假苍耳不同部位水浸提液对五种十字 花科植物化感作用的研究

姚树宽，李凤兰，彭丽娜，冯旭，董佳敏，冯哲,张俊峰， 赵巧芩，冯珊珊，徐永清*，胡宝忠,2*

(1.东北农业大学生命科学学院，黑龙江 哈尔滨 150030；2.哈尔滨学院，黑龙江 哈尔滨 150086)

Molisch于1937年第一次提出化感作用，定义为植物或者微生物通过产生生物化学物质而影响其他植物的现象，并指出这种相互作用包括抑制作用和促进作用两方面[1]。1984年Rice[2]将化感作用定义进一步完善，植物或微生物通过释放代谢物质到环境中，对其他植物产生直接或间接的有利或有害的作用称为化感作用。化感物质几乎存在于植物体的各个器官当中(根、茎、叶、花、果实)，茎、叶器官所含化感物质最多，在植物相互作用的过程中发挥着重要的作用[3]，且只有经过适当的途径才能从植物各器官中释放到环境当中，从而对周围的植物或者微生物起到化感作用。自然条件下，植物主要通过5个途径产生化感作用：植物根系分泌化感物质产生化感作用；植物地上部分受雨、雾和露水淋溶浸出化感物质产生化感作用；植物茎叶向体外挥发释放化感物质产生化感作用；植株枯枝落叶在土壤中降解释放化感物质产生化感作用；种子萌发和花粉传播化感物质产生化感作用[4-5]。越来越多的研究显示外来植物成功入侵很大程度上是借助于化感物质的释放对入侵地植物造成影响。紫茎泽兰(Eupatoriumadenophora)、薇甘菊(Mikaniamicrantha)、飞机草(Eupatoriumodoratum)入侵机制均发现化感物质主要通过淋溶途径作用到周围植物[6-8]，紫茎泽兰、白三叶(Trifoliumrepens)、三七(Panaxnotoginseng)等植物的凋落物水提液化感作用的研究均显示出对供试植物种子萌发、幼苗生长具有显著的抑制作用，且抑制作用随着浓度的升高而越加显著[6,9-10]。而百合(Liliumbrownii)和中间锦鸡儿(Caraganaintermedia)的化感研究表现出对某些供试植物种子萌发具有“低促高抑”双重效应，由此可见，植物间的化感作用存在复杂的相互作用机制[11-12]，需要系统全面的研究。

假苍耳(Ivaxanthiifolia)原产北美，是菊科(Compositae)假苍耳属(Iva)一年生植物[13]，1966年首次在欧洲的塞尔维亚地区被发现[14]，并于20世纪80年代入侵我国，目前东北三省已有一定的分布[15]。假苍耳最高可达4.5 m，生长速度极快，繁殖能力强，入侵后能迅速定居且快速传播；占领发生区后，除少数蒿属可以生存，大批土著野生植物被其演替消亡，对生物资源多样性构成巨大威胁[16-17]；入侵到农作物区，一方面影响作物生长，降低农产品的品质和产量，另一方面受污染的饲草会导致牛奶的品质变劣，对农、林、牧业生产均有较大威胁，受到国家政府的高度重视，1997年的《中华人民共和国进境植物检疫潜在危险性病、虫、杂草名录(试行)的通知》将假苍耳列为我国潜在的危害性入侵杂草[18]，国内外对其研究包括生理生化及化学成分的分离鉴定[18-19]，化感研究则有赵薇等[20]对作物和杂草的影响，与其他入侵植物的研究相比，处于起步阶段，对其化感作用及其入侵机制的系统研究迫在眉睫。

本试验采用室内生物学测定法研究假苍耳对5种十字花科植物种子萌发及幼苗生长的影响，探究假苍耳的化感作用，构建假苍耳化感效应研究的模型和快速检测评价体系，建立化感研究体系方法,为假苍耳的阐述外来入侵植物入侵途径，入侵机制研究提供理论依据与试验支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

假苍耳于2016年9月采集于东北农业大学校园内试验田，萝卜(Raphanussativus)、白菜(Brassicacampestris)、油菜(Brassicapekinensis)、芥菜(Brassicajuncea)、甘蓝(Brassicaoleracea)种子购买于哈尔滨市香坊区公滨种子站。

1.2 试验方法

1.2.1假苍耳水浸提液的制备 将假苍耳的根、茎剪成<2 cm的片段，室内自然阴干，用粉碎机粉碎过0.425 mm(40目)筛储藏备用，分别称取假苍耳根、茎粉末各40 g，加1000 mL蒸馏水(25±1) ℃浸提48 h，5000 r·min-1离心5 min，用循环水式真空泵抽滤，再用孔径为0.45 μm滤膜过滤，获得质量浓度为40 g·L-1假苍耳根、茎浸提液母液，用无菌蒸馏水稀释成10、20、30 g·L-1浸提液4 ℃保存备用。

1.2.2化感作用测定 试验前将供试种子用1% NaClO消毒30 min，用无菌蒸馏水冲洗3次，选取30粒大小一致、粒饱满的供试种子置于直径90 mm，铺有2层滤纸的培养皿中，分别加入不同浓度(10、20、30、40 g·L-1)假苍耳根或茎浸提液5 mL，蒸馏水为对照(CK)，于(25±1) ℃ 4000 lx、12 h光照下培养7 d，每天适当补充浸提液，各处理重复3次。

1.2.3测定项目和方法 胚根或胚轴突破种皮1～2 mm为标准，每24 h观察记录萌发种子数，在第5 天时计算发芽势(GE)，第7天统计发芽率(GR)，计算发芽指数(Gi)、活力指数(Vi)，同时从每个培养皿中随机取出5个植株幼苗，用滤纸轻轻吸干表面水分，用直尺测量幼苗根长(cm)、苗高(cm)，用电子天平测量苗鲜重(g)，算出各指标平均值。各指标计算公式如下：

发芽率=7 d内正常发芽种子数/供试种子数×100% 发芽势=5 d内发芽种子数/供试种子数×100% 发芽指数(Gi)=∑(Gt/Dt)

式中：Gt为第“t”日的种子发芽数量；Dt为种子发芽试验第“t”日。

活力指数(Vi)=S∑(Gt/Dt)=S×Gi

式中：S表示幼苗的生长量(长度或重量)；Gi表示种子发芽指数。

RI=(1-C/T)×100%

式中：RI为化感指数，Bruce等[21]提出用来衡量化感作用的指标，C为对照值，T为处理值，当RI>0表示为促进作用，当RI<0表示为抑制作用。RI绝对值代表化感作用强度的大小。

综合化感效应指数(SE)：供体植物对同一受体植物的各个测试指标的RI的算术平均值[22]。

1.3 数据处理

用Excel 2010、Graphpad prism 5软件进行数据处理、方差分析并绘图。

2 结果与分析

2.1 不同浓度假苍耳根、茎浸提液对种子萌发的影响

2.1.1根浸提液对种子萌发的影响 由图1A可知，假苍耳根浸提液对5种植物种子的发芽率化感作用不同，5种植物发芽率大致是随着假苍耳根浸提液浓度的增高而降低，10 g·L-1根浸提液处理条件下，萝卜、白菜、油菜发芽率均高于空白对照组，差异不显著(P>0.05)，芥菜和甘蓝发芽率均低于对照组，差异显著(P<0.05)，40 g·L-1根浸提液处理条件下5种植物发芽率均低于对照组，差异显著(P<0.05)，萝卜、白菜、油菜、芥菜、甘蓝发芽率分别下降15.28%，10.39%，17.38%，23.55%，26.87%，根浸提液对芥菜和甘蓝的抑制作用最强。

发芽势是指种子发芽的整齐程度，是种子发芽快慢和能力强弱的标志。由图1B可知，假苍耳根浸提液对5种植物种子发芽势化感作用不同，10 g·L-1根浸提液处理条件下，萝卜、白菜、油菜发芽势均高于空白对照组，差异不显著(P>0.05)，芥菜发芽势低于对照，差异不显著(P>0.05)，甘蓝发芽势低于对照组，差异显著(P<0.05)，当假苍耳根浸提液浓度>20 g·L-1时，对5种植物发芽势整体呈抑制作用，且随着浓度增高抑制作用越强；40 g·L-1根浸提液浓度处理条件下，5种植物发芽势均低于对照组，差异显著(P<0.05)。

由图1C，D可知，不同浓度假苍耳根浸提液对5种植物发芽指数和活力指数的化感作用不同，活力指数是反映种子正常发芽的一个综合指标。萝卜、白菜、油菜发芽指数和活力指数随着浓度升高呈现先增加后降低的趋势，即“低促高抑”双重效应，芥菜、甘蓝发芽指数和活力指数随着浓度增高呈下降趋势(P<0.05)。10 g·L-1根浸提液处理条件，萝卜、白菜、油菜活力指数均高于对照组，差异显著(P<0.05), 萝卜、白菜、油菜发芽指数高于对照组，仅白菜差异显著(P<0.05)，芥菜、甘蓝发芽指数和活力指数均低于对照组，差异显著(P<0.05)，40 g·L-1根浸提液处理条件下，5种植物发芽指数和活力指数均低于对照组，差异显著(P<0.05)。

图1 不同浓度假苍耳根浸提液对种子萌发的影响Fig.1 Effects of different concentrations of I. xanthiifolia root extract on seed germination 不同字母表示差异性显著(P<0.05)。下同。Different letters mean significant difference at P<0.05. The same below.

2.1.2茎浸提液对种子萌发的影响 由图2A可知，不同浓度假苍耳茎浸提液对5种植物发芽率的化感作用不同，随着茎浸提液浓度的增大，对种子萌发率抑制作用越强，低浓度可提高白菜、油菜发芽率，即“低促高抑”双重效应，10 g·L-1茎浸提液处理条件下，促进白菜、油菜种子的萌发，同对照相比差异显著(P<0.05)，萝卜发芽率也高于对照组，差异不显著(P>0.05)，显著抑制了芥菜和甘蓝种子的发芽率(P<0.05)，40 g·L-1茎浸提液处理条件下，对5种植物种子发芽率均表现为抑制作用，与对照组相比差异显著(P<0.05)，对5种植物的化感抑制作用强弱顺序为：甘蓝>芥菜>白菜>油菜>萝卜。

由图2B可知，不同浓度假苍耳茎浸提液对白菜、油菜发芽势亦表现为“低促高抑”双重效应，10 g·L-1假苍耳茎浸提液处理下促进作用最强。10 g·L-1浸提液处理条件下，白菜、油菜发芽势均高于对照组，差异显著(P<0.05)，萝卜发芽势也高于对照组，差异不显著(P>0.05)，芥菜、甘蓝发芽势显著低于对照组(P<0.05)；40 g·L-1浸提液处理条件下，5种植物发芽势均低于对照组，差异显著(P<0.05)，对芥菜和甘蓝的抑制作用最强。

由图2C，D可知，假苍耳茎浸提液对5种植物发芽指数和活力指数的化感作用不同，萝卜、白菜、油菜发芽指数和活力指数随着茎浸提液浓度的升高呈现先增高后降低的趋势，即“低促高抑”双重效应，芥菜、甘蓝呈下降趋势。10 g·L-1浸提液处理条件下促进作用最强，萝卜、白菜发芽指数和活力指数均高于对照组，差异显著(P<0.05)，芥菜、甘蓝发芽指数和活力指数均低于对照组，除甘蓝活力指数外，均差异显著(P<0.05)，40 g·L-1茎浸提液处理下，5种植物发芽指数和活力指数均低于对照组，差异显著(P<0.05)。

图2 不同浓度假苍耳茎浸提液对种子萌发的影响Fig.2 Effects of different concentrations of I. xanthiifolia stem extract on seed germination

2.2 不同浓度假苍耳根、茎浸提液对幼苗生长的影响

2.2.1根浸提液对幼苗生长的影响 由图3可知，不同浓度假苍耳根浸提液对5种植物幼苗生长的化感作用不同，低浓度时促进幼苗的生长，随着浓度的升高抑制幼苗的生长，即表现为“低促高抑”双重效应。10 g·L-1假苍耳根浸提液处理条件下，对萝卜、白菜、油菜3种植物的根长、苗高、苗鲜重均有一定的化感促进作用，同对照组相比，除白菜苗高外，均差异显著(P<0.05)，而对芥菜、甘蓝2种植物的根长、苗高、苗鲜重均有一定的抑制作用，且根长、苗高同对照组相比差异显著(P<0.05)；当假苍耳根浸提液浓度>20 g·L-1时，对5种植物的根长、苗高、苗鲜重呈抑制趋势，40 g·L-1浓度的浸提液抑制作用最强；40 g·L-1浓度假苍耳根浸提液处理条件下，对萝卜、白菜、油菜、芥菜、甘蓝5种植物的根长、苗高、苗鲜重均低于对照组，差异显著(P<0.05)；根浸提液对萝卜的抑制作用最弱，对芥菜、甘蓝的抑制作用最强。

图3 不同浓度假苍耳根浸提液对幼苗生长的影响Fig.3 Effects of different concentrations of I. xanthiifolia root extract on seed growth

2.2.2茎浸提液对幼苗生长的影响 由图4可知假苍耳茎浸提液对5种植物幼苗生长的影响规律，假苍耳茎浸提液对萝卜、白菜、油菜植物幼苗生长影响表现为低浓度促进高浓度抑制，对芥菜、甘蓝幼苗生长影响表现为抑制作用。当假苍耳茎浸提液浓度为10 g·L-1作用下，对萝卜、白菜的根长、苗高、苗鲜重均有一定的促进作用，同对照组相比差异显著(P<0.05)，对油菜、芥菜、甘蓝的根长、苗高、苗鲜重均有一定的抑制作用，同对照组相比差异显著(P<0.05)；随着假苍耳茎浸提液浓度的升高，对5种植物幼苗根长、苗高、苗鲜重抑制作用增强，40 g·L-1假苍耳茎浸提液对5种植物抑制作用最强，当假苍耳茎浸提液浓度为40 g·L-1时，对萝卜、百菜、油菜、芥菜、甘蓝5种植物的根长、苗高、苗鲜重均有显著差异性(P<0.05)，对芥菜、甘蓝的根长、苗高、苗鲜重抑制作用最强。

2.3 不同浓度假苍耳根、茎浸提液对5种植物发芽率化感指数的影响

发芽率是直接反映植物种子发芽能力的指标，化感物质影响种子萌发的作用强度可以通过发芽率化感指数进行评价。分析了5种受体植物发芽率的化感指数。由图5和图6可知，不同浓度的假苍耳根、茎浸提液对十字花科的5种植物均有化感效应，对萝卜、白菜、油菜发芽率化感指数的影响总体趋势表现为低浓度促进高浓度抑制的双重效应，对芥菜、甘蓝发芽率化感指数影响总体趋势是抑制作用。不同浓度不同部位的假苍耳浸提液对十字花科5种植物发芽率化感指数强弱顺序不同，根浸提液对5种植物发芽率化感指数强弱为：甘蓝>芥菜>油菜>萝卜>白菜，茎浸提液对5种植物发芽率化感指数强弱为：甘蓝>芥菜>油菜>白菜>萝卜，芥菜、甘蓝为最敏感植物，萝卜对假苍耳根浸提液中化感物质敏感性最弱。从不同部位假苍耳浸提液对十字花科5种植物发芽率化感指数的影响可知，假苍耳2种浸提液对5种植物化感作用的强弱顺序为茎浸提液>根浸提液。表明相对于根来说假苍耳茎是产生化感物质的主要部位，这些化感物质可以通过淋溶的方式释放到周围环境中从而对周围的生物产生影响。

图4 不同浓度假苍耳茎浸提液对幼苗生长的影响Fig.4 Effects of different concentrations of I. xanthiifolia stem extract on seed germination

2.4 不同浓度假苍耳根、茎浸提液对5种植物根长化感指数的影响

植物种子萌发后，胚根最先突破种皮，发育成主根，从周围环境吸收水分与无机营养，供幼苗生长发育，因而幼苗期，根部可能是最先接触到化感物质并受到影响的，根的生长变化也可能是化感作用强弱最直接的反映。分析5种受体植物根长的化感指数，由图7和图8可知，不同浓度的假苍耳根、茎浸提液对十字花科的5种植物幼苗生长均有化感效应，植物对浸提液中的化感物质敏感性存在一定的差异，对萝卜、白菜、油菜根长化感指数的影响总体表现为“低促高抑”的双重效应，芥菜、甘蓝根长化感指数的影响表现为抑制作用。两部位不同浓度假苍耳浸提液对5种植物化感指数强弱顺序不同，依敏感程度由强到弱为甘蓝>芥菜>油菜>白菜>萝卜，芥菜、甘蓝为敏感植物，萝卜敏感性最弱。

综合对比发芽率和根长化感指数可以看出，化感物质对种子萌发和幼苗生长都有不同程度的影响，就本试验涉及的5种植物而言，敏感性较强的芥菜、甘蓝种子萌发时受到较大抑制，而后在幼苗生长发育的过程中再次受阻，可见化感物质对敏感性植物的化感作用具有叠加效应。而相对抗性较强的萝卜、白菜，种子萌发所受的化感抑制低于根长受到的抑制，这说明化感物质对幼苗的影响可能更强烈。

2.5 不同浓度假苍耳根、茎浸提液对5种植物综合化感效应指数的影响

为了综合分析假苍耳根、茎水浸提液对十字花科5种植物种子萌发和幼苗生长发育的化感效应，统计5种植物的发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、幼苗根长、苗高、苗鲜重7个指标的RI值计算出综合化感效应指数(SE)。由图9和图10可知，随着假苍耳根、茎水浸提液浓度的升高，芥菜、甘蓝受抑制程度逐渐增强，在40 g·L-1时，达到最大； 萝卜、白菜、油菜受假苍耳根、茎水浸提液的影响表现为“低促高抑”的双重效应，在假苍耳浸提液浓度为10 g·L-1时，对萝卜、白菜、油菜表现为促进作用，高于10 g·L-1时，表现为抑制作用，且随着浓度的升高抑制作用逐渐增强。比较根、茎浸提液对十字花科植物的综合化感指数，可以看出假苍耳茎浸提液对5种受体植物的影响更大，说明假苍耳茎中有影响种子萌发和幼苗生长发育的主要化感物质。综合化感效应指数同发芽和根长的化感指数相比，发现各指数反映的化感作用趋势一致，综合化感指数能更加全面地反映假苍耳的化感作用强度。

图5 不同浓度假苍耳根浸提液对5种 植物发芽率化感指数的影响Fig.5 Effect of different concentrations of I. xanthiifolia root aqueous extract on the allelopathic indices of five recipient plants germination rate

图6 不同浓度假苍耳茎浸提液对5种 植物发芽率化感指数的影响Fig.6 Effect of different concentrations of I. xanthiifolia stem aqueous extract on the allelopathic indices of five recipient plants germination rate

图7 不同浓度假苍耳根浸提液对5种 植物根长化感指数的影响Fig.7 Effect of different concentrations of I. xanthiifolia root aqueous extract on the allelopathic indices of five recipient plants root length

图8 不同浓度假苍耳茎浸提液对5种 植物根长化感指数的影响Fig.8 Effect of different concentrations of I. xanthiifolia stem aqueous extract on the allelopathic indices of five recipient plants root length

图9 不同浓度假苍耳根浸提液对5种 植物综合化感效应指数的影响Fig.9 Effect of different concentrations of I. xanthifolia root aqueous extract on the comprehensive allelopathy index of five recipient plants

图10 不同浓度假苍耳茎浸提液对5种 植物综合化感效应指数的影响Fig.10 Effect of different concentrations of I. xanthiifolia stem aqueous extract on the comprehensive allelopathy index of five recipient plants

3 讨论

植物化感作用是自然界中普遍存在的一种生态机制，主要影响植物种子的萌发及幼苗生长，且不同部位对受体的化感作用存在差异[23-24]，有研究表明，植物化感作用的强弱不仅与浸提液浓度、化感物质种类有关，还与受体植物的种类有关[25]。本研究以不同浓度假苍耳根、茎浸提液处理十字花科Raphanus和Brassica两个属5种植物：萝卜、白菜、油菜、芥菜、甘蓝，观察其对种子萌发及幼苗生长的影响，结果表明假苍耳根、茎浸提液对5种种子的萌发及幼苗生长均具有明显的抑制或促进作用。芥菜、甘蓝种子萌发及幼苗生长均表现为抑制作用，随着假苍耳根、茎浸提液浓度的升高其抑制作用不断增强，且茎浸提液抑制作用要强于根浸提液的抑制作用，这与胡远彬等[24]和赵微等[20]研究劲直黄芪、假苍耳水浸提液对种子发芽和幼苗生长的结果一致。不同植物对假苍耳浸提液化感作用的响应不同，同为Brassica属的4种植物白菜、油菜、芥菜、甘蓝之间也表现出显著的差异性，其中甘蓝最敏感，芥菜次之，白菜和Raphanus属的萝卜则敏感性较差，这与张汝民等[26]研究几种牧草幼苗对冷蒿茎叶水浸提液化感作用结果一致，这说明假苍耳浸提液中发挥化感作用的化感物质具有选择性和依赖性，这一现象可能与植物种的进化历史有关[27]，在长期的协同进化过程中，土著植物更习惯于相互之间的化感作用，而当外来植物入侵到一个新的生境时，向环境中释放化感物质，土著植物对其敏感性表现出相对差异性[28]。同一植物对不同浓度的化感物质也会产生不同的响应，高浓度下具有显著性的抑制作用，低浓度下作用不显著或者起促进作用[29]。假苍耳根、茎浸提液对萝卜、白菜、油菜种子萌发及幼苗生长基本上呈现“低促高抑”的双重效应，与王蓓等[30]对核桃化感作用进行研究，发现受体植物表现出高浓度抑制低浓度促进的双重效应相一致。化感作用综合化感效应指数分析发现假苍耳不同部位浸提液对受体植物的化感作用不同，茎浸提液的化感作用要强于根，表明茎是产生假苍耳化感物质的重要部位，由此推测假苍耳化感物质主要通地上部分淋溶与挥发进入环境，而较少来自根系释放途径。假苍耳植株高大，入侵地平均株高可达2.5 m，且茎秆粗壮，地上部分每年累积生物量巨大，自然淋溶条件下也会对周围的生物造成强烈的化感作用，从而破坏入侵地的生态平衡。因此应该采取有效措施，降低假苍耳地上残株进入自然环境的量，从而降低对土著生物的影响。

4 结论

假苍耳根、茎浸提液对十字花科5种植物种子萌发和幼苗生长均具有显著的化感效应，且5种植物之间存在一定的差异，其中对萝卜、白菜、油菜总体化感作用趋势为“低促高抑”的双重效应，而对芥菜、甘蓝表现为抑制作用，说明不同植物对假苍耳浸提液中化感物质敏感性不同；当浓度达到20 g·L-1，5种受试植物种子萌发和幼苗生长均受到显著的抑制，且随着浓度的增加而增强；不同部位浸提液对5种十字花科植物化感作用强弱为茎>根。