3種惡性雜草對蕎麥化感潛力的比較研究

謝媛怡， 陳麗娜， 花敏瑞， 江文倩， 杜愛萍， 馬丹煒

（四川師范大學 生命科學學院，四川 成都610101）

蕎麥（Fagopyrum esculentumMoench）屬于蓼科（Polygonaceae）蕎麥屬（Fagopyrum）一年生草本植物，富含氨基酸、蛋白質和礦物質，具有極高的營養價值［1］，是一種耐旱和耐瘠的短季農作物，在中國和世界均具有悠久的種植歷史［2］，有廣泛的食用、藥用以及飼用價值［3］.中國西南地區是蕎麥起源中心和多樣性中心，分布有豐富的蕎麥野生近緣種［4］.然而，西南地區的蕎麥種植區如四川省涼山彝族自治州深受農田雜草危害，辣子草（Galinsoga parvifloraCav.）、土荊芥（Chenopodium ambrosioidesL.）、三葉鬼針草（Bidens pilosaL.）等外來入侵植物均嚴重威脅著蕎麥農田生態系統，導致蕎麥產量降低或不穩定［5］.因此，深入探討雜草對蕎麥生長的抑制機制有助于控制雜草的蔓延.新武器假說認為，化感作用是外來植物成功入侵的機制之一［6］.研究表明，三葉鬼針草根系分泌物對井欄邊草（Pteris multifida）配子體的生長和發育具有抑制作用，其配子體的細胞出現死亡和破裂［7］；辣子草水浸提液顯著影響蠶豆幼苗的苗高、生物量和光合速率［8］，并且還會引起蠶豆氣孔保衛細胞凋亡［9］；土荊芥根系分泌物、腐解物、揮發油等均具有強烈的細胞毒性，誘導細胞發生氧化損傷和細胞損傷［10-11］，干擾光合作用關鍵基因的表達［12］，進而抑制了受體植物的種子萌發和幼苗生長.但這3種雜草對蕎麥的化感作用及其差異卻鮮有報道.本研究采用培養皿濾紙法和盆栽試驗，比較研究了3種惡性雜草水浸提液和凋落物對蕎麥種子萌發和幼苗生長的影響，旨在探討惡性雜草對蕎麥的化感作用，為蕎麥農田的雜草控制和管理提供理論依據.

1 材料與方法

1.1 供試材料蕎麥種子購于成都市五塊石種子市場；供體植物辣子草、三葉鬼針草采集于四川師范大學成龍校區附近荒地，土荊芥采集于四川省涼山彝族自治州冕寧縣麥地山；供試營養土購于四川省成都市龍泉驛區三圣鄉花卉產業園.

1.2 試驗方法

1.2.1 雜草凋落物的收集和水浸提液的制備 采集土荊芥、辣子草、三葉鬼針草地上部分，在陰涼通風處陰干后，剪碎，作為凋落物備用；分別取剪碎的3種雜草置于三角瓶中，按1∶10的比例加入蒸餾水，混勻后置于搖床中，25℃、130 r／min震蕩48 h后，4層紗布過濾2次，得到質量濃度為0.1 g／mL水浸提液母液，裝入棕色細口瓶中密封，4℃保存備用.試驗時將母液的質量濃度用蒸餾水稀釋為0.01、0.02、0.03、0.04和0.05 g／mL.

1.2.2 種子預處理 選取顆粒飽滿、大小均一的蕎麥種子，用質量分數為0.5%的KMnO4浸泡10 min，蒸餾水清洗干凈，置于25℃暗培養箱中浸種24 h.

1.2.3 種子萌發和根長的測定 采用培養皿濾紙法［13］測定種子萌發指標和根長.

種子萌發試驗：將種子均勻置于墊有2層濾紙的培養皿（d＝90 mm）上，每皿20粒；分別加入5 mL不同濃度的水浸提液，以蒸餾水為對照，每處理重復6次；將培養皿置于25℃、80%濕度的培養箱中進行暗培養.以肉眼看到白色胚根為萌發標準［14］，連續4 d統計種子發芽數.計算種子發芽指標［15］發芽率（germination rate，GR）、發芽勢（germination potential，GP）、發芽指數germination index，GI）、發芽速度指數（germination speed index，GSI）如下：

以上各式中，n為發芽數，（2）式中的n為第3 d的發芽數；N為種子總數；t為發芽時間；Gt為時間t內的發芽數；X為每隔24 h發芽數.

根長的測定：按1.2.2的方法浸種催芽，待種子露白后，均勻置于墊有2層濾紙的培養皿中（d＝90 mm），每個培養皿6粒，分別加入不同濃度的水浸提液5 mL，以蒸餾水為對照，每處理重復6次，在25℃、80%濕度的培養箱中暗培養3 d，第2 d和第3 d用直尺測定根長.

1.2.4 出苗率、苗高和生物量的測定采用盆栽試驗測定出苗率、苗高和生物量.將供試營養土等量分裝在花盆（h＝7.8 cm，d＝10.5 cm）中，將1.2.2預處理的種子均勻播種在花盆中，每盆16粒；然后，分別將1、2、3、4和5 g凋落物均勻覆蓋在土壤表面，用等量蒸餾水澆透，以不覆蓋凋落物為對照，每處理重復6次；在25℃、80%濕度、光照時間12 h／d的條件下培養.

出苗率的測定：穿過凋落物層的幼苗即被視為成功出苗［16］，每天記錄出苗數，直到不再出苗為止（本試驗為播種第12 d），計算出苗率［15］：

有效運用智能化技術，可以使電氣設備在運作的過程當中得到更好的監管，確保電氣設備能夠始終保持穩定運行的狀態。在使用相應的電氣設備前，工作人員一定要對其進行認真的調試，這樣做主要是為了在最大限度上避免電氣設備在后續運作的過程中出現嚴重錯誤，降低安全事故出現的頻率。通過應用智能化技術，相關的工作人員就能夠進行遠程的調試，且調試的方向也會更加的明確，以此確保電氣設備可以一直正常的運行。

苗高的測定：播種第14 d后用直尺測量幼苗地上部分高度，每處理隨機測量10株.

生物量的測定：幼苗生長4周后，收集所有植物材料，稱取鮮質量（g）.隨后，置于烘箱中，105℃殺青，65℃烘干至恒重，稱取干質量（g）.

1.3 數據統計根據朱峰等［17］的方法計算抑制率（inhibitory rate，IR）

參照Williamson等［18］的方法計算化感效應指數（response index，RI）：

其中，C為對照值，T為處理值.其中，當RI＞0時，表示促進作用；當RI＜0時表示抑制作用，RI的絕對值越大，化感效應強度就越大；化感作用綜合效應（synthesis effects，SE）用上述所有測試項目的RI算術平均值進行評價.

采用SPSS 20.0進行單因素方差分析（ANOVA）和多重比較分析（LSD），置信水平為95%.

2 結果與分析

2.1.1 水浸提液對種子萌發的影響 與對照相比，3種雜草水浸提液對蕎麥種子萌發都存在著顯著影響（P＜0.05）（表1），且隨著3種雜草水浸提液濃度的升高，蕎麥種子的發芽率、發芽勢、發芽速度指數、發芽指數均降低，表明3種雜草水浸提液對蕎麥種子萌發具有抑制作用，但抑制程度具有一定的差異.在0.05 g／mL水浸提液處理下，辣子草、三葉鬼針草、土荊芥水浸提液對發芽率的抑制率分別為74.23%、80.82%和82.35%；對發芽勢的抑制率分別為74.61%，81.82%和84.00%；對發芽速度指數的抑制率分別為73.25%、74.40%和81.23%；對發芽指數的抑制率為73.32%、79.63%和81.33%.不同雜草水浸提液對種子萌發化感抑制的綜合效應表現為三葉鬼針草（0.58）＞土荊芥（0.53）＞辣子草（0.52）.

表1 3種惡性雜草水浸提液對蕎麥種子萌發的影響Tab.1 Effect of three noxious weed aqueous extracts on the germination of buckwheat seeds

2.1.2 凋落覆蓋物對出苗率的影響 不同惡性雜草凋落物覆蓋對蕎麥出苗率具有不同程度的影響，整體表現為隨著凋落物質量增加出苗率逐漸降低的趨勢（表2），且不同處理之間存在顯著差異（P＜0.05）.

表2 3種惡性雜草凋落物覆蓋對蕎麥出苗率的影響Tab.2 Effect of three noxious weed litter cover on the seedling emergence rate of buckwheat

當凋落物覆蓋量最大（5 g）時，辣子草、三葉鬼針草、土荊芥凋落物對蕎麥出苗率的抑制率分別為88.64%、91.45%和87.58%.由此可見，3種惡性雜草凋落物覆蓋影響了蕎麥種子的萌發過程，其作用過程與水浸提液的影響有一定的差異，綜合化感效應由大到小依次為辣子草（0.74）＞三葉鬼針草（0.61）＞土荊芥（0.38）.

2.2 3種惡性雜草水浸提液對根長的影響3種惡性雜草水浸提液對根系生長影響有一定的差異（圖1），但均與對照差異顯著（P＜0.05）.隨著辣子草和三葉鬼針草水浸提液濃度對蕎麥根長的影響，整體表現為“低濃度促進、高濃度抑制”的效應，根長分別在0.02 g／mL辣子草水浸提液處理和0.01 g／mL三葉鬼針草水浸提液處理下達到峰值；而在土荊芥水浸提液作用下，蕎麥根長且呈現濃度依賴性下降，其中在0.05 g／mL土荊芥水浸提液處理下，蕎麥根出現壞死現象，未統計到根長.根據化感作用綜合效應判斷，3種雜草對蕎麥根長的化感效應強度依次是土荊芥（0.71）＞三葉鬼針草（0.41）＞辣子草（0.22）.

圖1 3種惡性雜草水浸提液對蕎麥根長的影響Fig.1 Effect of three noxious weed aqueous extracts on root length of buckwheat

2.3 凋落物覆蓋對苗高和生物量的影響3種惡性雜草凋落物覆蓋對苗高的影響整體表現為抑制效應（表3），不同處理均與對照存在顯著性差異（P＜0.05），且具有質量依賴性效應.當覆蓋量最大（5 g）時，辣子草、三葉鬼針草和土荊芥凋落物對蕎麥地上部分生長的抑制率分別達54.32%、70.90%和25.61%.根據化感綜合效應可知，以三葉鬼針草的化感效應最強（0.55），辣子草次之（0.38），土荊芥最小（0.02）.

表3 3種惡性雜草凋落覆蓋物對蕎麥幼苗生長的影響Tab.3 Effects of three noxious weed litter cover on the growth of buckwheat seedlings

不同惡性雜草的凋落物覆蓋對幼苗生物量積累的影響不同（表3），但不同處理均與對照之間存在著顯著性差異（P＜0.05）.與對照相比，隨著辣子草和三葉鬼針草凋落物覆蓋量的增加，蕎麥的干質量和鮮質量呈現先增加后降低的趨勢；而在土荊芥凋落物影響下，蕎麥生物量整體表現為下降的趨勢.當凋落物覆蓋量最大（5 g）時，辣子草、三葉鬼針草和土荊芥凋落物覆蓋對蕎麥干質量的抑制率分別為47.83%、39.13%和26.09%，對鮮質量的抑制率分別為27.91%、39.53%和25.71%.根據化感綜合效應來看，三種雜草凋落物覆蓋對蕎麥生物量積累以土荊芥為最大（0.24），辣子草次之（0.12），三葉鬼針草最小（0.08）.

2.4 3種雜草化感效應的比較化感作用綜合效應分析表明，3種雜草對蕎麥的化感效應具有一定的差異，整體表現為三葉鬼針草＞辣子草＞土荊芥.蕎麥生長的不同階段和不同生長部位對雜草化感作用的敏感性不同，其中以種子萌發過程受影響最大，導致出苗率較低；在幼苗生長階段，雜草化感作用對根系生長大于地上部分生長，而生物量積累受到的影響比其他指標小.

3 討論

3.1 3種惡性雜草對蕎麥的化感效應植物釋放的化感物質通過多種途徑從植物表面轉移到土壤中，當積累到一定濃度后就會對周圍植物產生化感作用［19］.種子萌發是植物完成生活史或種群繁衍的先決條件，除了受種子活力、壽命、激素水平等內在因素影響以外，種子萌發還受多種環境因素影響［20］.本研究結果顯示，3種惡性雜草釋放到環境中的化感物質，作為環境因素之一強烈抑制了蕎麥的種子萌發過程，導致出苗率降低.發芽速度降低會降低植物在群落中的豐富度，發芽勢降低導致出苗延后，將嚴重影響植物對地上和地下資源的競爭能力［21］.陳峰等［22］等研究表明，化感物質可通過抑制胚生長、影響細胞結構、干擾種子中活性氧的產生與積累、打破種子內源激素平衡等方式調控種子萌發；根是植物吸收水分和營養物質的重要器官，其生理狀態直接反應周圍環境狀況［23］.植物釋放的化感物質以某些有毒害物質的前體存在，在一定條件下轉化為有毒物質，對周圍植物產生抑制作用［24］.本研究結果表明，3種惡性雜草的水浸提液對蕎麥根的生長具有顯著的抑制作用.且出現明顯的受害癥狀，如根加粗、呈黃褐色甚至壞死，這一癥狀隨著處理時間和濃度的增加而加劇，這與杜鳳移等［25］研究結果相似.許多化感物質都具有細胞毒性，化感物質對紡錘絲的形成［26］和細胞壁成分如纖維素的合成［27］均具有抑制效應，從而抑制了根尖細胞的分裂和伸長，導致根變短變粗.

辣子草、三葉鬼針草和土荊芥為一年生或多年生草本植物，每年均會產生大量的凋落物.凋落物分解過程中，既能產生植物生長所需的營養物質，也能產生有害的中間代謝產物［28］.此外，分解過程中釋放出來的化感物質通過改變受體的水分吸收、激素代謝、呼吸作用、光合作用、酶功能、信號轉導以及基因表達等多種生理過程，從而抑制植物生長［29］，如入侵植物假臭草（Praxelix clematidea）［30］和紫莖澤蘭（Eupatorium adenophorum）［31］的凋落物

能對周圍植物的生長產生抑制效應.本研究中，3種雜草的凋落物覆蓋明顯抑制了蕎麥的出苗、苗高、干質量和鮮質量，且表現為質量依賴效應，表明3種惡性雜草凋落覆蓋物可能影響了土壤中蕎麥種子萌發出苗過程中關鍵酶的合成或能量的產生［32］，從而抑制出苗，影響蕎麥幼苗的物質積累.蕎麥生長的不同階段對雜草化感作用的敏感性不同，本研究結果表明，種子萌發受影響最大，根系生長次之，幼苗地上部分的生長相對較弱.因此，在蕎麥播種之前，應充分清除雜草及其殘株，以免雨水淋溶或殘株腐解釋放的化感物質抑制種子萌發、導致出苗困難.

3.2 3種惡性雜草對蕎麥化感效應的差異由于不同植物種類所產生的次生代謝物質具有較大的差異，因此，生長在同一個生態系統的不同植物，對同一種受體產生的化感效應具有較大的差異.尾葉桉（Eualyptus urophyllaS.T.Blakely）水浸提液濃度與走馬胎（Ardisia gigantifoliaStapf）的株高、根長、生物量呈負相關，而與濕地松（Pinus elliottiiEngelm.）、杉 木［Cunninghamia lanceolate（Lamb.）Hook.］呈“低促高抑”關系［33］；在藥煙輪間作農田中，玄參（Scrophularia ningpoensis）、川明參（Chuanminsnshen violaceum）的水浸提液對煙草（Nicotiana tabacum）幼苗生長的影響具有明顯差異，前者具有“低濃度促進、高濃度抑制”效應，后者則為促進效應［34］.同時，植物的化感效應也會隨化感物質釋放的途徑而變化，如麻風樹（Jatropha curcas）的葉水溶性化感物質、葉腐解液和葉揮發性物質對紫莖澤蘭化感作用依次減弱［35］.本研究結果表明，3種惡性雜草的水浸提液對蕎麥種子萌發和根長的化感抑制效應表現為三葉鬼針草＞辣子草＞土荊芥；不同雜草的凋落物覆蓋對蕎麥生長的影響與水浸提液的影響具有一定的差異，表現為化感效應表現為辣子草＞三葉鬼針草＞土荊芥.推測其原因一是本研究中水浸提液作用部位主要是地下部分，而凋落物處理測定的指標偏重于地上部分，蕎麥不同部位對雜草化感作用的敏感性不同，二是3種惡性雜草凋落物在分解過程中，所釋放的化感物質進入土壤并參與復雜的土壤生態循環過程后，其存在形態、活性乃至生物學效應均發生了變化［31］，但是變化規律尚待后續研究進一步確認.