小蓬草水浸液對2種花卉種子萌發及幼苗生長的化感作用

胡 緩,何松林,張晉瑞,賈文慶,張翔宇,邱永杰

(河南科技學院,河南新鄉 453000)

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)生長發育的現象,是植物保持生存競爭優勢的一種適應機制[1]。植物通過化感作用來增強自身的競爭能力,在一定程度上影響植物群落組成、演替、更新以及群落內物種的分布格局,成為近年來學者的關注熱點[2]。曾凱等[3]研究認為,2種灌木根系水浸提液對受試經濟牧草植物生長具有顯著的化感效應,且基本表現出低促高抑的規律。蔣智林等[4]發現,4種菊科入侵植物對狗牙根會產生較強的抑制作用。李金鑫等[5]報道,巴茅草葉水浸液化感作用強于莖稈水浸液,且葉水浸液處理后的受體植物發芽指數和生物量均顯著低于莖稈水浸液處理。

小蓬草(Conyzacanadensis)為菊科(Compositae)白酒草屬(Conyza)[6-7]一年生草本植物[8],是中國分布最廣的入侵物種之一。小蓬草種子量大,適應能力強,繁殖快,容易對其他植物生長產生影響,具有細胞毒性、抑菌和除草活性[9]。波斯菊(Cosmosbipinnatus)為菊科 (Compositae) 秋英屬 (Cosmos)的一年生或多年生草本,其葉形雅致,花朵輕盈艷麗,是城市綠化、花化的重要園林材料之一。觀賞油菜(BrassicajunceaL.)為十字花科、蕓薹屬植物,原產于中國,并在南北方廣泛種植,主要作觀賞及綠肥應用。2種草本花卉的生長過程中避免不了雜草的入侵,生產上一般利用刈割、增加植株密度等農藝措施防治雜草,雖在短期有效,但不能長期抑制雜草生長,且需耗費大量人力物力[10-11]。因此,研究小蓬草對草本花卉的化感作用,對揭示入侵雜草與草本花卉之間的競爭關系具有重要意義。

目前對于小蓬草的化感作用研究僅有少量報道,如許桂芳等[12]研究發現小蓬草水浸提液對小麥種子具有顯著抑制作用,對油菜和白菜種子具有低促高抑的化感作用,濃度為0.05 g/mL時具有促進作用,濃度達到0.40 g/mL時具有抑制作用。楊莉等[13]研究發現經加拿大蓬水浸提液處理的玉米植株有矮化、弱化的趨勢,生物量積累受阻,單株減產可達27.46%。而關于小蓬草不同部位浸提液對草本花卉化感作用的系統研究鮮見報道。

本試驗擬以菊科植物小蓬草為研究對象,以北方常見的2種草本花卉波斯菊、觀賞油菜為受體植物,研究小蓬草不同部位不同濃度水浸提液對受體植物種子萌發、幼苗生長和相關酶活性及丙二醛含量的影響,以期為花卉植物大規模應用提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試植物小蓬草采于河南科技學院周邊農田,受體植物波斯菊、觀賞油菜種子由市場購買所得。

1.2 小蓬草浸提液制備

參考李文紅等[14]的試驗方法,選擇生長良好的小蓬草,挖取完整的植株。采集的小蓬草先用流水將整株沖洗干凈并摘除枯葉,將根與葉分開后,用蒸餾水清洗3遍,室內自然晾干后粉碎,然后按照100 g/L的濃度分別加入蒸餾水浸提,4 ℃下冷藏靜置48 h,之后用2層細紗布與濾紙進行過濾,所得溶液即為浸提液母液,之后按比例將母液稀釋至25,50,75,100 g/L等濃度的根、葉浸提液,4 ℃冰箱中保存備用。

1.3 種子萌發及幼苗生長試驗

選取籽粒飽滿、大小均一的波斯菊、觀賞油菜種子,置于鋪有2層濾紙的滅菌培養皿中,每個培養皿放50粒,5個重復。

分別向培養皿中加入25,50,75,100 g/L的小蓬草葉、根浸提液4 mL,對照組加入等量蒸餾水,置于恒溫培養箱(25±1) ℃中培養,每24 h觀察記錄2種花卉種子萌發情況(以胚芽突破種皮1～2 mm為基準[15]),至種子不再萌發。萌發期定時添加適量浸提液或蒸餾水,保持濾紙濕潤。其間取樣進行相關指標測定。

1.4 測定指標及方法

1.4.1 種子萌發和幼苗生長指標

萌發5 d后調查計算種子發芽勢(Gp),10 d后調查計算發芽率(Gr),并測量幼苗的根長和莖長,重復測量3次,以此計算萌發相關指數以及其化感效應指數:

Gr=(n10d/N)×100%

(1)

Gp=(n5d/N)×100%

(2)

Gf=(Gf,CK-Gr,T)/Gr,T×100%

(3)

式中:n10d為10 d后長成正常幼苗種子數量;n5d為5 d后發芽種子總數;N為供試種子數量;Gf為發芽抑制率;Gr,CK為對照種子發芽率;Gr,T為處理種子發芽率。

化感效應指數(response index, RI)參照Williamson和Richandson[16]的方法計算:

GRT=1-GC/GT(GT≥GC)或

GRI=GT/GC-1(GT

(4)

式中:GC為對照值;GT為處理值;GRI為化感效應指數,GRI>0為促進,GRI<0為抑制,絕對值的大小表示作用強度大小,GRI值處理參照馬瑞君等[17]的方法。

1.4.2 幼苗抗氧化酶活性和丙二醛含量

在種子發芽5 d、10 d、14 d測定其超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)活性及丙二醛(MDA)含量,比較整個發芽期各指標的差異。SOD活性測定采用氮藍四唑(NBT)法[18],POD活性測定采用愈創木酚比色法[19],CAT活性采用紫外吸收法測定[20],MDA含量采用硫代巴比妥酸法測定[21]。

1.5 數據處理

將測得的數據用Excel 2016進行統計整理,用DPS 2006進行數據顯著性與規律性分析。

2 結果與分析

2.1 小蓬草水浸提液對2種花卉種子發芽率和發芽勢的影響

表1顯示,L25和R25處理的波斯菊和觀賞油菜種子發芽率均高于相應CK,相應化感效應指數(RI)均為正,表現出促進效應,但僅波斯菊增幅達到顯著水平;L50處理波斯菊和R50、R75處理觀賞油菜的種子發芽率與相應CK相近,其余濃度根、葉浸提液處理波斯菊和觀賞油菜種子發芽率均顯著低于相應CK,它們的RI均為負值,表現出抑制效應。隨著根、葉浸提液濃度的增加,波斯菊和觀賞油菜種子發芽率均逐漸降低,波斯菊在各濃度處理間均差異顯著,觀賞油菜僅在葉浸提液處理間差異顯著。R25和R50處理波斯菊的發芽率均顯著低于相應的L25和L50處理,R25處理觀賞油菜的發芽率也稍低于相應的L25處理,而其余濃度根浸提液處理的波斯菊和觀賞油菜發芽率均顯著高于相同濃度的葉浸提液處理(P<0.05)。可見,小蓬草根、葉浸提液對波斯菊和觀賞油菜的發芽率具有低促高抑的濃度效應,且濃度越高抑制作用越強。

表1 小蓬草浸提液處理下波斯菊、觀賞油菜幼苗種子萌發的變化

同時,從表1可知,波斯菊和觀賞油菜種子發芽勢在L25處理下與相應CK無顯著差異,在其余濃度小蓬草根、葉浸提液處理下均比相應CK顯著降低(P<0.05)。隨著根、葉浸提液濃度的增大,波斯菊、觀賞油菜的發芽勢均呈逐漸降低的趨勢,且各濃度之間多差異顯著;在相同浸提液濃度下,波斯菊和觀賞油菜種子發芽勢大多表現為葉浸提液處理顯著高于根浸提液處理;波斯菊和觀賞油菜種子發芽勢的化感效應指數均為負值,并隨著根、葉浸提液濃度的增加而逐漸下降,且根浸提液處理的降幅大于葉浸提液處理。

另外,總體從發芽抑制率來看,小蓬草根、莖浸提液對波斯菊和觀賞油菜種子萌發的抑制作用均隨著浸提液濃度的增加而逐漸增加,均表現為在低濃度(25 g/L)有促進效應,在中高濃度(50～100 g/L)有抑制效應,葉浸提液的抑制作用高于同濃度的根浸提液,對波斯菊的化感作用大于對觀賞油菜的化感作用。

2.2 小蓬草浸提液對2種花卉幼苗下胚軸和上胚軸長的影響

波斯菊和觀賞油菜幼苗的上、下胚軸長在小蓬草根、莖浸提液處理下存在明顯差異(圖1)。

圖1 小蓬草根、葉浸提液處理下波斯菊(A)和觀賞油菜(B)幼苗胚軸生長的變化

其中,L25、L50、R25、R50處理的波斯菊和L25處理的觀賞油菜下胚軸長均高于相應CK,它們的RI也為正值,表現促進效應,但僅觀賞油菜增幅達到顯著水平;R75和L75、L100處理波斯菊和L50處理觀賞油菜的下胚軸長均稍低于相應CK,其余濃度根、葉浸提液處理波斯菊和觀賞油菜下胚軸長均顯著低于相應CK,它們的RI也均為負值,表現出抑制效應。

隨著根或者葉浸提液濃度的增加,波斯菊和觀賞油菜下胚軸長均逐漸降低,且在各濃度處理間多差異顯著(P<0.05);在相同濃度下,觀賞油菜下胚軸長RI均表現為根浸提液小于相應葉浸提液,即根浸提液的化感抑制效應比葉浸提液更大(表2)。

表2 小蓬草根、葉浸提液處理下2種花卉幼苗下胚軸和上胚軸長的變化

同時,從表2可知,僅R25和L25處理觀賞油菜的上胚軸長高于相應CK,其余濃度處理波斯菊和觀賞油菜上胚軸長均顯著低于相應CK,它們RI均為負值;隨著小蓬草根、葉浸提液濃度的增大,波斯菊和觀賞油菜的上胚軸長呈逐漸降低的變化趨勢,且各濃度處理之間大多差異顯著;在相同濃度處理下,波斯菊和觀賞油菜上胚軸長大多表現為葉浸提液處理顯著高于相應的根浸提液處理,其RI也高于相應的根浸提液處理。可見,小蓬草根、葉浸提液對波斯菊和觀賞油菜的上下胚軸長也具有低促高抑的濃度效應,且濃度越高抑制作用越顯著。

2.3 小蓬草浸提液對2種花卉幼苗抗氧化酶活性的影響

首先,圖2,A顯示,波斯菊幼苗的SOD活性僅在R50處理下顯著高于CK,在其余處理下均顯著低于CK,而觀賞油菜幼苗的SOD活性在各處理下均不同程度高于CK,且除L75和L100處理外增幅均達到顯著水平;隨著根或者葉浸提液濃度的增加,波斯菊幼苗SOD活性表現出降低趨勢,且在各濃度處理間大多差異顯著,而觀賞油菜幼苗SOD活性有先升后降趨勢,均以R50或L50處理最高,R100或L50處理最低,且與最高處理間差異顯著;在相同濃度處理下,根浸提液處理波斯菊和觀賞油菜幼苗的SOD活性均高于相應的葉浸提液處理,且差異多達到顯著水平(P<0.05)。可見,小蓬草根、葉浸提液對波斯菊SOD活性多有顯著抑制作用,而對觀賞油菜具有顯著促進作用,且濃度越高抑制作用越強,促進作用隨之降低。

圖2 小蓬草根、葉浸提液處理下2種花卉抗氧酶活性的變化

其次,從圖2,B可知,波斯菊幼苗的POD活性僅在R25處理下顯著高于CK,在其余處理下均顯著低于對照,且隨著浸提液濃度的增加而逐漸降低;觀賞油菜POD活性在R50處理下顯著高于CK,在L25和R25處理下與CK無顯著差異,在其余濃度小蓬草根、葉浸提液處理下均顯著低于CK(P<0.05);觀賞油菜的POD活性隨著根浸提液濃度的增大而先升后降,隨著葉浸提液濃度的增大而逐漸降低,且各濃度之間大多差異顯著;在相同浸提液處理濃度下,波斯菊和觀賞油菜POD活性大多表現為根浸提液處理顯著高于葉浸提液處理。

另外,從圖2,C來看,波斯菊幼苗的CAT活性在R25、R50和L50處理下顯著高于CK,在R75和R50處理下與對照無顯著差異,在其余濃度葉浸提液處理下顯著降低;在相同處理濃度下,波斯菊幼苗的CAT活性始終表現為根浸提液顯著高于相應葉浸提液處理。觀賞油菜幼苗的CAT活性僅在L75處理下顯著高于CK,在L100處理下稍低于CK,在其余濃度根、葉浸提液處理下均顯著低于相應CK(P<0.05);在相同處理濃度下,根浸提液處理觀賞油菜幼苗的CAT活性始終低于相應葉浸提液處理,并在L75和L100處理下差異顯著。可見,小蓬草根、葉浸提液處理下波斯菊和觀賞油菜幼苗CAT活性的變化規律明顯不一致,在波斯菊中仍為低促高抑,根浸提液處理高于葉浸提液,而在觀賞油菜中則低抑高促,根浸提液處理低于葉浸提液處理。

2.4 小蓬草浸提液對2種花卉幼苗丙二醛含量的影響

圖3顯示,波斯菊幼苗MDA含量隨小蓬草根、葉浸提液濃度的增加均呈現逐漸升高的趨勢,R25處理顯著低于R50～R100處理,L25處理僅顯著低于R100處理;觀賞油菜幼苗MDA含量隨著根浸提液濃度增加而逐漸升高,而隨著葉浸提液濃度的增加而降低,且前2個濃度處理均與后2個濃度處理間差異顯著。與CK相比,波斯菊幼苗MDA含量僅在R75、R100和L100處理時顯著增加,在其余處理下均無顯著變化,而觀賞油菜幼苗MDA含量僅在R100處理下顯著增加,在其余處理下均顯著降低;在相同濃度處理下,波斯菊幼苗MDA含量在R25與L25、R50與L50處理間無顯著差異,在R75和R100處理下顯著高于相應的L75和L100處理,而觀賞油菜幼苗MDA含量基本表現為根浸提液處理顯著高于葉浸提液處理。可見,小蓬草根浸提液對觀賞油菜、波斯菊幼苗MDA含量影響比葉浸提液更明顯,對細胞膜損傷更為嚴重;小蓬草根、葉浸提液對觀賞油菜MDA含量的影響比波斯菊更明顯,但觀賞油菜幼苗對細胞膜脂過氧化具有更強的耐受性,較波斯菊具有更強的適應性。

圖3 小蓬草根、葉浸提液處理下2種花卉丙二醛含量的變化

3 討 論

3.1 2種花卉種子萌發和幼苗胚軸伸長對小蓬草浸提液的響應特征

化感作用是植物間相互作用的一種常見現象。化感作用的產生必須使化感物質達到某一濃度,低于這一濃度時植物的生長不會受到影響,甚至低濃度的化感物質會促進植物生長[22]。楊驍[23]發現不同濃度的加拿大蓬浸提液對白菜、茼蒿、玉米等14種植物種子的萌發具有明顯的抑制作用,致使其發芽率降低。在本研究中,隨著小蓬草浸提液濃度的增大,波斯菊和觀賞油菜的發芽率、發芽勢和化感效應指數均表現出不同程度的降低,表明小蓬草浸提液對2種花卉種子萌發有明顯抑制效果。肖春萍等[24]發現加拿大蓬浸提液對小白菜、苦苣和胡蘿卜種子的化感抑制作用隨著浸提液濃度的增加而增強,且影響較為顯著,這與本研究結果基本一致。小蓬草根、葉浸提液濃度為25 g/L時對波斯菊和觀賞油菜發芽率的化感效應指數大于0,對它們發芽初期表現出一定的‘低濃度促進高濃度抑制’現象。其原因一方面可能是低濃度下的化感物質有限,未能有效抑制這2種花卉種子的生長;另一方面,在低濃度處理下,浸提液中的一些營養物質可能對花卉種子的生長有利,這與馬銀山等[25]的研究結果一致。在小蓬草各部位浸提液濃度升高至100 g/L時,2種花卉種子萌發均受到明顯抑制;處理組所測指標的化感效應指數均小于0。同時,高濃度處理下小蓬草根部浸提液的化感作用要顯著低于葉部,這可能是小蓬草所含的生物堿在葉部的含量要遠高于根部的含量,所以根部化感作用要小于葉部。化感綜合效應表明,小蓬草的浸提液對波斯菊的化感抑制效果強于觀賞油菜,原因可能是觀賞油菜中含有某種特殊的物質對小蓬草有較好的耐受力,具體原因還需深入研究。2種花卉植物對小蓬草不同部位、不同濃度浸提液的化感耐受力表現出一定的差異性,小蓬草同一部位、相同濃度浸提液對2種花卉種子及幼苗化感作用也不同,可能是小蓬草的化感作用具有品種間差異性、物種選擇性及濃度效應。

植物的化感作用也會影響受體植物幼苗的生長,鮑紅春等[26]研究發現,沙芥水浸提液抑制了白菜幼苗上、下胚軸的生長,且對下胚軸的抑制大于上胚軸。加拿大蓬浸提液對甜白菜和觀賞油菜幼苗的生長表現出低濃度促進、高濃度抑制的化感作用[27]。本研究中小蓬草浸提液對波斯菊的上胚軸和觀賞油菜的下胚軸均表現為抑制作用,而在低濃度下對波斯菊的下胚軸和觀賞油菜的上胚軸有促進作用。王杰等[28]研究表明,鐵桿蒿浸提液對伴生種以及自身種子萌發的影響差異顯著,總體表現為低促高抑的效應,且對根的抑制作用強于芽。這與本研究中小蓬草浸提液對波斯菊、觀賞油菜的下胚軸生長抑制大于上胚軸的結果相一致。推推測在幼苗時期由于幼苗的根部直接與小蓬草浸提液接觸,所以受到的影響更大。

3.2 2種花卉幼苗抗氧化酶活性和丙二醛含量對小蓬草浸提液的響應特征

植物在遭受逆境脅迫時,由于受到活性氧(ROS)的毒害會發生細胞膜膜脂過氧化作用,其產物MDA會嚴重損傷細胞膜系統[29-30],MDA含量可作為植物細胞膜上膜脂受氧化傷害程度的重要指標,最直觀反映植物所受脅迫程度[31]。SOD、POD和CAT等3種抗氧化酶是植物ROS清除系統的重要組成部分,三者相互協調、共同作用可以有效防止活性氧引起的膜脂過氧化對細胞造成傷害,其活性的高低可反映植物受傷害程度[32-33]。本研究中2種花卉幼苗的MDA含量均隨小蓬草浸提液濃度的升高而增加,表明其膜系統受損情況逐漸加重,細胞膜透性增強,主要原因可能是植物在逆境環境下,體內產生過多的氧化產物而激活自身的一種應激機制,促使機體提高抗氧化能力;同時,隨著2種浸提液濃度的升高,2種花卉幼苗的抗氧化酶活性逐漸增加,從而清除過量的活性氧,使自身代謝水平保持平衡,進而提高植物的抗逆性。然而,當小蓬草的浸提液濃度達到100 g/L時,2種花卉幼苗自身的抗氧化活性達到極限,隨著化感脅迫程度的增加,化感抑制作用高于2種花卉幼苗的耐受閾值,各種抗氧化酶活性降低,從而抑制2種花卉的生長[34]。

本研究結果表明,觀賞油菜的SOD活性在根、葉2種浸提液濃度為50 g/L時達到最大,波斯菊的SOD活性在根浸提液濃度為50 g/L或者葉浸提液濃度為25 g/L時達到最大,在浸提液濃度為75 g/L時顯著下降;2種花卉幼苗的POD、CAT活性在浸提液處理下均增加,但濃度達到一定值時開始下降。與對照相比,觀賞油菜幼苗的SOD活性在2種浸提液處理下顯著升高,其POD活性在葉浸提液處理下也顯著升高,其CAT活性在根、葉浸提液濃度為75 g/L時顯著升高。觀賞油菜的抗氧化活性整體高于波斯菊,這可能是由于觀賞油菜含有某類揮發性次級代謝物質[35],如單萜類[36-37]等,能夠抵御外界的化感脅迫,及時有效地清除細胞內的活性氧,降低化感物質對細胞的損壞,從而保證觀賞油菜的正常生長。化感作用機理復雜多樣,后續研究應分析觀賞油菜種皮及幼苗中可能含有的次級代謝產物,驗證各功能成分在抑制化感效應中的作用。

4 結 論

本研究證實了小蓬草浸提液對波斯菊和觀賞油菜2種花卉種子萌發存在化感作用,不同部位不同濃度的浸提液對2種花卉種子萌發和幼苗生長化感作用強度不同,整體呈“低促高抑”的化感效應。在不同濃度小蓬草浸提液處理下,觀賞油菜幼苗清除活性氧的能力高于波斯菊,顯示觀賞油菜較波斯菊具有更強的環境適應性。為了進一步明確小蓬草的化感作用機制,今后需對其化感物質種類及相關的化感物質進行分離與鑒定。在大規模種植波斯菊、觀賞油菜2種花卉時,應盡量避開小蓬草危害嚴重的地塊或者采用耕作措施徹底清除雜草,并在花卉生長過程中加強除草等管理措施,保證其正常生長。