作物根系分泌物对小麦种子萌发及幼苗生长的影响

王 璐，陈明霞，邵 云，李春喜，朱群英，翁正鹏

(河南师范大学 生命科学学院，河南 新乡 453007)

小麦(TriticumaestivumL.)为禾本科小麦属1年生或越年生草本植物[1]，在我国分布广泛，是重要的粮食来源。大豆是我国重要的粮食作物、饲料及工业原料[2]。花生属于蝶形花科落花生属植物，种植面积较广[3]。玉米作为重要的粮食和经济作物，在地球上的种植面积和总产量位列第3。随着我国人口的增加、耕地的减少，粮食供给安全遭到了严峻的考验[4]。因此，小麦等农作物的稳产和增产成为亟待解决的问题。

作为“隐藏”部分的植物根部，其主要功能是摄取水分和养分[5-6]。在生长过程中，植物向根周围分泌释放出多种化合物，产生根际效应，这些化合物称之为根系分泌物[7-8]。根系分泌物复杂、多组分，是植物与土壤进行物质交换和信息传递的重要载体，也是根际对话的主要调控者[9-11]。根系分泌物的量在植物光合作用产物总量中所占比例较大，有时高达70%～80%，一般为12%～40%[12]。根系分泌物有很多种，可以促进或抑制其他植物的生长[13]。化感作用普遍存在，间作、套种或者轮作的农作物化感作用更加明显[14]。李翠萍[15]研究了玉米、大豆根系分泌物对马铃薯块茎萌发和萌芽生长的化感效应，结果表明，玉米和大豆是马铃薯的良好前茬作物，可与马铃薯进行间作、套种。化感作用与作物根系分泌物的种类及浓度密切相关，李彩凤等[16]研究了甜菜根系分泌物对大豆生长发育的化感作用，结果表明，甜菜根系分泌物对大豆种子萌发抑制性化感作用随分泌物浓度的升高而增大。本试验选择小麦为受体作物，大豆、花生、玉米、甘薯为供体作物，探讨这4种作物根系分泌物对小麦种子萌发及幼苗生长的影响，比较其对小麦化感作用的强弱，为构建高效合理的种植模式提供理论依据，为我国小麦产量提高和品质优化提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试小麦品种豫农4023、大豆品种驻豆11、花生品种鲁花10、玉米品种洛单248、甘薯品种商薯19号，均由河南师范大学生命科学学院在河南省新乡市获嘉县西彰仪村的项目区提供，试验于2017—2018年在全智能人工气候植物培养箱(型号HP1500GS-B)内进行。

1.2 试验设计

将大豆、花生、玉米种子用1%次氯酸钠溶液消毒 5 min，用蒸馏水冲洗数次，再用去离子水反复冲洗，置于 25～28 ℃条件下避光催芽。发芽后挑选大小一致的种子分别播种于装有石英砂的塑料盆中，用蒸馏水将石英砂浇透，加入Hoagland营养液[17]。从甘薯藤蔓上剪取幼苗，插入盛有Hoagland营养液的塑料盆中。4种作物均置于光照培养箱中培养，光照/黑暗14 h/10 h，温度25～30 ℃(光照)、20 ℃(黑暗)，相对湿度70%以上，光照强度200 lx。每孔1株、10株/盆，培养期间定期通气。

将培养40 d的幼苗移栽到盛有0.5 mmol/L CaCl2溶液、容量5 L的烧杯中，用泡沫固定。烧杯周围用黑布包裹，进行根部的避光处理、叶片光照处理。培养4 h (9:00—13:00)后，将根系取出，收集的水溶液即为根系分泌物。再将根系分泌物提取液过布氏漏斗进行抽滤、减压浓缩，4 ℃保存备用。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 种子萌发指标 挑选100粒大小一致的小麦种子，用 0.1% HgCl2消毒7 min 后，用去离子水冲洗 3 次后浸泡过夜，均匀地摆在铺有3张定性滤纸、直径 9.0 cm 的培养皿中，分别加入20 mL蒸馏水和大豆、花生、玉米、甘薯根系分泌物水溶液，以蒸馏水为对照(用R0表示)。4种作物根系分泌物的浓度梯度设定为每20 mL的水溶液中分别含有1、5、10 mL浓缩后的根系分泌物(分别用R1、R2、R3表示)。每个处理重复3次，置于18～22 ℃全智能人工气候植物培养箱中光照培养。添加根系分泌物水溶液48 h后统计小麦种子发芽数并计算萌发率，72 h后记录小麦胚根的生长情况。每天补加蒸馏水，以保持滤纸的湿润。

1.3.2 化感指数 采用 WILLIAMSON等[18]提出的化感指数(RI)作为衡量指标，调查大豆、花生、玉米、甘薯4种作物根系分泌物对小麦萌发率和胚根长的化感程度：T≥C时，RI=1-C/T；当T

其中C是对照的萌发率和胚根长，T是各处理的萌发率和胚根长。当RI>0 时表示促进作用，当RI<0时表示抑制作用，RI的绝对值表示化感作用强度的大小。

1.3.3 幼苗形态及生理指标 将添加根系分泌物水溶液后的幼苗置于人工植物培养箱中继续培养，每天加入5 mL根系分泌物处理液，R0加入5 mL 蒸馏水，20 d后选取长势均一、健康的小麦幼苗5株，从种子结合处切断，测定幼苗形态及生理指标。

叶绿素含量(SPAD值)用SPAD-502叶绿素仪测定，超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮蓝四唑(NBT)光化还原法测定，过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚比色法测定，过氧化氢酶(CAT)活性采用紫外吸收法测定，丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸TBA显色法测定[19-22]。

1.4 数据处理

用Excel 2010和SPSS 17.0软件对试验数据进行处理分析，用LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 作物根系分泌物对小麦种子萌发的影响

由表1可以看出，大豆、花生、玉米、甘薯这4种作物根系分泌物对小麦种子的萌发均表现出一定的抑制作用。小麦种子萌发率随着根系分泌物浓度的增加而逐渐降低。当4种作物根系分泌物的浓度为R1时，大豆、花生和玉米根系分泌物对小麦种子萌发的抑制作用差异不显著；当浓度为R3时，大豆和玉米根系分泌物处理下的小麦种子萌发率显著高于其他2种作物。与其他处理相比，大豆根系分泌物对小麦种子萌发率抑制作用最弱。

不同浓度根系分泌物对小麦种子胚根的发育也产生了不同影响。由表1可以看出，4种作物根系分泌物处理对小麦胚根生长表现为低浓度促进、高浓度抑制的作用。当浓度为R1时，不同作物根系分泌物处理下小麦胚根长均未达到显著性差异；当浓度为R2、R3时，大豆根系分泌物处理下的小麦胚根长均显著高于其余3种作物。

表1 作物根系分泌物对小麦种子萌发率和胚根长的影响Tab.1 Effects of root exudates of crops on the germination rate and radicle length of wheat seeds

注：同列数据后不同小写字母表示不同作物间差异显著(P<0.05)，下同。

Note:Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among Different crops (P<0.05),the same below.

2.2 作物根系分泌物对小麦化感指数的影响

4种作物根系分泌物对小麦种子萌发的化感指数的影响如图1所示。随着根系分泌物浓度的增加，4种作物根系分泌物对小麦种子萌发的抑制作用增强。

图1 作物根系分泌物对小麦种子发芽率和胚根长化感指数的影响Fig.1 Effects of root exudates of crops on the induction index of wheat seeds germination rate and radicle length

当浓度为R1时，大豆根系分泌物处理对小麦种子萌发率的抑制程度最弱，其化感指数为-0.003。当浓度为R1时，这4种作物根系分泌物对小麦胚根生长有一定的化感促进作用，大豆根系分泌物处理下的化感促进作用最强，其化感指数为0.108；当根系分泌物浓度较高时，大部分表现出对小麦胚根生长的化感抑制作用。

2.3 作物根系分泌物对小麦幼苗形态指标的影响

由表2可知，大豆、花生、玉米、甘薯这4种作物根系分泌物对小麦幼苗株高及根长均表现为低浓度促进、高浓度抑制的作用。当浓度为R1时，大豆根系分泌物处理下的小麦幼苗的根长及株高均显著高于其余3种作物，其次是花生根系分泌物处理；当浓度为R3时，大豆根系分泌物处理下小麦幼苗的根长及株高均显著高于其余3种作物，其次是甘薯根系分泌物处理。

2.4 作物根系分泌物对小麦幼苗生理指标的影响

2.4.1 对小麦幼苗叶绿素含量的影响 从图2可以看出，4种作物根系分泌物对小麦幼苗叶绿素含量的影响基本一致，即与R0相比，随着根系分泌物浓度的增大，小麦幼苗的叶绿素含量均呈现降低趋势。表明这4种作物根系分泌物对小麦幼苗叶绿素含量均具有一定的抑制作用。同一浓度下，大豆、花生、玉米根系分泌物对小麦幼苗叶绿素含量的影响未达到显著性差异，当浓度为R3时，甘薯根系分泌物处理下小麦幼苗叶绿素含量与其他处理差异显著。

表2 作物根系分泌物对小麦幼苗根长和株高的影响Tab.2 Effects of root exudates of crops on root length and plant height of wheat seedlings

不同小写字母表示不同作物间差异显著(P<0.05),下同 Different letter showed significcmt difference (P<0.05) among Different crops, the same below图2 作物根系分泌物对小麦幼苗叶绿素含量的影响Fig.2 Effects of root exudates of crops on chlorophyll content of wheat seedling

2.4.2 对小麦幼苗POD活性的影响 如图3所示，随着4种作物根系分泌物浓度的增加，小麦幼苗的POD活性均随之升高。当浓度为R3时，大豆根系分泌物处理下的小麦幼苗POD活性达到最大；当浓度为R1时，甘薯根系分泌物处理下的小麦幼苗POD活性显著高于其余3种作物；当浓度为R2和R3时，大豆根系分泌物处理下的小麦幼苗POD活性均显著高于其余3种作物；其次是甘薯根系分泌物处理，其小麦幼苗POD活性显著高于花生、玉米根系分泌物处理。

图3 作物根系分泌物对小麦幼苗叶片POD活性的影响Fig.3 Effects of root exudates of crops on POD activity in leaves of wheat seedlings

2.4.3 对小麦幼苗CAT活性的影响 如图4所示，不同浓度下小麦幼苗CAT活性均高于R0，并随着根系分泌物浓度的增加，小麦幼苗CAT活性也逐渐升高。当浓度为R3时，甘薯根系分泌物处理下的小麦幼苗CAT活性达到最大，且除R0外，甘薯根系分泌物处理下的小麦幼苗CAT活性均显著高于其他3种作物，且较R0增幅大，其次是大豆根系分泌物处理。同一浓度下，大豆、花生和玉米根系分泌物处理间无显著差异，但大豆根系分泌物处理下的小麦幼苗CAT活性略高于花生和玉米根系分泌物处理。

2.4.4 对小麦幼苗SOD活性的影响 如图5所示。当浓度为R1时，甘薯根系分泌物处理下的小麦幼苗SOD活性显著高于其他3种作物，且大豆分别与花生、花生与玉米根系分泌物处理间差异达到显著水平。当浓度为R2和R3时，甘薯根系分泌物处理下小麦幼苗SOD活性显著高于其他3种作物，其次是大豆根系分泌物处理，花生和玉米根系分泌物处理下的小麦幼苗SOD活性之间无显著性差异。

图5 作物根系分泌物对小麦幼苗叶片SOD活性的影响Fig.5 Effects of root exudates of crops on SOD activity in leaves of wheat seedling

2.4.5 对小麦幼苗MDA含量的影响 如图6所示，随着浓度升高，大豆和甘薯根系分泌物处理下的小麦幼苗MDA含量呈下降趋势。当浓度为R1时，花生根系分泌物处理下的小麦幼苗MDA含量达到最大。当浓度为R1、R2时，花生和玉米根系分泌物处理间小麦幼苗MDA含量差异不显著。当浓度为R3时，大豆、甘薯、花生根系分泌物处理间小麦幼苗MDA含量差异不显著。

图6 作物根系分泌物对小麦幼苗叶片MDA含量的影响Fig.6 Effects of root exudates of crops on MDA content in leaves of wheat seedling

3 结论与讨论

植物化感作用与根系分泌物的种类及浓度密切相关。不同作物的根系分泌物化感效应不同，同一作物的根系分泌物在不同浓度下化感效应也不同[23]。因根系分泌物具有亲水性且不易挥发，能保证获得的根系分泌物水溶液的成分绝大多数是由供试作物根系主动分泌的[24]。本研究表明，大豆、花生、玉米、甘薯这4种作物根系分泌物对小麦种子的萌发均有一定的化感抑制作用，与前人的研究结果一致[25-29]。不同浓度的作物根系分泌物对小麦种子萌发的抑制作用程度不同，这可能是由于不同作物根系分泌物中影响小麦种子萌发的化感物质成分有所差异或含量不同所致。小麦种子的萌发对大豆根系分泌物的敏感程度不高，但大豆根系分泌物中的某些化感物质可促进小麦幼苗的生长，其具体成分和作用机制等问题有待进一步探究。

叶绿素含量是表征植物生长状况的重要指标。本研究表明，小麦幼苗中的叶绿素含量总体上随着4种作物根系分泌物浓度的增加呈下降趋势。POD、CAT是植物体内重要的活性氧清除剂，具有分解H2O2的作用[30]，SOD对植物细胞起保护作用，在逆境时其酶活性增加[31]。本研究中小麦幼苗的POD、CAT活性总体上随着4种作物根系分泌物浓度的增加而增加，这可能是因为加入根系分泌物后，小麦幼苗细胞内的活性氧自由基增加[32]，从而导致POD、CAT活性增强。植物在逆境下遭受伤害与活性氧积累诱发的膜质过氧化作用密切相关，MDA是膜脂过氧化的重要产物，因此可通过测定MDA含量了解膜脂过氧化的程度[33-35]。小麦幼苗中MDA含量随着大豆和甘薯根系分泌物浓度的升高而降低，这可能是由于此条件下保护酶活性的增强，膜脂过氧化作用降低，从而使MDA含量降低。综上所述，本研究中不同浓度的大豆、花生、玉米、甘薯4种作物根系分泌物对小麦种子和幼苗均有不同程度的影响，相比于玉米和花生处理，大豆和甘薯根系分泌物低浓度处理下小麦的胚根长、根长、株高、SOD活性、POD活性、CAT活性的促进作用较为明显。从生化角度来看，大豆、甘薯与小麦轮作能更好地促进小麦生长，但种植甘薯会使小麦播期推迟而影响小麦产量，不太适宜作为小麦前茬作物。大豆、花生、玉米、甘薯这4种作物根系分泌物中化感物质的种类、作用机制、临界含量等问题有待于进一步研究。