外源芦丁对3种常见杂草的化感效应

吕勇 侯新村 郑瑞伦 范希峰 李永梅

摘要：为初步探究芦丁对杂草的化感效应，本试验以杂草株高、净光合速率、气孔导度、根系活力和SOD活性等指标为参数，研究芦丁对3种常见杂草生长发育的作用。结果表明，高浓度芦丁对杂草的生长以及各项生理指标都起到抑制作用，证明芦丁对杂草具有化感作用；且芦丁对不同种类杂草的化感作用强度不同。本研究结果将为以后利用化感物质防治杂草的应用提供理论参考。

关键词：芦丁；杂草；化感作用；酶活性

中图分类号：S482.4文献标识号：A文章编号：1001-4942（2018）07-0138-05

Abstract To preliminarily explore the allelopathic effect of rutin on weeds， the effects of rutin on the growth and development of common weeds were studied in the experiment， such as plant height， net photosynthesis and stomatal conductance， root activity and SOD activity and other physiological indexes. The results showed that high concentration of rutin had a certain inhibitory effect on the growth and various physiological indexes of weeds， which proved that rutin had a allelopathic effect on weeds. And rutin had different effects on different kinds of weeds. The conclusion will provide a theoretical basis for the application of allelochemicals in control of weeds.

Keywords Rutin； Weeds； Allelopathic effect； Enzyme activity

雜草种类繁多，全世界约有5万种，农田杂草8 000多种，主要粮食危害杂草约250种[1]。杂草具有生物量大、抗逆性强、生长迅速的特点[1-3]，大部分杂草兼有有性繁殖和无性繁殖方式，能在短时间内完成其生长周期[4]。杂草的种子具有顽强的生命力[5]，种子寿命相当长，如，藜（Chenopodium album）种子可存活1 700多年[6]，繁缕（Stellaria media）种子能存活622年[7]。

绝大部分杂草的种子都很小且易于传播，同时每株杂草的产籽数量相当高，常与栽培植物伴生[1]。杂草对人类生产生活会产生多种危害，具有明显抑制作物生长发育的作用，有时还会助长病虫的发生和蔓延[1-3]。

化感作用指植物通过特定的方式（淋溶、挥发、残体分解和根系分泌等）向环境释放化学物质，从而达到对其周围其他植物造成直接或间接、有害或有利的效果[8-10]。植物利用这些方式分泌出次生代谢物产生相互作用，从而维护对自身有利的生态环境[11，12]。植物将化感物质作为一种化学武器使其在种群生态群落中得以立足，这也是植物自我防卫与攻击的重要机制[13]。近年来有很多运用化感效应除草的研究，郭怡卿等[14]研究发现，部分水稻存在化感作用，可以有效防治杂草的生长，通过选用化感水稻可以有效节约资源、财力和物力，达到合理控草。邬彩霞等[15]研究发现黄花草木樨（Melilotus officinalis）水浸提液对田间常见杂草有化感抑制作用。

化感作用的主要媒介就是化感物质，化感物质种类很多，最常见的是含氮化合物、酚类、萜类和其他次生物质[16，17]。关于化感物质的研究也有很多，李鹏程[18]研究发现，刺苋体内潜在的化感物质芦丁、齐墩果酸和β-谷甾醇，对水稻、豇豆、白菜等作物种子萌发及幼苗生长都有不同程度的抑制作用。杨雪芳[19]研究发现，水稻苯并噻嗪化感物质衍生物对稻田杂草尤其是抗除草剂生态型稗草有抑制作用。

本试验通过向3种常见杂草施用化感物质芦丁，探讨其对3种杂草生长及生理指标的影响，明确其化感效应，以期为筛选高效、环保、可防治农业生产中杂草生长的化感物质奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

牛筋草（Eleusine indica）、反枝苋（Amaranthus retroflexus）、狗尾草（Setaria viridis），于2015年收集自北京市小汤山国家精准农业研究示范基地草本能源植物资源圃（以下简称“小汤山基地”）。先用1%甲醇溶解芦丁，然后用黄酮溶液分别配置成浓度为0.1、0.5、1.0、5.0、10.0 mmol·L-1的芦丁溶液，最后用少量甲醇调节各浓度溶液，使甲醇含量达1%。

1.2 试验设计

1.2.1 试验分组 将试验分为6组，CK为空白对照组，处理组分别为0.1、0.5、1.0、5.0、10.0 mmol·L-1的芦丁溶液。

1.2.2 试验处理 分别播种3种杂草，播种前对种子进行消毒和催芽处理，以获得长势一致的幼苗。当幼苗长至4～5片叶时，移植到内径为15 cm的黑色塑料盆中进行栽培，每盆一株，盆栽土取自小汤山基地。缓苗一周后挑选出生长一致的幼苗进行施药，盆栽株距40 cm，行距60 cm，围绕根际约10 cm，将各处理组溶液均匀施入相应的盆栽中，每个盆栽100 mL，每组3次重复。每隔6 d施加一次处理组溶液，30 d后进行各项指标测定。

1.2.3 指标测定 株高和茎粗分别用卷尺和游标卡尺测定；光合速率变化采用CIRAS-I型便携式光合仪（英国PP-system公司）测定[20]；超氧化物歧化酶（SOD）活性、丙二醛（MDA）含量、根系活力与叶绿素含量均参照邹琦、赵世杰等方法测定[21，22]。

1.3 数据分析

采用Microsoft Excel、SPSS 16.0.2软件对数据进行处理分析。利用单因素方差分析和最小显著差数法（LSD）进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 外源芦丁对3种杂草生长的影响

由表1可以看出，外源芦丁处理对3种杂草生长影响显著。随着芦丁浓度的提高，株高均降低，牛筋草株高比CK降低了24.00%～43.68%；反枝苋株高比CK降低了9.79%～32.17%；狗尾草株高比CK降低了9.02%～24.49%，表明芦丁浓度越大其抑制作用越明显。

随着芦丁浓度的升高，地上、地下部鲜重均呈逐渐降低趋势，且与CK差异显著，牛筋草地上部鲜重比CK降低了35.59%～58.01%，地下部鲜重比CK降低了19.10%～48.88%；反枝苋地上部鲜重比CK降低了16.50%～38.35%，地下部鲜重比CK降低了34.91%～64.15%；狗尾草地上部鲜重比CK降低了13.51%～38.51%，地下部鲜重比CK降低了37.32%～61.82%。

2.2 外源芦丁对3种杂草叶片光合参数的影响

如表2所示，随着芦丁浓度的提高，3种杂草叶片的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度均呈下降趋势，胞间二氧化碳浓度呈上升趋势，除牛筋草蒸腾速率外，高浓度下均与CK差异显著。

当芦丁浓度为10.0 mmol·L-1时，牛筋草的净光合速率比CK降低了51.78%，蒸腾速率降低了41.15%，气孔导度降低了51.48%，胞间二氧化碳浓度上升了32.57%；反枝苋的净光合速率比CK降低了46.60%，蒸腾速率降低了53.55%，气孔导度降低了64.51%，胞间二氧化碳浓度上升了24.08%；狗尾草的净光合速率比CK降低了43.16%，蒸腾速率降低了47.79%，气孔导度降低了62.19%，胞间二氧化碳浓度上升了23.85%。由此看出高浓度芦丁会降低叶片的蒸腾速率和气孔传导能力，从而降低光能转化率。同时胞间二氧化碳浓度越高光合速率越低，可见气孔导度并不是限制植株光合作用的唯一决定因素，可能还伴随着非气孔限制因素致使光能转化效率降低，吸收和同化物质、能量的能力降低，从而导致叶片发黄，植株生长缓慢。

2.3 外源芦丁对3种杂草叶片叶绿素和根系活力的影响

由图1可知高浓度（5.0、10.0 mmol·L-1）的芦丁处理对3种杂草叶片叶绿素含量均有显著降低作用，其中狗尾草叶片叶绿素含量出现“低促高抑”现象，当芦丁浓度为0.1 mmol·L-1时，狗尾草叶片叶绿素含量显著高于CK。随着芦丁浓度的升高，牛筋草和反枝苋叶绿素含量持续降低，牛筋草叶绿素含量比CK降低了17.42%～45.63%；反枝莧叶绿素含量比CK降低了10.51%～60.77%。表明经过高浓度芦丁浇灌后，3种杂草叶片叶绿素含量降低，导致植株生长缓慢、叶片发黄，生长发育受阻。

由图2可知，芦丁处理对3种杂草根系活力均有明显抑制作用。随着芦丁浓度的提高，牛筋草根系活力比CK降低了49.23%～88.91%；反枝苋根系活力比CK降低了45.45%～70.13%；狗尾草根系活力比CK降低了40.83%～78.66%。经过芦丁浇灌后3种杂草根系活力均受到抑制，且随着添加浓度的升高，抑制作用增强，根冠吸收养分能力降低，根系生长缓慢，导致杂草无法进行正常的生长发育。

2.4 外源芦丁对3种杂草叶片超氧化物歧化酶活性和丙二醛含量的影响

图3所示，芦丁处理对牛筋草和反枝苋叶片SOD活性表现出“低促高抑”现象，当浓度为0.1、0.5 mmol·L-1时两者的SOD活性显著高于CK；当芦丁浓度达到1.0 mmol·L-1，对牛筋草叶片SOD活性表现出明显的抑制作用，且随着浓度的升高抑制作用持续加强；而对反枝苋叶片SOD活性依旧表现出促进作用，直至芦丁浓度达到10.0 mmol·L-1时，才对反枝苋叶片SOD活性表现显著的抑制作用。芦丁处理下对狗尾草叶片SOD活性始终起抑制作用，且随着浓度升高抑制作用增强，SOD活性比CK降低了14.86%～42.18%。说明浇灌高浓度的芦丁会降低3种杂草叶片的SOD活性，使植株体内超氧自由基累积，加大对细胞的损害，导致叶片提前衰老。

由图4可知，芦丁处理使牛筋草和狗尾草叶片MDA含量表现出上升趋势，随着芦丁浓度的提高，牛筋草叶片MDA含量比CK升高了84.97%～466.69%，狗尾草叶片MDA含量比CK升高了55.61%～246.77%；而对反枝苋，低浓度时MDA含量有所降低，直到芦丁浓度为10 mmol·L-1时才显著升高，为对照的37.97%。可以看出，经过芦丁处理的牛筋草叶片MDA含量上升速度最快，其次是狗尾草，反枝苋上升速度最慢，说明芦丁对牛筋草叶片细胞膜脂过氧化程度的影响较大，对反枝苋叶片的影响较小。

3 讨论与结论

杂草对农作物生长发育有着严重危害，是农业生产的大敌[23]，除草剂的施用虽然在短时间内可以控制杂草的生长，但与此同时也带来了许多副作用，不仅污染环境而且会导致部分杂草产生抗药性[24]。在可持续发展观念不断增强的今天，通过培育化感作用植物，达到生态安全条件下杂草的有效控制，运用生物农药达到绿色除草的目的，已经成为人们迫切的需求。

本试验对3种杂草使用化感物质芦丁，研究芦丁对杂草生长发育的作用，结果表明，随着芦丁浓度的提高，3种杂草株高、地上地下部鲜重不断降低；叶片净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、根系活力和叶片叶绿素含量均呈下降趋势，胞间二氧化碳浓度呈上升趋势。说明添加芦丁后对3种杂草的生长发育起到了明显的抑制作用，随着浓度升高抑制作用加强。

SOD是植物体天然的超氧自由基消除剂[25，26]，高浓度芦丁处理后SOD活性被抑制，植物体内活性氧迅速积累，造成膜结构破坏，膜脂过度氧化，影响细胞正常代谢[27]，从而加剧细胞衰老[28，39]。芦丁处理对牛筋草和反枝苋叶片SOD活性表现出“低促高抑”的现象，说明低浓度芦丁溶液会导致一定程度的活性氧累积，诱导了SOD活性的提高；随着芦丁浓度持续升高，活性氧大量积累，膜脂过氧化加剧，膜结构破坏，细胞代谢受阻，酶活性降低；对狗尾草叶片SOD活性始终起到抑制作用，说明狗尾草叶片抗逆性差。MDA是膜脂过氧化的产物，在芦丁处理下，牛筋草和狗尾草的MDA含量快速积累，而反枝苋积累较慢，积累量较低，说明芦丁处理对反枝苋生长发育的抑制作用低于其余两种杂草。

综上所述，芦丁处理对3种杂草的生长、生理指标都起到了化感作用，且高浓度效果更加明显。这为今后更好地研究化感物质提供了一定的试验基础，也为新型环保生物除草剂的使用奠定了基础。但是本试验均在试验田中进行，扩展到农业生产中是否可行还需要进一步验证。

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