菊芋浸提液對稗草化感作用的研究

陳 瑞，張 琪，張婷婷，崔樂怡，楊 蓉，楊 蕾，余之琳，劉 鵬

（浙江師范大學植物學實驗室/浙江師范大學生態學研究所，浙江 金華 321004）

【研究意義】通過進一步揭曉植物化感作用的入侵機制，為探索植物的化感作用作為雜草防治新思路提供依據，并展望菊芋在雜草防治方面的綜合應用前景。【前人研究進展】農田雜草是阻礙農業生產的重要因素之一，通過水、肥、光、空間等競爭，嚴重影響農作物產量與品質［1］。目前，不少除草方法主要是使用化學除草劑，如果過量或長期使用則會帶來藥物殘留、環境污染、產品安全、抗性雜草等負面作用，進而威脅到人類健康及其他生物的安全［2］。稗草〔Echinochloa crusgalli（L.） Beauv.〕屬禾本科雜草，是世界性十大惡性雜草之一，在中國危害面積高達9.4×105hm2，占稻田總面積的43.5%［3］，是水稻田中分布最廣、危害最嚴重的雜草，且其對部分化學除草劑已經產生嚴重的抗藥性［4］，是農業生產中亟待解決的問題。化感作用是植物通過向周圍環境中釋放化學物質促進或抑制鄰近植物生長發育的化學生態學現象，是物種生存斗爭的特殊形式之一，化感作用包含種內或種間、直接或間接、有害或有利的作用［5］。近年來發現，化感作用在雜草防治方面具有較好的效果［6］，同時也安全而持久，因而在生態防治方面被國內外學者從多方面廣泛探究與推廣。菊芋（Helianthus tuberosusL.）又名洋姜、鬼子姜，菊科多年生草本植物，適應性較強，具有耐寒、耐旱、耐貧瘠和耐鹽堿等特點，有極高的觀賞、食用和藥用價值［7］。大量試驗表明，菊科植物可破壞受體膜系統的穩定性及水分平衡關系、促進或阻滯葉綠素的合成、影響礦質元素的吸收等，產生明顯的化感效應［8］。目前國內外對于菊芋的探索主要集中于菊糖、菊粉和重金屬脅迫下菊芋的生理響應及富集重金屬能力［9］，將菊芋化感作用應用于雜草防治的相關報道甚少。【本研究切入點】以菊芋為供體植物，稗草種子為受體，探討江蘇徐州和山東濰坊2個菊芋品種的不同濃度根、莖、葉浸提液對稗草種子萌發和幼苗生長的影響，并對其各項生理指標進行綜合分析。【擬解決的關鍵問題】揭示稗草在不同濃度各部位菊芋浸提液下的生理響應及其機理，闡明菊芋化感作用對雜草的防治效果。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試稗草種子采自山東省泰安市郊區農田，所用土壤為肥沃的風干田園沙壤土，每千克土壤中速效氮和速效磷質量分別為30.57、18.47 mg。徐州菊芋、濰坊菊芋兩個品種分別采購于江蘇和山東，用這2個菊芋品種制備根、莖、葉浸提液，于2018年6月在浙江師范大學植物學實驗室進行試驗。

1.2 試驗方法

選取具有發芽能力的菊芋塊莖，用水沖洗干凈，切取帶芽眼部分進行沙培，采用生長20 d的濰坊和徐州菊芋的根、莖、葉，清洗后制備浸提液。根據預實驗設4個質量濃度：0.00、0.025、0.05、0.10 g/mL，3次重復。選取具有活力的稗草種子進行沙培，待稗草幼苗長至6 cm左右，選取長勢一致的幼苗轉移至裝有土壤的具孔塑料盆缽中，每盆留苗20株。試驗期間，每天用15 mL浸提液處理稗草種子，7 d后計算發芽率，20 d后測定根長和芽長。后期每隔1 d用30 mL浸提液澆灌稗草幼苗，10 d后取稗草葉片測定抗氧化酶活性、丙二醛（MDA）含量，取根際土壤測定根際土壤酶活性和電導率。

1.3 測定項目及方法

用直尺直接測量根長、芽長；采用生物測定統計法測定發芽率［10］，參照愈創木酚法測定葉片過氧化物酶（POD）活性［11］，NBT光化還原法測定葉片超氧化物歧化酶（SOD）活性［12］，紫外分光光度法測定葉片過氧化氫酶（CAT）活性［12］，硫代巴比妥酸法測定 MDA 含量［11］，用電導儀測定土壤電導率（EC）［12］，土壤堿性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定［13］，土壤轉化酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定［13］。

試驗數據用Microsoft Excel進行整理，用SPSS 21.0軟件的單因素方差分析法(one-way ANOVA)和 Duncan法進行差異顯著性分析，并用Origin 8.5軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 菊芋浸提液對稗草種子萌發率、稗草幼苗根長、芽長的影響

由表1可知，在不同濃度下，各部位菊芋浸提液對稗草種子萌發的影響很大。隨著2個菊芋品種根浸提液濃度的升高，稗草種子發芽率呈下降趨勢，最高降幅分別達47.92%、39.58%，表明徐州菊芋抑制作用較濰坊菊芋更為明顯。徐州菊芋和濰坊菊芋的葉浸提液處理后發芽率均有降低，隨葉浸提液濃度上升，發芽率整體呈先增后減的趨勢，濰坊菊芋葉濃度0.10 g/mL處理發芽率最低，抑制率達到52.08%。而莖浸提液對稗草萌發影響比較微弱，總體而言，各部位的抑制特征為葉＞根＞莖。

各浸提液處理稗草根長均明顯小于對照。2個菊芋品種的葉浸提液濃度越大，對稗草根長抑制強度越強，較對照的最大降幅分別為81.96%和76.31%。而根和莖浸提液對根長抑制存在明顯的差異，濰坊菊芋高濃度浸提液處理最大降幅為72.18%，化感效果明顯優于徐州菊芋。據表1綜合分析，稗草幼苗在濰坊菊芋根浸提液0.10 g/mL處理芽長較CK最大降低量為19.89%。說明高濃度浸提液對稗草芽長有較為明顯的抑制作用，且濰坊菊芋的抑制效果優于徐州菊芋，稗草幼苗的芽對浸提液的敏感程度低于根部。

表1 徐州菊芋和濰坊菊芋浸提液處理稗草的發芽率、根長和芽長（cm）Table 1 Germination rate, root length and bud length of Echinochloa crusgalli (L.) Beauv. under aqueous extracts from Xuzhou Helianthus tuberosus and Weifang H. tuberosus stress

2.2 菊芋浸提液對稗草葉片SOD活性的影響

SOD是植物體內主要的防御酶之一，能夠清除新陳代謝過程中產生的有害物質，并可以有效阻止ROS通過氧化應激反應來損害細胞大分子物質，起保護細胞的作用［14］。由圖1可知，徐州菊芋浸提液對稗草SOD活性有抑制趨向，其中莖浸提液0.05 g/mL處理最明顯，抑制率達到15.09%。濰坊菊芋根浸提液對稗草SOD活性均產生抑制作用并且強度隨濃度的增大而加強，其抗氧化能力有所減弱，而莖和葉浸提液使稗草SOD活性在一定程度上表現小幅的上升態勢。可見，徐州菊芋浸提液抑制稗草清除新陳代謝有害物質的能力較濰坊菊芋強，對稗草的化感作用更好。

圖1 徐州菊芋和濰坊菊芋浸提液對稗草SOD活性的影響Fig. 1 Effects of aqueous extracts from Xuzhou and Weifang Helianthus tuberosus on SOD activities of Echinochloa crusgalli (L.) Beauv.

2.3 菊芋浸提液對稗草葉片POD活性的影響

POD是植物細胞保護性酶之一，可防御活性氧對細胞的傷害，與植株代謝強度存在一定的聯系，POD含量越高說明其抗逆性越強［15］。從圖2可以看出，徐州菊芋和濰坊菊芋浸提液處理后均使稗草葉片POD活性展現先升高后下降的趨勢，其中濰坊菊芋浸提液對稗草葉片POD活性影響基本相似，根莖葉各部分均在0.025 g/mL處理達到最大值，增幅分別為80.10%、77.58%和53.46%，不過用徐州菊芋浸提液處理后，稗草POD的變化規律性不明顯，可以發現葉浸提液0.05 g/mL處理活性最高，增幅為54.09%。因此在相同條件下，施加濰坊菊芋浸提液的稗草POD活性增長率遠大于徐州菊芋浸提液，可見，通過濰坊菊芋浸提液處理稗草過氧化氫電子受體的效果較徐州菊芋而言更顯著。

圖2 徐州菊芋和濰坊菊芋浸提液對稗草POD活性的影響Fig. 2 Effects of aqueous extracts from Xuzhou and Weifang Helianthus tuberosus on POD activities of Echinochloa crusgalli (L.) Beauv.

2.4 菊芋浸提液對稗草葉片CAT活性的影響

過氧化氫酶具有催化過氧化氫分解成氧和水的作用，存在于細胞的過氧化物體內，是過氧化物酶系統的標志酶之一［16］。由圖3可知，稗草經浸提液處理后CAT活性均有所提高，其中濰坊菊芋均隨濃度上升而使稗草CAT活性先升后降，CAT活性均在0.05 g/mL處理達到最大值，較于CK其增長率分別達1214%、879%和1044%；而徐州菊芋的根和葉浸提液對稗草CAT活性影響較為明顯，活性增幅最大值分別為1652%、1760%，不過莖的浸提液對CAT活性作用較弱。可見，徐州菊芋根和葉浸提液處理的稗草較濰坊菊芋浸提液處理的植株分解過氧化氫的能力更高，機體新陳代謝活力更強。

圖3 徐州菊芋和濰坊菊芋浸提液對稗草CAT活性的影響Fig. 3 Effects of aqueous extracts from Xuzhou and Weifang Helianthus tuberosus on CAT activities of Echinochloa crusgalli (L.) Beauv.

2.5 菊芋浸提液對稗草葉片MDA含量的影響

MDA是植物細胞發生膜脂過氧化的最終產物，其含量能表示細胞膜損傷程度及植物抗逆性［17］。從圖4可以看出，徐州菊芋浸提液處理稗草葉片MDA含量隨著浸提液濃度升高而逐漸減小，其中0.10 g/mL處理下降最為明顯，根、莖、葉浸提液處理降幅分別達26.77%、12.61%、10.62%。濰坊菊芋浸提液能提升稗草MDA含量，尤其是莖提取液，高濃度莖浸提液使稗草MDA含量增長45.06%。由此可見，濰坊菊芋浸提液較徐州菊芋對稗草膜損傷的影響更嚴重，化感抑制效應更強。

圖4 徐州菊芋和濰坊菊芋浸提液對稗草MDA含量的影響Fig. 4 Effects of aqueous extracts from Xuzhou and Weifang Helianthus tuberosus on MDA content of Echinochloa crusgalli (L.) Beauv.

2.6 菊芋浸提液對稗草根際土壤酶活性和電導率的影響

土壤酶與土壤微生物、植物根系、土壤動物細胞分泌物以及殘體的分解物等關系十分密切［18］。從表2可以看出，徐州菊芋低濃度浸提液均對稗草根際土壤轉化酶活性有抑制作用，其中被控制最明顯的為莖浸提液0.025 g/mL處理。濰坊菊芋浸提液處理轉化酶整體表現為促進作用，其中最顯著的為葉浸提液0.025 g/mL處理。土壤磷酸酶能轉化有機磷為無機磷，可反映土壤磷素生物轉化方向和強度［19］。低濃度菊芋浸提液均對磷酸酶活性產生抑制作用，高濃度時規律不明顯。徐州菊芋莖浸提液0.10 g/mL處理抑制效果最顯著，磷酸酶活性比對照降低27.45%；濰坊菊芋莖浸提液0.10 g/mL處理促進效果最明顯，比對照高19.61%。

土壤電導率是限制植物和微生物活性的閾值［20］，是反映土壤電化學特性和肥力特性的基礎指標。由表2可知，徐州菊芋各部位浸提液處理后土壤電導率均表現為上升的趨勢，且與濃度成正相關，其中高濃度葉浸提液效果最佳，增幅高達180.56%。濰坊菊芋各部位浸提液處理后土壤電導率也隨濃度升高而越來越大。說明隨著菊芋浸提液濃度的增加，對稗草根部細胞的損傷越大。

3 討論

表2 徐州和濰坊菊芋浸提液對土壤轉化酶、堿性磷酸酶和電導率的影響Table 2 Effects of aqueous extracts from Xuzhou and Weifang Helianthus tuberosus on soil invertase, alkaline phosphatase and EC

化感物質可通過影響種子萌發、幼苗生長和成株開花結實等對植株產生一定的影響，菊芋浸提液對稗草根長抑制率影響最大，其次是發芽率，最小的是芽長。隨著濃度的增加，其抑制作用基本呈上升的趨勢，這與高汝勇等［21］探求的菊芋莖葉浸出液抑制黃頂菊（Flaveria bidentis（L.）Kuntze.）種子的發芽率、根長和苗高的結果一致。此外，不同菊芋品種及各部位的水浸液作用存在差異，由此我們推測不同菊芋品種不同部位的浸出液所含化感物質的種類及含量是不同的，從而表現的抑制效果不一。

正常環境條件下植物體內活性氧的產生與消除總是處于動態平衡狀態［22］，但是逆境可能會造成植物活性氧代謝失調的后果，隨之植物會啟動相關抗氧化酶系統以清除過多的活性氧。本研究中，2個菊芋品種水浸液對稗草的POD和CAT活性有較為明顯的促進作用，這可能是浸提液加大了對幼苗的脅迫，使其合成更多的CAT和POD以清除體內的氧自由基，避免細胞被過氧化。但是SOD出現了一定的抑制的態勢，這與莊正等［23］探索的杉木（Cunninghamia lanceolata（Lamb.）Hook.）幼苗SOD活性呈下降之勢，CAT活性和POD活性逐漸增強的結果較為相似。

土壤酶活性的變化能夠直觀地表示化感物質對土壤環境的作用情況，電導率可以反映土壤的電化學特性和肥力狀況［24］。在本試驗中，經不同菊芋浸提液處理過的稗草根際土壤酶活性均產生了不同程度的變化。2種菊芋品種的浸提液總體上對土壤磷酸酶表現出“低濃度抑制，高濃度促進或抑制”的現象，說明菊芋浸提液中可能含有直接干擾土壤磷酸酶活性的物質，這與韓春梅等［25］的探究結果相似，抑制的原因可能是浸提液直接打破了根際土微生態動態平衡；而活性增大可能是由于化感物質達到了促進微生物種群結構變化的閾值，增強土壤磷酸酶活性，增進土壤磷循環和植物的生長。濰坊菊芋對稗草土壤轉化酶活性總體表現為加強效應，與學者探討在田間稗草與水稻共生時，化感水稻的土壤轉化酶活性受到顯著促進的結果一致［26］，影響程度依次為葉＞根＞莖，這與不同器官的化感物質的種類和數量有關。2個菊芋品種浸提液均能提高土壤電導率，且隨濃度上升，作用越明顯，說明菊芋浸提液增升了土壤的含鹽量，將引起稗草根細胞透性改變及電解質外滲率的升高。

4 結論

菊芋浸提液對稗草的生長、抗氧化酶活性、MDA含量以及土壤酶和電導率都具有一定程度的影響。2個菊芋品種的根和葉浸提液對發芽率的抑制作用較好。高濃度徐州和濰坊菊芋葉浸提液也明顯阻礙了根和芽的伸長，且濰坊菊芋抑制效果比徐州菊芋更強。POD和CAT活性在2個菊芋品種浸提液處理下表現出上升之勢，而SOD活性呈現下降趨勢。不同菊芋品種水浸液對稗草抗氧化酶活性和MDA含量的作用存在一定的差異，其中濰坊菊芋對于稗草的生理生化代謝影響程度較高，莖提取液對MDA的效果相對強于根和葉。低濃度徐州菊芋對土壤轉化酶和土壤磷酸酶活性的抑制效果十分顯明，濰坊菊芋對土壤磷酸酶的作用基本表現“低抑高促”，而對于轉化酶則總體上顯示出強烈的促進效果。土壤電導率隨著2個菊芋品種浸提液濃度增大而不斷提高。不同的菊芋品種對幼苗有不同程度的化感抑制作用，且濰坊菊芋效果優于徐州菊芋，具有一定的除草潛力。