幼苗期化感水稻與非化感水稻響應稗草脅迫的初步研究

王婕妤,李書燕,童建華,柏連陽,*,彭 瓊,*

(1.湖南大學研究生院隆平分院,中國湖南 長沙 410125;2.湖南省農業科學院農業生物技術研究所,中國湖南 長沙 410125;3.湖南農業大學植物激素與生長發育湖南省重點實驗室,中國湖南 長沙 410128)

近年來,由于水稻種植方式由傳統的人工移栽迅速向輕簡化、機械化、規模化方式轉變,施用化學除草劑防除水田雜草幾乎已成為廣大水稻種植戶唯一的依賴。然而,長期重復使用單一除草劑易導致稻田雜草對除草劑產生抗藥性[1～2]。抗性雜草的產生嚴重危害著農田生態系統。

稗草(barnyardgrass,學名Echinochloa crusgalli L.Beauv.)是湖南省乃至全國范圍內稻田中最主要的惡性雜草之一,持續威脅著水稻的產量與品質。稗草不僅與水稻競爭水分、養料和光照等,還嚴重影響水稻干物質的積累[3],導致水稻有效穗數、千粒重等隨稗草密度的增加而降低[4],甚至還會造成水稻生理生化方面的變化,最終導致水稻產量的損失[5～6]。目前,湖南省內的稗草對二氯喹啉酸的抗藥性水平日益增加[7]?？剐园薏輰λ井a量的影響因水稻類型、稗草種類而異,減產幅度最高可達60.6%[6]。利用水稻的化感作用實現稻田抗性雜草的有效控制是生態安全條件下農田雜草綜合防治的新思路。種植化感水稻的同時配合良好的綜合栽培管理措施,可以較好地抑制稻田中多數雜草的生長,且不影響化感水稻的產量[8]。

基于化感水稻可以抑制雜草生長的理論,以往的研究多集中于水稻中化感物質和相關基因的分離、鑒定以及化感水稻對稗草的干擾等方面[9～12]。然而,水稻感知到稗草威脅時是怎樣改變其行為策略的？稗草伴生條件下,化感水稻和非化感水稻的表型可塑性響應又有何差異？基于以上問題,本研究選用國際公認的化感水稻品種PI312777(PI)、非化感水稻品種Lemont(LE)及稗草(E.crusgalli)為試驗材料,研究水稻苗期(3葉期)化感品種和非化感品種應對稗草脅迫時的株高、生物量及根系構型的變化,同時探討水稻植株中特征性植物激素的變化規律,分析化感水稻及非化感水稻響應稗草脅迫的生理差異,為水稻抗草新品種選育、作物優質高產和開拓農田雜草綠色治理新途徑提供一定的理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試驗地點

供試水稻品種是國際公認的化感水稻品種PI312777(簡稱PI)和非化感水稻品種Lemont(簡稱LE),二者均由江蘇省農業科學院李永豐研究員提供。供試稗草為湖南省內篩選得到的具有二氯喹啉酸高抗藥性水平的生物型。

試驗在湖南省農業科學院實驗大樓三樓東面大坪的玻璃房內(晝夜溫度為30℃/20℃,濕度為58%)進行。試驗土壤為田間所取的水稻種植土,曬干后錘碎、過篩、去除雜質,土壤有機質28.37 g/kg、速效磷2.30 mg/kg、速效氮131.00 mg/kg、速效鉀150.00 mg/kg、全氮 1.67 g/kg、全磷 0.85 g/kg、全鉀17.40 g/kg,pH為6.2。

1.2 試驗設計

試驗采用水稻單種、水稻與稗草按1∶1比例混種兩種種植方式,兩個水稻品種共4個處理,分別標記為T1:兩株化感水稻單種;T2:1株化感水稻與1株稗草伴生;T3:兩株非化感水稻單種;T4:1株非化感水稻與1株稗草伴生。每個處理共種植4盆,在取樣后選擇長勢一致的3株做3次重復。

為了方便獲得地下部分數據,本研究采用根箱試驗,并參照楊雪芳[11]的方法略作改進。具體改進如下:取800 g混好的土壤裝入根箱中;將立針期的水稻和剛露白的稗草種子各1粒種植于根箱區域三等分的兩個節點上。

1.3 植株生物學參數測定

水稻3葉期時其根系基本接近根箱底部。此時,分別收獲水稻和稗草的地上部分,測定水稻地上部分的株高和鮮重。將所取樣本用液氮研磨后放入-80℃冰箱冷凍保存,用于植物激素含量測定。

水稻和稗草的根系放置于100目篩上,用流動的自來水仔細清洗,并用鑷子挑除雜質。清洗干凈后,吸干根系多余水分,進行根系掃描。掃描結束后,分別稱量水稻和稗草地下部分的生物量。

1.4 植物激素測定

將植株地上部分經液氮速凍后研磨成粉,參照Zhou等[13]的方法進行吲哚乙酸(indole-3-acetic acid,IAA)、脫落酸(abscisic acid,ABA)、茉莉酸(jasmonic acid,JA)、水楊酸(salicylic acid,SA)4 種植物激素的提取和測定。

1.5 數據處理

根箱試驗中所得到的植株根系通過Scan-Maker i800 plus掃描儀(上海中晶科技有限公司)掃描后,利用LA-S植物圖像分析儀系統(杭州萬深檢測科技有限公司)處理掃描圖像,計算出根系的總根長、總表面積、總體積、平均直徑和根尖數。本試驗獲得的數據采用SPSS 25.0(SPSS Inc.,Chicago,USA)進行統計分析,制圖軟件為Excel 2010。

2 結果

2.1 稗草伴生對水稻株高的影響

兩個水稻品種的株高對稗草伴生的響應不同(圖1)。無論是單種處理還是稗草伴生處理,化感水稻PI的株高均顯著高于非化感水稻LE。稗草伴生對PI株高的影響不大,單種處理和伴生處理間差異不顯著。然而,在稗草伴生條件下,LE的株高反而增加了14.23%,與LE單種處理時的株高呈顯著差異。

圖1 稗草伴生對水稻株高的影響圖中數據表示為平均值±標準誤,不同小寫字母表示差異達到5%顯著水平(最小顯著差異法)。圖2、圖3類似。Fig.1 Effects of barnyardgrass on plant height of allelopathic and non-allelopathic riceValues are expressed as mean±standard error.Different small letters mean significant difference at 0.05 by least significant difference test.The same statistical analysis was used in Fig.2 and Fig.3.

2.2 稗草伴生對水稻生物量的影響

圖2的結果顯示:在單種處理條件下,化感水稻PI的地上生物量和地下生物量均顯著高于非化感水稻LE。稗草伴生對PI和LE地上生物量的影響不大。稗草的伴生生長導致PI的地下生物量與單種處理相比顯著增加了8.36%;LE的地下生物量也增加了5.74%,但與單種處理相比無顯著差異。

圖2 稗草伴生對水稻生物量的影響Fig.2 Effects of barnyardgrass on biomass of allelopathic and non-allelopathic rice

2.3 稗草對水稻根系構型的影響

水稻化感品種和非化感品種的根系構型對稗草伴生的響應也不同。從表1可知,單獨生長時,PI的總根長、根總表面積、根總體積及根尖數均顯著高于LE,而PI與LE根系的平均直徑之間并無顯著差異;在稗草伴生生長的條件下,PI的總根長、根總表面積、根總體積及根尖數也均顯著高于LE,而二者根系的平均直徑之間也無顯著差異。

表1 稗草伴生對化感水稻和非化感水稻根系構型的影響Table 1 Effects of barnyardgrass on root development of allelopathic and non-allelopathic rice

與單獨生長相比,稗草伴生導致PI根系的總長、總表面積、總體積和根尖數分別顯著增加了4.08%、8.68%、9.36%和7.26%;PI根系的平均直徑也同樣具有增加的趨勢,但與單獨生長相比無顯著性差異。

與單獨生長相比,稗草伴生對LE根系的總長和平均直徑均無顯著影響。然而,稗草伴生導致LE根系的總表面積、總體積和根尖數分別顯著增加了14.12%、9.52%、8.49%。

2.4 稗草伴生對水稻內源植物激素的影響

單獨生長時,化感水稻PI中IAA和JA的含量均顯著高于非化感水稻LE(圖3A、D),而ABA和SA的含量在兩個水稻品種間無顯著差異(圖3B、C)。稗草伴生時,PI和LE中IAA、ABA的含量與單種處理時的差異均不顯著。此外,在稗草伴生處理的兩個水稻品種中,SA和JA含量的變化趨勢大致相同,主要表現為:PI中SA含量較之單種處理顯著增加了15.93%,而JA含量較之單種處理顯著降低了81.19%;稗草伴生導致LE中SA含量顯著增加了33.63%,而JA含量顯著降低了79.31%。稗草伴生導致LE中SA含量的增加幅度是PI的2.1倍。

圖3 稗草伴生對水稻內源植物激素含量的影響Fig.3 Effects of barnyardgrass on phytohormone contents in allelopathic and non-allelopathic rice

3 討論

植物適應復雜多變的環境脅迫是其維持物種生存、繁育的主要本領之一。同一基因型的植物在適應不同環境時具有不同的表現型(表型可塑性);表型可塑性較強的植物在應對環境變化時能夠獲得更大的生存優勢[14]。那么苗期水稻是如何通過表型可塑性來響應稗草的脅迫呢？從本研究看來,在苗期水稻和稗草混種的條件下,化感水稻品種和非化感水稻品種表現出的表型可塑性存在很大的差異。

面對稗草伴生的脅迫,成熟的水稻化感品種和非化感品種在形態特征(株高、生物量)及其對稗草根區土壤養分影響等方面的差異,影響了其自身對伴生稗草的競爭能力[15]。在本研究中,稗草伴生對化感水稻PI的株高影響不大,這與孫備等[15]的研究結果相符。但在稗草伴生條件下,非化感水稻LE的株高急劇增加,這與孫備等[15]的研究結果相反。我們推測可能是因為非化感水稻的品種和測定時期不同,當存在稗草競爭時,3葉期非化感水稻LE選擇增加株高以期獲得更多的生長競爭優勢。

在本研究中,化感水稻PI和非化感水稻LE的地上及地下生物量的比較結果顯示,無論是單種還是伴生處理,化感水稻PI的地上、地下生物量均顯著高于非化感水稻LE,說明化感水稻PI較非化感水稻LE具有更強的自身抵抗能力。另外,當存在稗草與水稻的種間競爭時,化感水稻PI和非化感水稻LE地上生物量的變化不明顯,但是化感水稻PI的地下部分生物量顯著增加,表明化感水稻PI較非化感水稻LE對稗草的地下競爭優勢更為顯著。該結果與楊雪芳[11]的研究結果一致,說明化感水稻對稗草生長的抑制不是以犧牲地下部分的生長為代價的。

總根長、根總表面積、根總體積、根平均直徑和根尖數是反映根系生長狀況的重要指標,根系的生長狀況決定了植物的養分吸收能力。吳云艷等[16]研究發現,雜草稻的競爭導致栽培稻根質量、根體積、根冠比、根傷流速率、根系吸收面積、單位根質量氧化力、單株根系氧化力等顯著降低,且降低程度隨雜草稻密度的增大而加劇。那么,化感水稻和非化感水稻在響應稗草伴生時的根系構型又有哪些改變呢？在本研究中,單獨種植時,化感水稻PI的總根長、根總表面積、根總體積及根尖數均顯著高于非化感水稻LE,這與文中化感水稻PI在株高、地下生物量等方面優于非化感水稻LE的結果相吻合。在稗草伴生情況下,兩個供試水稻品種的根系平均直徑無顯著變化,表明稗草的競爭性生長并未影響水稻根系的平均直徑。另外,與稗草伴生后,化感水稻PI的總根長、根總表面積、根總體積及根尖數均有不同程度的增加,從而使得伴生處理后其地下生物量顯著增加;與之類似,非化感水稻LE同樣顯著增加了根總表面積、根總體積及根尖數,以實現稗草伴生下土壤養分的爭奪,從而滿足自身生長需求。但是,在稗草伴生后,非化感水稻LE的根系生長能力仍不及化感水稻PI。這一結果與已有研究結果[16]不符,我們推測可能是由于水稻品種、雜草種類和測定時期不同。

植物激素交互作用共同調控植物的生長發育[17]。稗草伴生影響著水稻生長,勢必造成水稻植株內植物激素水平的劇烈變化。在本研究中,單獨種植時,與非化感水稻LE相比,化感水稻PI具有較高水平的IAA和JA,表明化感水稻PI具有較強的生長勢和抗逆能力。稗草伴生時,兩個水稻品種中的IAA和ABA含量與單種處理時相比,差異均不顯著,說明化感水稻PI和非化感水稻LE體內的IAA、ABA對稗草的生物脅迫不敏感。JA和SA是植物應對生物脅迫和非生物脅迫的兩個重要信號分子[18]。本研究表明,稗草伴生導致化感水稻PI和非化感水稻LE體內的SA含量顯著增加,而JA含量明顯下降,且SA含量變化較緩,JA含量變化較快;另外,化感水稻PI體內JA的降幅略大于非化感水稻LE,而非化感水稻LE中SA的增加幅度是化感水稻PI的2.1倍。由此可見,水稻在應對稗草脅迫時優先調節JA含量而后調節SA含量,以應對脅迫反應;在SA水平上,非化感水稻對稗草生物脅迫的響應更為強烈,說明化感水稻對稗草脅迫的抵抗能力高于非化感水稻。