狼毒水浸液對山韭種子發芽及幼苗生長的化感作用

劉冠志， 劉利紅， 郭 嬌， 蘇慧媛， 蘭 慶， 劉果厚*

(1.內蒙古農業大學草原與資源環境學院， 內蒙古 呼和浩特 010019； 2. 赤峰市農學院， 內蒙古 赤峰 024000； 3. 內蒙古農業大學沙漠治理學院， 內蒙古 呼和浩特 010019； 4. 內蒙古自治區人民醫院中醫科， 內蒙古 呼和浩特 010017)

化感作用(Allelopathy)是植物向環境中釋放化學物質進而影響自身或其他有機體(包括植物、微生物及動物)的生長發育現象，是植物保持生存競爭優勢的一種適應機制[1]。植物以次生代謝的方式形成化感物質[2]，并通過自然揮發、淋溶、殘體分解及根系分泌等主要途徑將其釋放到環境中[3]。目前，關于植物化感作用的研究主要集中在農田生態系統管理、生物入侵、天然植被群落演替與空間格局等方面[4-10]。研究發現植物化感作用會從不同時空尺度(如植物的地理分布格局、防御過程、根際過程、土壤養分循環過程及微生物群落結構等)影響生態學過程[11]。從時間尺度看，化感作用被認為是植物為抵抗外界環境脅迫(如食草動物采食或種間競爭)所形成的一種防御或生態策略[12]，這種現象普遍存在于草原生態系統中，并以毒害草侵入的退化型草原為突出[11-13]。目前，基于植物化感作用的生態學過程研究，將會為毒害草引起的退化型草原生態系統的恢復提供理論參考，同時為更好地發揮化感作用的潛在應用價值以及草原生物多樣性的保護提供案例數據。

內蒙古草原蔥屬(Allium)植物十分豐富，是資源價值很高的植物類群，是構成草原植被的重要組成部分，在內蒙古草原形成替代性分布，并成為優勢種或特征種[14]。其中，山韭(A.senescens)為蔥屬的多年生草本植物，是草甸草原及典型草原的常見伴生種。其不僅具有極高的飼用價值，對牲畜秋季育肥、抓膘及防病治病有著重要作用，而且還可為人類食用和藥用[15]。狼毒(Stellerachamaejasme)為瑞香科狼毒屬多年生有毒草本植物，俗稱斷腸草、饅頭花、紅火柴頭花等，區系類型為蒙古-華北-青藏高原分布種[14]，分布于我國西北、西南、東北和華北各省，生境主要為石礫質、沙質的荒漠草原和典型草原及高山、亞高山草甸草原。其常為草原植物群落的伴生種，在退化嚴重的草原可成為優勢種[16]。狼毒在退化草原的蔓延導致草原質量變差、生產力降低，是我國草原生態系統平衡和畜牧業可持續發展的安全隱患[17]。研究表明，狼毒具有化感作用，主要表現為對其伴生植物的化感毒性，可能是導致群落結構變化和草原植被退化的原因之一[18]。狼毒不同器官(根、莖、葉)的不同溶液(水、乙醇等)提取物對其他野生植物或栽培作物均具有一定的化感作用，主要表現在影響其種子的發芽和幼苗的生長[19-20]，其根際土的水提物對其他牧草也具有化感作用[21]。此外，狼毒的化感作用會隨著年齡的增加而增強[22]。狼毒的化感毒性物質具有顯著的殺蟲活性及抑菌活性，在植物源農藥開發方面具有一定的應用前景和經濟價值[23]。目前，關于狼毒化感作用的研究多集中于對草原生態系統中優勢科植物，如禾本科與豆科植物[18-19,24]，而對草原生態系統中蔥屬常見伴生種化感作用的研究尚未有報道。本研究以狼毒為供體植物，探討其不同部位(根、莖葉)水浸液對山韭的種子發芽與幼苗生長的影響，為深入研究狼毒對牧草化感作用的機理提供新的資料。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

本試驗以3年生以上狼毒為供體材料，于2020年7月采自內蒙古正藍旗典型草原。將采集的新鮮狼毒植株體表面雜物進行清除，用清水洗凈后，再用蒸餾水清洗。將根、莖葉分離，自然風干后，分別粉碎成末，裝袋密封，貯藏備用。

水浸液的制備：將處理好的狼毒根、莖葉樣品與蒸餾水按50 mg∶1 mL配制，于25℃條件下浸泡24 h。然后先用紗布過濾，再用微孔濾膜進行二重過濾，以除去水浸液中的雜質，得到質量濃度為50 mg·mL-1的母液，最后將母液用蒸餾水稀釋為0.5，5，10，20 mg·mL-1的水浸液。4℃冰箱中保存備用。

1.2 種子發芽試驗

選取均勻飽滿的山韭的種子，于0.1%的高錳酸鉀溶液消毒10 min后，用蒸餾水反復沖洗數次，至高錳酸鉀完全洗凈。將50粒種子裝入放有雙層濾紙的培養皿(Φ=9 cm)中，分別加入10 mL質量濃度為0.5，5，10，20，50 mg·mL-1的水浸液及對照(CK)組溶液(蒸餾水，0 mg·mL-1)，試驗設3個重復。在培養箱中25℃培養15天，每天補充因蒸發而損失的水分，從第3天開始統計每日的種子發芽數量，以種子連續3天不再萌發的時間為末次計數時間，實驗結束后每個處理選取10株測定胚芽與胚根的長度。計算發芽率和發芽指數。

1.3 幼苗生長試驗

盆栽法進行幼苗生長試驗。取內蒙古農業大學試驗田耕作層(0～10 cm)土壤，去除草根與雜物，過篩(孔徑0.5 cm)后充分混勻，裝入培養盆(10 cm×15 cm)，每盆裝土400 g。再將經消毒處理的山韭種子播入盆中，每盆20粒，覆土0.5 cm，每盆最終定苗5株，每個處理3個重復盆，共設15個重復。幼苗生長4周后每10天澆施不同質量濃度的狼毒根、莖葉水浸液(0，0.5，5，10，20，50 mg·mL-1)，對照澆施蒸餾水，每次60 mL，共澆施4次，共培養60天。在試驗期間，根據盆土濕度情況同時進行等量少許補水。試驗結束后，直尺測幼苗的高度和根長，游標卡尺測量根徑(根的直徑)。

1.4 數據處理與分析

種子發芽率、發芽指數、化感效應指數的計算方法如下：發芽率=(發芽種子數/供試種子數)×100%；發芽指數=Σ(當日發芽數/相應的發芽日數)；參照Williamson等[25]的化感效應指數(Allelopathic response index，RI)：RI=1-C/T(T>C)或RI=T/C-1(T0促進作用，RI<0抑制作用。采用SAS 9.2統計軟件對處理組與對照組數據進行單因素方差分析(One-way ANOVA)，采用Duncan’ s檢驗法進行多重比較，對根與莖葉水浸液的化感作用強度進行獨立樣本t檢驗。采用Origin 2018軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 狼毒不同部位水浸液對山韭種子發芽的影響

如表1所示，狼毒根水浸液對山韭種子的發芽率、發芽指數、胚根長和胚芽長存在顯著影響(P<0.05)。在水浸液濃度為0.5，5和10 mg·mL-1時，山韭種子的發芽率和發芽指數與對照無顯著性差異，但在20和50 mg·mL-1時與對照具有顯著性差異(P<0.05)。當水浸液濃度為50 mg·mL-1時，山韭種子的發芽率為49.33%，發芽指數為2.83，與對照相比分別降低了43.94%和48.73%。在0.5和5 mg·mL-1的水浸液處理下，山韭種子胚根、胚芽的長度顯著高于對照，胚根、胚芽在0.5 mg·mL-1時具有最大生長量，分別為對照的1.88倍和1.35倍；在10和20 mg·mL-1的水浸液作用下，山韭種子胚根、胚芽生長與對照無顯著性差異；在50 mg·mL-1的水浸液作用下，山韭種子胚根、胚芽生長顯著小于對照(P<0.05)，僅為對照生長量的40.00%和39.47%。

狼毒莖葉水浸液也對山韭種子的發芽特征具有顯著的影響(P<0.05)，不同濃度水浸液處理的山韭種子的發芽率均顯著小于對照(P<0.05)，在水浸液濃度為50 mg·mL-1時，山韭種子的發芽率僅為11.33%，發芽指數為0.52，較對照下降了87.13%和89.74%。除0.5 mg·mL-1水浸液處理的種子的發芽指數與對照無顯著性差異外，其他處理均具有顯著性差異(P<0.05)。山韭的胚根、胚芽長在不同濃度狼毒莖葉水浸液作用下，受到了不同程度的影響。山韭胚根在0.5和5 mg·mL-1水浸液處理下的生長明顯長于對照，在0.5 mg·mL-1時胚根的生長量最大，為對照的1.71倍；隨水浸液濃度的增加胚根的生長量呈先增大后下降的變化，在50 mg·mL-1時，胚根的生長量顯著小于對照(P<0.05)，胚根的長度僅為對照的57.78%；山韭胚芽在0.5和5 mg·mL-1水浸液處理下的生長與對照無顯著性差異，在10，20和50 mg·mL-1時，胚芽的生長與對照存在顯著性差異(P<0.05)，且在50 mg·mL-1時，胚芽的長度僅為對照的28.57%。

2.2 狼毒不同部位水浸液對山韭幼苗生長的影響

不同濃度狼毒根水浸液對山韭幼苗生長的影響不同(表2)，隨著水浸液濃度的升高，山韭幼苗的株高、根長和根徑逐漸下降。其中，在0.5和5 mg·mL-1水浸液處理時，山韭幼苗株高和根長顯著大于對照(P<0.05)，0.5 mg·mL-1時株高和根長的生長量最大，分別為對照的1.30倍與1.31倍；而水浸液濃度為10，20和50 mg·mL-1時，幼苗的株高與對照無顯著性差異，10和20 mg·mL-1時幼苗的根長與對照也無顯著性差異，而50 mg·mL-1時根長顯著小于對照(P<0.05)。山韭幼苗根徑對不同濃度根水浸液的響應與對照均無顯著性差異。

表2 狼毒不同部位水浸液對山韭幼苗生長的影響Table 2 Effect of aqueous extracts from different parts of S. chamaejasme on the seedling growth of A. senescens

狼毒莖葉水浸液對山韭幼苗生長的影響分析表明(表2)，不同濃度水浸液處理下的山韭幼苗株高、根徑與對照無顯著性差異，但不同濃度水浸液之間具有顯著性差異(P<0.05)。水浸液濃度為0.5，5和10 mg·mL-1時的株高和根徑顯著大于50 mg·mL-1(P<0.05)，而三者之間無顯著性差異；20 mg·mL-1水浸液處理下的株高和根徑顯著小于0.5 mg·mL-1(P<0.05)。不同濃度水浸液處理對山韭幼苗根長的影響不同，0.5，5和10 mg·mL-1水浸液處理下的根長與對照無顯著性差異，而在20和50 mg·mL-1時的根長顯著大于對照及0.5，5和10 mg·mL-1水浸液處理(P<0.05)。

2.3 化感效應分析

化感效應指數(RI)可以反應植物間的化感作用，通常具有兩種表現，即RI為正值表示促進作用，負值則表示抑制作用[3]。通過分析狼毒植株根、莖葉水浸液對山韭種子發芽的化感效應指數可知(圖1)，狼毒根、莖葉水浸液對山韭種子的發芽率具有抑制作用，根、莖葉水浸液的抑制作用隨著水浸液濃度的增加逐漸增強(圖1A)。相同濃度下，莖葉水浸液對山韭種子發芽率的化感抑制作用顯著大于根(P<0.05)。狼毒根、莖葉水浸液對山韭種子發芽指數的化感效應與其發芽率相似(圖1B)，即隨著水浸液濃度的增加，根、莖葉水浸液對山韭種子發芽指數的抑制作用逐漸增強。而相同濃度下，僅有5和10 mg·mL-1時莖葉水浸液的抑制作用顯著大于根水浸液(P<0.05)。

狼毒根、莖葉水浸液對山韭種子胚根的化感效應顯示(圖1C)，0.5和5 mg·mL-1根、莖葉水浸液對山韭種子的胚根長均具有促進作用，20和50 mg·mL-1時同時具有抑制作用，10 mg·mL-1根、莖葉水浸液具有不同的化感效應，前者具有一定的促進作用，后者則表現為抑制作用。在5 mg·mL-1時根水浸液對山韭種子胚根生長的化感促進作用顯著大于莖葉水浸液(P<0.05)。狼毒根、莖葉水浸液對山韭種子胚芽的化感效應顯示(圖1D)，0.5和5 mg·mL-1根、莖葉水浸液均具有促進作用，且根水浸液的促進作用顯著強于莖葉水浸液(P<0.05)；10，20和50 mg·mL-1時均表現為不同程度的抑制作用，10 mg·mL-1時根水浸液的抑制作用顯著小于莖葉水浸液(P<0.05)。

圖1 狼毒不同部位水浸液對山韭種子發芽的化感效應Fig.1 Allelopathic effects of aqueous extracts from different parts of S. chamaejasme on the seed germination of A. senescens注：*表示各指標在同一濃度根水浸液與莖葉水浸液處理下具有顯著差異(P<0.05)。下圖同Note:* Represents significant difference between the indexes under the same concentration of aqueous extracts from root and stem and leaf at the 0.05 level. The same as below

狼毒根、莖葉水浸液對山韭幼苗生長的化感效應指數對比分析(圖2)，根、莖葉水浸液對山韭幼苗株高(圖2A)、根長(圖2B)與根徑(圖2C)均在0.5，5和10 mg·mL-1時表現出促進作用，在20和50 mg·mL-1時表現出抑制作用。相同濃度下，狼毒根水浸液在5 mg·mL-1濃度時對山韭幼苗株高的促進作用顯著大于莖葉水浸液(P<0.05)，在0.5和10 mg·mL-1濃度時對山韭根長的促進作用顯著大于莖葉水浸液(P<0.05)，莖葉水浸液在20和50 mg·mL-1濃度時對山韭幼苗根長的抑制作用顯著大于根水浸液(P<0.05)。

圖2 狼毒不同部位水浸液對山韭幼苗生長的化感效應Fig.2 Allelopathic effects of aqueous extracts from different parts of S. chamaejasme on the seedling growth of A. senescens

3 討論

研究發現，狼毒根、莖葉水浸液均對山韭種子的發芽率、發芽指數、胚根長和胚芽長具有顯著的影響。在種子萌發時，除0.5，5和10 mg·mL-1濃度的根水浸液對山韭種子的發芽率與發芽指數無顯著抑制作用外，其他濃度下的狼毒根、莖葉水浸液對其均具有顯著的抑制作用(P<0.05)，且抑制作用強度與濃度成正相關關系。這與前人的研究結果一致[26]。同時，周淑清[19]與劉雅婧等[20]分別通過狼毒對紫花苜蓿(Medicagosativa)種子發芽的化感抑制強度與水浸液濃度的關系進行了印證。大量研究表明植物體不同部位的化感效應有所差異[27-29]。本研究發現狼毒根與莖葉的化感作用也存在明顯的差異。同時，研究發現狼毒莖葉水浸液對山韭種子發芽的抑制作用強于根水浸液，這與狼毒對豆科牧草種子萌發的研究結果相反。周淑清[19]研究發現狼毒根水浸液抑制沙打旺(Astragalusadsurgens)種子萌發的強度大于莖葉水浸液，同時通過土壤腐解試驗證明狼毒根對紫花苜蓿的化感抑制作用大于莖葉[30]。這說明植物化感作用的強弱不僅與其產生部位有關，還與作用植物的種類有關。

當山韭種子萌發后，狼毒根、莖葉水浸液對山韭種子的胚根、胚芽的生長均具有“低促高抑”的作用。該結果不同于狼毒對紫花苜蓿和沙打旺等豆科植物的化感作用變化規律，即狼毒水浸液對紫花苜蓿和沙打旺種子胚根的伸長具有明顯的抑制作用，且隨著濃度的增加逐漸增強[19]。在0.5和5 mg·mL-1濃度的根、莖葉水浸液對胚芽的生長均具有明顯的促進作用，而根水浸液對胚芽生長的促進作用顯著大于莖葉水浸液。這一結果前人的相關研究相同[31-32]，可能是因為植物不同組織或部位對化感物質的敏感程度不同所導致。對比相同濃度下化感效應指數，狼毒對山韭種子胚根和胚芽的化感作用總體呈現規律性變化，即低濃度(0.5，5和10 mg·mL-1)下，根水浸液的促進作用強于莖葉水浸液，而高濃度(20和50 mg·mL-1)下，莖葉水浸液抑制作用強于根水浸液。

隨著山韭幼苗的生長，不同濃度狼毒根、莖葉水浸液對其化感作用也具有明顯差異，低濃度(0.5，5和10 mg·mL-1)水浸液對山韭幼苗株高、根長與根徑均具有促進作用，高濃度(20和50 mg·mL-1)具有抑制作用。研究表明，狼毒水浸液對紫花苜蓿[20]、新麥草(Psathyrostachysjuncea)[24]、高粱(Sorghumbicolor)和燕麥(Avenasativa)[33]等幼苗生長的化感作用也具有“低促高抑”的現象。劉利紅[34]證明了狼毒根、莖葉腐解物對扁蓿豆(M.ruthenica)、草木樨狀黃芪(A.melilotoides)與沙蘆草(Agropyronmongolicum)幼苗生長具有化感促進作用，且莖葉的化感作用強于根，這與本研究的結果有所差異。本研究發現低濃度(0.5，5和10 mg·mL-1)下，狼毒根水浸液對山韭幼苗生長的化感促進作用大于莖葉水浸液，高濃度(20和50 mg·mL-1)下莖葉水浸液的化感抑制作用大于根水浸液。由于某些植物具有多種化感物質釋放方式[3]，這可能與兩種試驗所模擬的化感途徑不同有關，分別模擬了狼毒殘株腐解與雨霧淋溶的化感物質釋放途徑。

化感作用的本質是一種植物通過釋放化感物質來影響另一種植物的生長發育，可能會影響到植物的部分甚至全部生長過程[3]。本研究發現，狼毒對山韭的化感作用存在于其種子萌發和幼苗生長的全部過程，其不同部位(根、莖葉)對山韭不同的生長發育階段所存在的化感作用也不同。總體來看，狼毒在山韭種子的萌發階段主要抑制其發芽，但在胚根和胚芽突破種皮至幼苗生長階段則表現為低濃度的促進和高濃度抑制作用。本研究結果或許可以為毒害草型退化草原修復尋找替代防控植物提供數據資料。早在20世紀80年代，Putnam等[35]開創性的在農業生態系統中運用化感作用進行田間雜草防除，對各種作物的化感作用進行了評估，并篩選出一些可以控制常見雜草的作物。隨后，基于植物化感作用的農田管理措施和種植模式等陸續展開，并取得良好的效益。這也為當前草原生態修復提供了有益參考。雖然化感作用在草原生態系統中的研究已經取得顯著成就，但相關研究還處于初始的驗證化感效應、化感物質的分離和鑒定等方面[11]。本研究也屬草原植物化感作用初始驗證范疇，為下一步篩選、利用和開發替代防控狼毒的鄉土植物奠定理論基礎，今后將繼續開展百合科蔥屬植物化感作用在不同時空尺度生態學過程的相關機制研究。

4 結論

狼毒對山韭的種子發芽與幼苗生長具有明顯的化感作用，且隨著山韭種子的萌發，胚根、胚芽的伸長，乃至幼苗的生長呈現一定的變化規律。在種子萌發階段，狼毒根、莖葉水浸液均對山韭種子的發芽率和發芽指數具有抑制作用，且隨濃度的增加逐漸增強，最大可分別降低發芽率達43.94%和87.13%；胚根、胚芽的伸長到幼苗的生長階段，不同濃度狼毒根、莖葉水浸液對山韭種子胚根、胚芽及幼苗的生長具有“低促高抑”的作用，即低濃度(0.5，5和10 mg·mL-1)水浸液對其具有促進作用，高濃度(20和50 mg·mL-1)具有抑制作用。不同部位的化感效應比較分析表明，狼毒對山韭的種子發芽與幼苗生長的化感作用具有部位和濃度的差異。狼毒莖葉水浸液對山韭種子發芽的抑制作用強于根水浸液；對山韭種子胚根、胚芽及幼苗生長的化感作用表明，低濃度根水浸液的化感促進作用強于莖葉水浸液，而高濃度莖葉水浸液的化感抑制作用強于根水浸液。