问荆水浸液对小麦种子萌发及幼苗生长的化感效应初探

郑景瑶，岳中辉*，田宇，刘宝林，郭立波

（1.哈尔滨师范大学生命科学与技术学院，黑龙江 哈尔滨150025；2.中储粮北方农业开发有限公司，黑龙江 嫩江161400）

小麦（Triticum aestivum）是中国主要的粮食作物，在农业生产中占有重要地位。目前小麦的减产已成为农业生产中比较严重的问题，麦田杂草是小麦减产的一个重要原因，因此防治与小麦共生的杂草是小麦增产的重要环节。在小麦生长过程中，杂草与小麦为获取水分、营养、光照等存在竞争关系［1］，同时它们又会通过向环境中释放某些化感物质影响对方的生长［2］。植物通过产生化学物质而对其他生物产生影响的能力被称之为化感作用（allelopathy），Callaway和Aschehoug［3］在2000年就提出过“化学武器”假说，认为化感作用是外来杂草成功入侵的“化学武器”。近10年来作物与杂草的化感作用逐步成为世界各国科学家重视的一个新的研究领域，在农业生态系统中起着重要作用［4］。小麦的根系及幼苗的地上部分能够分泌异羟肟酸等物质，抑制棉苗（Gossypium spp.）及黄瓜（Cucumissativus）的生长［5-6］；小麦残体植株能够释放酚酸类化合物，抑制千金子（Euphorbia lathyris）的生长［7］；小麦的活体植株能够分泌甲氧基化异羟肟酸（DIMBOA）和去甲氧基类似物（DIBOA），在抗虫、抑草、抗微生物和抗真菌等方面都起到重要的作用［8］。同时麦田常见杂草也会对小麦产生化感作用，如播娘蒿（Descuminia sophia）能够抑制小麦的有丝分裂［9］；紫茎泽兰（Ageratina adenophora）能够降低小麦的根系活力，抑制小麦的生长［10］；黄花蒿（Artemisia annua）能够抑制小麦幼苗根长、根毛和苗高的生长［11］；豚草（Ambrosia artemisiifolia）可以抑制小麦的早期生长［12］。为了有效地防除杂草，杂草化感作用的研究已越来越受到植物保护学者的重视。

问荆（Equisetum arvense）是小麦生长早期常见的杂草，是蕨类木贼科问荆属多年生草本植物，目前关于问荆的研究虽然有很多，但仍主要集中在生长繁殖和环境条件［13］、外部形态和内部解剖结构［14］、化学成分及药理特性［15-16］等方面。研究发现，问荆体内含有酚酸、黄酮和生物碱等物质［17］，这些物质释放到环境中后会影响植物的生长，已有研究证实问荆的水提物可抑制30多种杂草种子的萌发及植物的株高［18-19］。在小麦生长初期，问荆除了与小麦争夺水分、光照和养分外，其根茎分泌物是否对小麦种子及幼苗产生影响是需要探讨的问题。目前，关于问荆生长对作物种子萌发和幼苗生长影响的研究还少见报道，其化感作用机理仍有待于进一步探究。因此，本研究以问荆的地下根茎为对象，采用生物测定法系统地分析问荆根茎浸提液处理后小麦种子萌发率、幼苗形态、生理指标的变化规律，意在探究问荆化感作用是否对小麦种子萌发及幼苗的生长产生影响，为筛选出较好的抗草小麦品系、进一步分析问荆的化感效应及其作用机制提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验的供体材料问荆根茎采自黑龙江省中储粮北方公司科技园区内，该区地理位置为北纬49°55′，东经125°25′，采集时间为2012年5月3日；受体材料为该公司提供的5个常用小麦品种，分别为：龙麦26（LM26），该品种耐旱性强，耐湿性好；垦九10（KJ10），该品种为适时早播品种；龙麦33（LM33），该品种抗倒性好；格来尼（GLN），该品种对光照反应不敏感，可比其他品种晚播15 d左右；龙辐18（LF18）为大田试验新种。

1.2 试验方法

1.2.1 水浸液的制备 将采集到的问荆根茎用蒸馏水冲洗后阴干剪碎，准确称取50 g定容到500 m L，25℃浸提24 h，用双层无菌纱布过滤除去植株残体制得100 mg／m L浓度的母液，将母液稀释至5，30，70 mg／m L三个浓度，保存在4℃冰箱中备用，以蒸馏水作为对照。蒸馏水，5，30，70，100 mg／m L处理液分别用 N0、N1、N2、N3和N4表示。

1.2.2 生物测定方法 挑选均匀、饱满的小麦种子，用1 mg／m L的高锰酸钾溶液对种子进行消毒，蒸馏水反复冲洗后分别播种于垫有2层滤纸的培养皿（Φ9 cm）中，播种密度为100粒／皿，每培养皿中分别加入不同浓度的问荆水浸液5 m L，对照组加入等量蒸馏水，将培养皿置于25℃、光照12 h恒温培养箱中培养，每个处理设3次重复。以胚根突破种皮为萌发标准，每隔24 h记录1次萌发种子的数量，待连续2 d无萌发时，统计小麦各品种的萌发率。

将小麦种子25℃催芽至露白后每个培养皿中放入20粒，加入各浓度的水浸液5 m L，对照组加等量水，每个处理设定3次重复，于室温条件下进行培养。每天更换皿中的水浸液，待种子萌发15 d长至幼苗后，随机取10株幼苗测定其苗高及干重（105℃烘0.5 h后，80℃烘至恒重）。

1.2.3 生理指标测定 丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量：取新鲜小麦叶片0.5 g，采用硫代巴比妥酸法进行测定；可溶性糖（water-soluble sugar，WSS）含量：取新鲜小麦叶片0.2 g，采用蒽酮比色法进行测定；过氧化氢酶（catalase，CAT）活性和过氧化物酶（peroxidase，POD）活性：取新鲜小麦叶片0.2 g进行冰浴研磨后，分别采用紫外分光光度法和愈创木酚法进行测定。

1.3 数据分析

使用Excel进行数据处理，应用SAS 8.1软件对数据进行t检验，分析各处理与对照间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 问荆水浸液对小麦种子萌发的影响

不同浓度问荆水浸液对小麦种子萌发率的影响如图1所示，5和30 mg／m L浓度处理后小麦种子的萌发率与对照相比差异都不显著。当浓度达到70 mg／m L时各品种种子萌发率都降低，但LM26与对照相比差异不显著，而其他4个品种都显著降低（P＜0.05），以GLN的降低率最大达12%，而LF18的降低率最小为7%；当浓度达到100 mg／m L时，种子萌发率与70 mg／m L处理相比种子萌发率没有显著降低（LM26除外），而与对照相比都显著降低（P＜0.05），以LM26的降低率最高达14%，而KJ10和LM33的降低率最小，为10%。这一结果说明低浓度问荆水浸液对小麦种子萌发没有影响，而高浓度问荆水浸液对种子萌发具有抑制作用。

2.2 问荆水浸液对小麦幼苗生长的影响

不同浓度问荆水浸液对不同品种小麦苗高的影响不同（表1），5，30，70 mg／m L处理后各品种苗高（plant height，PH）与对照相比均表现出升高的趋势，只有LM33在5 mg／m L、GLN在30 mg／m L浓度处理时苗高低于对照，说明低浓度问荆水浸液处理对小麦苗高具有促进作用。当浓度达到100 mg／m L时问荆水浸液对不同品种小麦苗高的影响差别较大，只有LM26、LF18的苗高与对照相比降低，而其他3个品种苗高仍高于对照，说明100 mg／m L浓度处理只对LM26、LF18的苗高有抑制作用而对其他3个品种的苗高仍表现为促进作用。

不同浓度问荆水浸液对小麦幼苗干物质量（dry matter weight，DMW）都有影响（表1），处理后均小于对照组，说明问荆水浸液对小麦幼苗干物质量的积累具有抑制作用。

图1 问荆水浸液处理后小麦种子的萌发率变化Fig.1 Variation of germination rate of wheat seeds with leaching solution of E.arvense treatments不同小写字母表示同一品种不同处理间差异显著（P＜0.05），下同。Different lowercase letters indicate the significant difference of the same variety between the various concentration（P＜0.05），the same below.

表1 问荆水浸液处理后小麦的苗高、干物质量Table 1 Variation of plant height and dry matter weight of wheat seedling with leaching solution of E.arvense treatments

2.3 问荆水浸液对小麦幼苗生理指标的影响

2.3.1 问荆水浸液对小麦幼苗WSS含量的影响 不同浓度问荆水浸液处理后小麦幼苗WSS含量如图2所示，不同浓度问荆水浸液处理后，各品种小麦幼苗WSS含量都呈降低趋势。不同浓度处理后LM26、KJ10、LM33、GLN与对照相比WSS含量都显著降低（P＜0.05），当浓度达到100 mg／m L时，LM33和GLN的降低率较高，分别达到61%和51%，而LM26、KJ10在该浓度时与70 mg／m L浓度相比差异不显著。不同浓度问荆水浸液处理后LF18的WSS含量与对照相比都没有显著差异。这一结果表明问荆水浸液对小麦幼苗WSS的合成具有抑制作用，在不同品种间表现出明显差异。

2.3.2 问荆水浸液对小麦幼苗MDA含量的影响 不同浓度问荆水浸液对小麦幼苗MDA含量的影响不同（图3）。各品种小麦幼苗MDA含量在各浓度问荆水浸液处理后与对照相比都有增加的趋势，但LM26、KJ10、LM33各处理的MDA含量与对照间差异不显著，GLN在70 mg／m L处理后与对照相比差异显著增加（P＜0.05），LF18在100 mg／m L处理后与对照相比显著增加（P＜0.05），而其他浓度处理与对照差异都不显著。这一结果说明问荆水浸液可能在一定程度上促进小麦幼苗MDA的生成。

2.3.3 问荆水浸液对小麦幼苗CAT活性的影响 不同浓度问荆水浸液处理后小麦幼苗CAT活性的变化如图4所示，不同浓度问荆水浸液处理后，LM26、LF18、GLN幼苗的CAT活性都呈升高的趋势，GLN在5 mg／m L处理后CAT活性与对照相比有显著差异（P＜0.05），而LM26、LF18的CAT活性在30 mg／m L处理后与对照相比差异显著（P＜0.05）。不同浓度问荆水浸液处理后，KJ10的CAT活性随浓度的升高呈逐渐降低的趋势，而不同浓度处理后，LM33幼苗的CAT活性与对照相比无显著差异。这一结果说明不同品种小麦幼苗CAT活性对问荆化感物质的响应不同，有较大差异。

2.3.4 问荆水浸液对小麦幼苗POD活性影响 不同浓度问荆水浸液处理后小麦幼苗POD活性的变化如图5所示，各品种小麦幼苗POD活性在不同浓度问荆水浸液处理后都呈升高的趋势，LM26、KJ10、LM33幼苗POD活性在100 mg／m L浓度处理后与对照相比显著升高（P＜0.05），而其他浓度与对照相比差异都不显著，但LF18、GLN各浓度处理与对照间都没有达到显著水平。这一结果说明高浓度的问荆水浸液有助于小麦幼苗POD活性的升高，小麦幼苗可能对问荆浸提物质产生了一定的抗逆性。

图2 问荆水浸液处理后小麦幼苗WSS含量的变化Fig.2 Variation of WSS content in wheat seedling with leaching solution of E.arvense treatments

图4 问荆水浸液处理后小麦幼苗叶片CAT活性的变化Fig.4 Variation of CAT activity in wheat seedling with leaching solution of E.arvense treatments

图3 问荆水浸液处理后小麦幼苗MDA含量的变化Fig.3 Variation of MDA content in wheat seedling with leaching solution of E.arvense treatments

图5 问荆水浸液处理后小麦幼苗叶片POD活性的变化Fig.5 Variation of POD activity in wheat seedling with leaching solution of E.arvense treatments

3 结论与讨论

许多植物能通过淋溶、挥发、残体分解和根系分泌向环境中释放化感物质，从而对其他生物产生直接或间接的刺激作用，影响周围植物的生长发育［20-21］。本研究表明，问荆根茎水浸液对各品种小麦种子的萌发率均有一定的抑制作用，说明问荆根茎能够释放一定的化感物质进入土壤，影响小麦种子萌发，这与刘亮等［19］研究问荆水浸提物对杂草种子萌发具有抑制作用的结果一致，同时问荆水浸液对小麦幼苗的影响都表现为苗高增加而干物质量减少，说明问荆对各品种小麦的种子萌发和幼苗生长都具有化感效应。有研究发现受体植物种子的发芽速率是衡量化感作用更敏感的指标，而种子萌发率的降低会影响植物在群落中的多度，对作物的生长及产量至关重要［22］。本研究还发现问荆水浸液对不同小麦品种种子萌发率的抑制强弱不同，表现为对LM26和GLN的抑制作用较强，而对KJ10、LM33、LF18的抑制作用较弱，可知KJ10、LM33、LF18这3个品种受问荆根茎水浸液化感作用的影响并不大，由此可将这3个品种初步定义为对问荆化感作用并不敏感的优良品种。

在KJ10、LM33、LF18三个品种中，LF18的 MDA含量在100 mg／m L问荆水浸液处理后显著升高，而KJ10、LM33经各浓度处理后都无显著变化。MDA是活性氧启动膜脂过氧化的主要产物，其含量的增高可引起膜的严重损伤，而膜结构受到破坏后会影响植物的生长及发育［23］，说明问荆根茎水浸液的化感作用对LF18的膜系统造成一定的损伤，从而使其幼苗的生长受到抑制，而对KJ10和LM33的膜系统并无损伤。问荆对LF18的幼苗生长具有抑制作用，而对KJ10、LM33的生长无明显影响。KJ10、LM33两个品种的POD活性都在100 mg／m L问荆水浸液处理后显著升高（P＜0.05），POD是植物体内重要的保护酶，其活性的升高可清除活性氧自由基来维持细胞膜的稳定性和完整性［24］，从而提高植物的抗性，说明KJ10、LM33在问荆水浸液处理后通过自身保护酶活性的提高对问荆的化感作用产生了抗性。5个受试品种中KJ10和LM33在各生理指标中都表现出对问荆水浸液较强的适应性，这2个品种分别为适时早播、抗倒伏的优良品种，因此建议在大田中广泛种植。

目前已有许多关于杂草对小麦化感作用的研究［25-26］，但利用化感作用机制选择抗性品种的研究还较少。本研究筛选出2个对问荆具有抗性的小麦品种KJ10和LM33，对大田生产及小麦的育种工作有一定的指导意义。问荆根茎对小麦种子萌发及幼苗生长具有化感作用，但其对小麦的生殖生长及产量是否具有影响、其作用机理等问题还需进一步探讨。