白花金鈕扣水提液對4種雜草種子萌發和幼苗生長的化感作用研究

楊軻欣,吳曉涵,鄭鳳萍,范澤文,吳冉迪,徐高峰,楊云海,張付斗,楊韶松,申時才*

(1. 云南大學資源植物研究院,云南 昆明 650504; 2. 云南省農業科學院農業環境資源研究所/云南省農業跨境有害生物綠色防控重點實驗室,云南 昆明 650205; 3. 云南省農業科學院農業環境資源研究所/共建瀾湄農業生物安全聯合研究中心,云南 昆明 650205; 4. 昆明學院農學與生命科學學院,云南 昆明 650214)

生物入侵已經加劇了生物的全球分布與擴散,造成了嚴重的經濟損失、生物多樣性的喪失和生態環境問題,甚至威脅著生態系統安全和人畜生物安全等[1-2]。在外來物種入侵與擴散過程中,入侵植物通常可以通過“化學武器”來抑制周邊其他植物的種子萌發和幼苗生長、改變土壤養分和微生物群落結構等,從而創造有利于自身生長的生態環境和建立種群優勢[3-5]。因此,開展外來入侵植物化感作用研究,特別是針對一些新發突發的入侵物種,對于揭示其入侵和擴散機制,以及利用植物毒性化合物開發天然除草劑具有重要的意義。

白花金鈕扣(Acmellaradicans)屬于菊科(Asteraceae)金鈕扣屬(Acmella)一年生草本植物,原產中美洲和墨西哥[6],廣泛分布于哥倫比亞、孟加拉國、古巴、庫拉索島、印度、坦桑尼亞和泰國等地[6-8]。在中國,2014年首次在安徽黟縣發現一歸化白花金鈕扣居群,主要分布于溪流、路邊和耕地等生境[9]。白花金鈕扣區別于金鈕扣屬其他物種的主要特征是具有白色花冠和瘦果具有發達的軟木質邊緣[9]。該入侵植物生態適應性強、生境類型廣泛、開花結實期長、有性繁殖能力強(種子量大),因此容易形成單一或優勢種群[9]。在一些入侵國家和地區,白花金鈕扣通常被當成一種傳統中草藥使用,用于治療牙齒疼痛、喉嚨和牙齦疼痛以及使舌頭癱瘓等[6,10-11]。

2017年,在云南省外來入侵植物野外調查中首次在滇西的保山市昌寧縣發現白花金鈕扣的種群分布。在后續調查中發現昌寧縣、云縣、雙江縣和滄源縣等均有大面積的白花金鈕扣分布,主要入侵農田、茶園、果園、路邊和溝渠等。項目組前期研究發現,白花金鈕扣植株高大,株高可達155 cm,開花結實期為11月-次年3月,種子量可達14 300粒。在入侵地,該物種已經成為優勢物種,對當地群落的物種豐富度、物種多樣性、均勻性以及土壤養分產生了負面影響。野外調查發現隨著白花金鈕扣覆蓋度增加,群落中一些主要物種三葉鬼針草(BidenspilosaL.)、勝紅薊(AgeratumconyzoidesL.)、馬唐(Digitariasanguinalis(L.) Scop.)、虎尾草(ChlorisvirgataSw.)等蓋度和重要值會顯著降低,然而關于白花金鈕扣是否具有化感作用或化感競爭對其入侵性的貢獻尚缺乏相關的研究報道。

本研究通過生物測定法研究白花金鈕扣地上/地下部水提液對三葉鬼針草、勝紅薊、馬唐和虎尾草4種主要伴生物種的種子萌發及幼苗生長的影響,初步揭示其化感作用潛力,為進一步開展其化感物質鑒定和闡明入侵機制奠基基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試白花金鈕扣:2022年10月采自云南省昌寧縣勐統鎮酒藥寨村(99.64°E,24.55°N,海拔1 746 m)。整株采集后,分為地上部分(莖葉)和地下部分(根系)后在室內自然風干,然后打成粉末備用。

供試植物種子:三葉鬼針草、勝紅薊、馬唐、虎尾草,為白花金鈕扣的主要伴生物種,均采集于云南省昌寧縣勐統鎮酒藥寨村。

1.2 試驗方法

1.2.1白花金鈕扣浸提液制備 稱取上述白花金鈕扣地上部和地下部粉末各50 g,按固液比為1∶10(w/w)加入蒸餾水,浸泡48 h,使用超聲波水浴輔助和二層濾紙過濾后,浸提液定溶至質量濃度為0.1 g·mL-1(以干物質質量計算)。取部分浸提液分別稀釋至質量濃度為0.1,0.05,0.025,0.012 5 g·mL-1。調節各濃度浸提液pH值與蒸餾水一致(pH=6.58),冷藏(4℃)備用。

1.2.2白花金鈕扣化感潛力測定 選取大小相對一致且種子形狀飽滿的前期預試驗種子萌發良好的三葉鬼針草、勝紅薊、馬唐和虎尾草種子,用10%次氯酸鈉溶液浸泡10 min,用蒸餾水漂洗3次,自然陰干備用。2022年11月10日,吸取5 mL白花金鈕扣浸提液加入放有雙層濾紙、直徑為9 cm的培養皿中,每皿均勻放置30粒已消毒的上述4種伴生雜草種子,以蒸餾水為對照,每種雜草設4組重復。將培養皿置于人工氣候箱中恒溫培養,溫度(25±0.5)℃、濕度70%、每天光照12 h。試驗開始后,每天對種子發芽數進行統計,試驗7 d時測量莖長、根長和生物量。每個培養皿隨機抽取10株測量,取平均值。

1.3 數據處理

白花金鈕扣水提液對4種伴生物種三葉鬼針草、勝紅薊、馬唐和虎尾草的生物測定統計發芽率、發芽指數、化感作用響應指數等[12-14]。按公式(1)計算發芽率(Germination rate,GR):

(1)

按公式(2)計算發芽指數(Germination index,GI):

GI=Σ(Gt/Dt)(Gt:在t天內的發芽數,Dt:第t天)

(2)

按公式(3)計算抑制率(Inhibitor rate,IR):

(3)

按公式(4)計算化感響應指數(Allelopathic response index,RI):

RI=1-C/T(T≥C)或RI=T/C-1(T

(4)

式中,C為對照值,T為處理值。RI>0為促進作用,RI<0為抑制作用,絕對值的大小與化感作用強度一致。

按公式(5)計算綜合化感指數(Synthetical allelopathic index,AI):

AI=(發芽率RI+發芽指數RI+莖長RI+根長RI+生物量RI)/5

(5)

式中,AI>0表示總體表現為促進作用,AI<0表示總體表現為抑制作用。

所有數據采用DPS V9.05數據處理系統進行分析,并采用單因素方差分析(One-Way ANOVA)檢驗,Duncan’s新復極差法進行多重比較,分析不同處理間的差異。

2 結果與分析

2.1 白花金鈕扣水提液對4種伴生雜草種子萌發的影響

研究結果表明,4種伴生雜草種子萌發均受到白花金鈕扣地上/地下部水提液的影響(表1、圖1、圖2)。隨白花金鈕扣水提液濃度增加,三葉鬼針草、勝紅薊、馬唐和虎尾草的種子發芽率和發芽指數明顯降低,其中對馬唐抑制率最大,濃度為0.1 g·mL-1時萌發率和發芽指數抑制率分別為45.69%和62.22%;其次虎尾草和勝紅薊;最差為三葉鬼針草,地下部在濃度為0.012 5～0.025 g·mL-1時沒有抑制作用或有促進作用(發芽率為100%)(圖1、圖2)。從白花金鈕扣地上/地下部水提液對4種雜草種子發芽率和發芽指數對比看,對發芽率的抑制顯著小于發芽指數(P<0.05),且地上部的抑制率要明顯大于地下部。

圖1 白花金鈕扣地上部對不同供試雜草發芽率、根長、莖長和生物量的抑制情況Fig.1 Inhibition of aqueous extract of Acmella radicans aboveground part on the germination rate,root length,stem length,and biomass of different weeds注:不同字母表示同種雜草不同處理間差異達到顯著性水平(P<0.05),下同Note:Different letters indicate a significant difference between treatments to the same weed at the 0.05 level,the same as below

圖2 白花金鈕扣地下部對不同供試雜草發芽率、根長、莖長和生物量的抑制情況Fig.2 Inhibition of aqueous extract of A. radicans underground part on the germination rate,root length,stem length,and biomass of different weeds

表1 白花金鈕扣水提液對不同供試雜草種子發芽的影響(平均值±標準差)Table 1 Effects of aqueous extract of Acmella radicans on the seed germination of different weeds (mean±SD)

2.2 白花金鈕扣水提液對4種伴生雜草幼苗生長的影響

白花金鈕扣對三葉鬼針草、勝紅薊、馬唐和虎尾草4種伴生雜草的根長和莖長具有明顯的影響。地上/地下部水提液對三葉鬼針草和勝紅薊的根長和莖長均有明顯的抑制作用(P<0.05),而對馬唐和虎尾草出現“低促高抑”的現象。地上部水提液除了在濃度為0.012 5 g·mL-1時對虎尾草的莖長有促進作用外,其余各濃度下對4種伴生物種的根長和莖長均具有明顯的抑制作用;地下部水提液低濃度為0.012 5～0.025 g·mL-1時對馬唐和虎尾草的根長和莖長具有一定的促進作用(表2、圖1、圖2)。總體上,白花金鈕扣水提液對4種伴生雜草根長的抑制率明顯大于莖長,地上部的抑制率明顯大于地下部(P<0.05)。地上部水提液對4種雜草的抑制率最高為馬唐,而地下部最高為勝紅薊,最差為虎尾草。

在生物量方面,白花金鈕扣水提液對三葉鬼針草、勝紅薊、馬唐和虎尾草4種伴生雜草的生物量影響程度不同。同樣地,地上/地下部水提液對三葉鬼針草和勝紅薊生物量均有明顯的抑制作用(P<0.05),而對馬唐和虎尾草出現“低促高抑”的現象。總體上,白花金鈕水提液對4種伴生雜草生物量抑制率最高為勝紅薊,其次三葉鬼針草和馬唐,最差為虎尾草(表2、圖1、圖2)。

從4種伴生雜草根長、莖長和生物量的影響對比看,白花金鈕扣水提液對根長抑制率最高,其次為莖長,最差為生物量。從白花金鈕扣地上/地下部水提液對比看,地上部對4種伴生雜草的幼苗生長抑制率明顯大于地下部(P<0.05)。

2.3 白花金鈕扣化感響應指數

研究結果表明,白花金鈕扣地上/地下部水提液對4種受體雜草具有不同的化感作用響應指數(表3、表4)。除了在低濃度0.012 5～0.025 g·mL-1時對馬唐和虎尾草的根長、莖長、生物量的化感響應指數出現“低促高抑”外,其余化感響應指數均表現為抑制作用而為負值,且隨濃度增加抑制率逐漸增大。總體上,白花金鈕扣水提液對根長的化感響應指數為最低,其次為莖長和生物量,最高為發芽率。從4種伴生雜草的綜合化感指數來看,地上部水提液對4種受體雜草的化感綜合化感指數均為負值,抑制率最高為馬唐,其次為勝紅薊和三葉鬼針草,最差為虎尾草;地下部水提液低濃度0.012 5 g·mL-1時對馬唐和0.012 5～0.025 g·mL-1時對虎尾草為正值,抑制率最高為勝紅薊,其次為三葉鬼針草和馬唐,最差為虎尾草。綜合對比地上/地下部水提液對4種伴生雜草的綜合化感指數,白花金鈕扣對勝紅薊的化感潛力最強,其次為馬唐和三葉鬼針草,最差為虎尾草。

表3 白花金鈕扣地上部對不同供試雜草的化感響應指數(平均值±標準差)Table 3 Allelopathic response index of different weeds to the aboveground part of A. radicans (mean±SD)

表4 白花金鈕扣地下部對不同供試雜草的化感響應指數(平均值±標準差)Table 4 Allelopathic Response index of different weeds to the underground part of A. radicans (mean±SD)

綜上可得,白花金鈕扣不同部對4種伴生雜草均具有顯著的化感作用,且化感作用由大到小依次為勝紅薊>馬唐>三葉鬼針草>虎尾草。

3 討論

在外來入侵物種的入侵與擴散過程中,化感作用通常扮演著重要的角色[15-16]。外來入侵植物常常可以通過釋放某種化感物質抑制新環境中臨近的植物生長,從而為自身獲取更多的營養、水分等資源,實現種群的擴大和繁殖,并在生存競爭中處于優勢地位[3]。白花金鈕扣是云南省近年來發現的新入侵植物,已經對入侵地的植物多樣性和生態環境造成了嚴重的危害,然而關于其化感競爭作用尚不清楚。本研究中,白花金鈕扣不僅對本地植物馬唐和虎尾草具有一定的化感作用,對入侵植物三葉鬼針草和勝紅薊也具有顯著的化感抑制作用。

本研究表明,白花金鈕扣地上/地下部水提液能降低三葉鬼針草、勝紅薊、馬唐和虎尾草4種主要伴植物種子發芽率、發芽指數、根長和莖長,隨濃度增加抑制效果明顯增強,但在低濃度時對馬唐和虎尾草種子萌發和幼苗生長具有一定的促進作用,這些“低促高抑”的研究結果與很多相關文獻報道一致[13-14,17-19]。種子萌發對物種更新至關重要,種子發芽率和發芽速度降低可能會降低本地種在群落中的多度和早期競爭力,相應提高外來種對地上和地下資源的競爭能力[17-19]。白花金鈕扣水提液對4種主要伴生雜草種子根長抑制率最大,其次為莖長和種子萌發,發芽指數的抑制明顯大于發芽率,說明其化感作用延緩了三葉鬼針草、勝紅薊、馬唐和虎尾草的幼苗出土時間,減弱了根系的養分吸收能力,降低對資源的有效利用,進而直接影響這些物種以后的生長發育及其在群落中的地位和作用[18-19]。本研究表明,白花金鈕扣具有的化感潛力可以在鄰近植物最脆弱階段(種子萌發)進行攻擊和抑制,從而有利于自身的種群建立。

在自然界中,植物通過莖葉等的揮發物、雨霧的淋溶物、根系分泌物和枯枝分解腐蝕等途徑釋放出的化感物質來影響周圍其他的臨近植物生長[20]。在植物整個生活史中都會產生化感物質,不用部位(根、莖、葉、花、果等)的化感潛力差異明顯[21-23]。一些研究表明,植物地上部葉片的化感作用會大于其他部位[19,24-25],如入侵植物牛膝菊(GalinsogaparvifloraCav.)葉片的化感潛力是根的1.15倍[21]。本研究結果表明,白花金鈕扣地上部水提液對三葉鬼針草、勝紅薊、馬唐和虎尾草4種伴生物種的化感潛力明顯大于地下部。白花金鈕扣精油含有大量化合物[11],其中主要化合物之一棕櫚酸被證實對入侵植物三葉鬼針草、粗毛牛膝菊(GalinsogaquadriradiataRuiz et Pav.)、黑麥草(LoliumperenneL.)和小子虉草(PhalarisminorRetz.)具有較強的化感抑制作用[26]。本研究可以初步推斷白花金鈕扣的化感作用可能是通過釋放揮發性物質造成的,但具體的化感物質種類有待于進一步研究。

植物化感潛力的差異,不僅取決于目標物種、提取物濃度、化感物質種類等,還與受體植物的種類相關[21-25,27-28]。本研究中4種受體植物三葉鬼針草、勝紅薊、馬唐和虎尾草通常為農田、果園、荒地等地的主要雜草,其中三葉鬼針草和勝紅薊為入侵性雜草,而馬唐和虎尾草則為本地惡性雜草[29-30]。4種雜草通常具有較強的有性繁殖能力、種子萌發率高、生長速度快、化感作用等特征[18,31],容易形成單一雜草群落或成為優勢種群。本研究發現,白花金鈕扣水提液不同濃度對2種入侵植物三葉鬼針草和勝紅薊種子發芽率、根長、莖長和生物量均有一定的抑制作用,但對本地植物馬唐和虎尾草出現“低促高抑”的現象。從白花金鈕扣對4種伴生雜草的抑制率綜合對比看,白花金鈕扣對入侵植物的化感潛力要大于本地植物,這與田間調查發現的隨白花金鈕扣蓋度增加,三葉鬼針草和勝紅薊的蓋度和重要值的降低程度明顯大于馬唐和虎尾草的結果相一致。

在植物化感作用評價中,化感響應指數是普遍用于度量化感作用強度最重要的指標,而綜合化感指數是對受體植物種子萌發、根長、莖長和生物量的綜合評價指標[12,14]。由于受體植物種類、化感物質種類和濃度差異等,有時很難根據單獨的發芽率、莖長、根長或生物量的化感響應指數對不同的受體植物得出統一的結論,因此綜合化感指數起到了非常重要的作用。本研究中發現,白花金鈕扣地上/地下部水提液對4種伴生雜草種子發芽率、發芽指數、根長、莖長和生物量的化感響應指數是不一樣的,低濃度時對馬唐和虎尾草的部分響應指數為正值,而且地上/地下部也有差異,因此很難得出4種伴生雜草受到的抑制率順序。從綜合化感指數來看,地上部水提液對4種受體雜草的綜合化感指數均為負值,抑制率最高為馬唐,其次為勝紅薊和三葉鬼針草,最差為虎尾草;地下部水提液低濃度虎尾草為正值,抑制率最高為勝紅薊,其次為三葉鬼針草和馬唐,最差為虎尾草。因此,通過綜合對比地上/地下部水提液對4種伴生雜草的綜合化感指數,得出了白花金鈕扣對勝紅薊化感潛力最強,其次為馬唐和三葉鬼針草,最弱為虎尾草的結論。

4 結論

白花金鈕扣對4種主要伴生物種三葉鬼針草、勝紅薊、馬唐和虎尾草具有一定的化感抑制作用,隨濃度增加地上/地下部水提液對三葉鬼針草、勝紅薊、馬唐和虎尾草種子萌發及幼苗生長的抑制率逐漸提高,總體上地上部水提液對種子發芽率、根長、莖長和生物量的抑制率明顯大于地下部。白花金鈕扣對勝紅薊抑制率最大,其次為馬唐和三葉鬼針草,最差為虎尾草。為了進一步確定白花金鈕扣的化感作用機制,今后需對相關的化感物質進行鑒定,并對其化感作用機理進行深入研究。