紫茎泽兰淋溶主效化感物质对早稻幼苗根尖解剖结构的影响

杨国庆　万方浩　刘万学

摘要采用营养液培养法和石蜡切片技术，研究了紫茎泽兰淋溶主效化感物质(泽兰二酮和羟基泽兰酮)对旱稻幼苗根尖解剖结构的影响。结果表明：两个化感物质分别处理后，旱稻幼苗的根呈现短小肿胀、侧根缺乏、且对营养液的吸收明显减少，这些症状随着化感物质浓度的增加而加剧。石蜡切片的结果表明，和对照相比，化感物质处理后的早稻幼苗根尖的解剖结构发生了明显的变化，主要表现在顶端分生组织、静止中心和根冠的细胞排列混乱，细胞间隙加大，皮层薄壁组织细胞变得短而粗，以及表皮层细胞大量脱落等。讨论认为，旱稻幼苗根的形态结构变化，主要与紫茎泽兰化感物质对受体植物吲哚乙酸的干扰相关。

关键词紫茎泽兰；泽兰二酮；羟基泽兰酮；旱稻；解剖结构

中图分类号S 456：Q 945.78

紫茎泽兰(Ageratina adenophora Sprengel)，作为一种世界恶性入侵杂草，已经给我国造成了严重的经济损失和生态破坏，且现仍快速向我国西北地区扩散。因此，加强对紫茎泽兰在我国入侵扩张机理的研究，对于实现该杂草的可持续控制有着直接的理论意义。近年来，很多研究表明化感作用是紫茎泽兰入侵后逐渐发展成为单种优势种群的重要原因。当前紫茎泽兰的化感作用研究，大多集中于化感现象的揭示，对其深层次作用机理还鲜见报道。近期研究表明，紫茎泽兰化感作用中淋溶物的主效化感物质为泽兰二酮和羟基泽兰酮，且它们能引起受体植物根部细胞的过氧化反应、抗氧化酶活性的抑制和激素平衡的失调等方面的生理生化指标失调，而受体植物这些生理生化方面的影响必然引起细胞水平上的形态结构变化。受体植物细胞形态结构的变化，还对紫茎泽兰化感物质其他可能的生理作用机理有重要的启示。本研究选择了在我国紫茎泽兰入侵典型地带云南具有悠久种植历史和山地中种植面积较广的早稻(Oryza sativa L.)为受体植物，从根尖解剖结构的角度，揭示紫茎泽兰的化感物质对本地植物的作用机理。

1材料与方法

1.1材料

紫茎泽兰植株采自云南省昆明市云南农业大学校园附近。早稻(旱277)种子由中国农业大学农学与生物技术学院农学系提供。

1.2紫茎泽兰淋溶主效化感物质的制备

根据Yang等的方法制备紫茎泽兰淋溶物中的两种主效化感物质。

1.3早稻幼苗的培育

选取饱满度和大小基本一致的旱稻种子，用0.5％H₂O₂处理5min，后用蒸馏水反复清洗，置于恒温水浴锅内36℃催芽1d。在装有细沙(细沙处理：10％盐酸浸泡24h，后反复冲洗至pH7.0左右，再高温烘干灭菌)的白瓷盆内播入已催芽且芽长基本一致的旱稻种子，加入营养液(1/4强度Hoagland营养液，pH为5.8)，于生化培养箱16h光照//8h黑暗，光周期28℃，暗周期25℃，相对湿度75％条件下培养，7d后幼苗供试验使用。

1.4化感物质对旱稻幼苗的处理

将泽兰二酮和羟基泽兰酮分别用乙酸乙酯先配成50mmol/L的母液，再等比例稀释分别滴加于垫有两层定性滤纸的平底试管(25mm×80mm)内，对照仅加乙酸乙酯。于通风橱内待试管中有机试剂挥发完后，分别加入上述营养液定容，使化感物质的终浓度分别为0.5、1.0、1.5mmol/L，于振荡器上混匀，后移入旱稻幼苗，每个试管10株，再将所有试管随机排列插入泡沫板内，置于生化培养箱(条件同1.3)中培养，在处理后72h取样。

1.5石蜡切片的制作、切片和观察

试验中因1.5mmol/L化感物质处理的旱稻幼苗根破损严重，因此仅对0.5、1.0mmol/L处理进行了解剖结构比较。参考Teng等的方法制备石蜡切片，分别用刀片截取旱稻幼苗根尖(约5mm)，并将取的材料置于装有固定液的小瓶中，选择改进的FAA固定液(50％乙醇89mL，福尔马林5mL，冰乙酸6mL)。然后经过固绿预染，乙醇脱水，二甲苯透明，渗蜡，最后包埋于石蜡中。用石蜡切片机(LeiCaRM2145德国)将包埋于蜡块中的材料分为纵切和横切进行连续切片，切片厚度8～10μm，染色采用番红一固绿对染，染色后的切片在装备数码相机(Axiocam MRC)的显微镜(Zeiss Axioskop 40)下观察并拍照。

2结果与分析

2.1两种化感物质对旱稻幼苗根及营养液吸收的影响

用泽兰二酮或羟基泽兰酮处理后，早稻幼苗根和营养液吸收的变化趋势总体类似(图1)。与对照相比，处理后幼苗根的总体形态发生了明显的变化，表现为根的总数量减少、比较短小和侧根数量明显减少，且柔软易破损，随着化感物质浓度的增加这些症状逐步加剧，且根系颜色逐渐加深呈黄褐色。尤其在1.5mmol/L处理后72h，旱稻幼苗根系已严重破损，且伴有明显的异味。在营养液吸收方面，化感物质处理后早稻幼苗对营养液的吸收趋于减少，且随着处理浓度的增加，营养液逐渐浑浊。

2.2化感物质对旱稻幼苗根尖细胞纵切解剖结构的影响

由根尖纵切面观察可见，化感物质处理后的旱稻幼苗根尖几个功能部位的细胞发生了明显的大小和排列方面的变化(图2)。图中对照幼苗的根尖细胞排列规则、清晰，各功能区(表皮层、顶端分生组织和静止中心等)细胞分类明显。用泽兰二酮处理后的幼苗根尖明显变粗，内部细胞排列紊乱，细胞间隙加大，顶端分生组织、静止中心和根冠的细胞混乱，这种效应随着处理浓度的增加而增强，且在浓度为1.0mmol/L处理时顶端分生组织细胞出现明显的短而粗的现象。用羟基泽兰酮处理后的幼苗根尖变化趋势与泽兰二酮处理结果相类似，但它在作用强度上显得略大，如在浓度为1.0mmol/L处理时根尖组织很疏松并出现明显的裂开，内部细胞排列已严重错乱。

2.3化感物质对早稻幼苗根尖细胞横切解剖结构的影响

由图3可见旱稻幼苗用泽兰二酮或羟基泽兰酮处理后，根尖横切面细胞发生的明显变化。在对照中，旱稻幼苗根尖横切面细胞排列规则、均匀，细胞饱满，且内部细胞质含量丰富，各分类组织(皮层、皮层薄壁组织和中柱鞘等)清晰可辨。用化感物质处理后，细胞排列紊乱，明显膨胀，细胞内细胞质淡稀，这种作用随处理浓度增加而增强，在1.0mmol/L处理时，多数皮层薄壁组织细胞膨胀了两倍多，且很多细胞的核出现明显的位置偏移。

3讨论

野外情况下，植物化感作用发生主要通过植株挥发、雨雾淋溶、根部分泌和残株与凋落物分解4条途径，其中除挥发物作用外，其余途径中的化感物质均首先作用于受体植物的根。而植物根系具有特定的解剖、形态和生理功能特征，其不同部位的细胞和细胞内不同的细胞器所发生的改变，都是对外界环

境因子做出不同程度响应的表现所在。本文结果表明，旱稻受到紫茎泽兰的两种化感物质分别作用后，其幼苗的根在处理72h即出现了系列生长发育不良的症状。这与张希麟等研究紫茎泽兰水提液对玉米根形态影响的结果形成了很好的印证，如都出现受体植物根冠至根毛区的生长受到严重干扰，根尖表皮至皮层细胞出现明显脱落甚至腐烂。本研究发现处理后旱稻幼苗的侧根明显减少，而侧根是由中柱鞘中的一组细胞在生长发育中分化而来，表明泽兰二酮和羟基泽兰酮可能对根尖的中柱鞘发生了直接或间接的作用，这在早稻幼苗根尖横向解剖结构里中柱鞘的比较结果得到了初步证实。最终，侧根的减少应是导致旱稻幼苗对营养液吸收下降的一个重要因素。

本文解剖结构的结果表明，化感物质处理后旱稻幼苗根尖细胞排列错乱且形状呈方形，整个根显得短而粗，且细胞之间的中胶层出现很明显的空白间隙，这与其他一些化感物质的作用结果类似，但导致这一现象的主要机理还在探讨之中。如有研究发现，黑麦(Secale cereale L.)分泌的化感物质BOA[2(3)-benzoxazolinone]处理黄瓜幼苗后，其根尖细胞明显比对照短且宽，最终整个根尖在外形上表现短且较粗，推测认为是由于该化感物质对受体植物的生长素水平产生了干扰所致。此外，还有报道用酚酸类化感物质安息香酸处理后的芥菜幼苗，其根尖细胞出现不规则的形状，且排列紊乱，细胞之间出现明显离散的中胶层，认为可能是安息香酸促进吲哚乙酸的去碳酸基作用而抑制了吲哚乙酸的活性所致，而低浓度的IAA会促进细胞壁松弛，促使细胞之间的中胶层出现了明显的空隙，这些空隙将致细胞之间信号和营养的传输严重受阻。作者前期的研究结果已经确证，泽兰二酮和羟基泽兰酮处理旱稻幼苗后，其根部的主要激素(脱落酸、吲哚乙酸和玉米素核苷酸)含量和平衡发生了明显的改变，尤其是吲哚乙酸含量的显著下降。结合本研究结果，可以基本断定旱稻根细胞形态的变化主要是由于紫茎泽兰化感物质对吲哚乙酸含量的干扰所致，但这其中的作用过程还有待于进一步的研究。

云南省旱稻种植面积远远大于其他省份，同时该省也是紫茎泽兰在我国入侵比较严重的地区。根据本文结果，特定的气候条件如雨季将会促使紫茎泽兰淋溶途径化感物质的大量连续释放，这对山区地形中的旱稻田幼苗必然造成一定的负面影响。如以西双版纳内某早稻种植区为例，该区域年平均降雨量1556mm，雨季(5～10月)降雨量占全年降雨量的82％，相对湿度83％，而这个雨季的开始时间恰恰也是旱稻直播的时期，且该期问一些常规的农艺措施(翻田，人工除草等)常导致农田附近遗留或堆积一些杂草残株包括紫茎泽兰，由此时空特征可以基本推测紫茎泽兰淋溶物是影响旱稻田间生产的重要影响因素。