時對根總投影面積和總根表面積沒有影響，但是在較高濃度處理下如達到 8 mg·mL-1則有顯著的抑制作用；水浸液處理對生菜平均根系直徑和總根體積的生長具有明顯的化感促進作用，可能是對化感逆境的一種主動性適應。菊花水浸液處理對生菜綜合化感效應呈現隨水浸液處理質量濃度增加而增強的趨勢。

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