棉花水浸提液对西瓜、大豆的化感作用研究

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(1.贵州大学生命科学学院/农业生物工程研究院，贵州省农业生物工程重点实验室，山地植物资源保护与种质创新省部共建教育部重点实验室，贵阳 550025；2.贵州大学茶学院/贵州省山地生态与农业生物工程2011协同创新中心，贵阳 550025；3.贵州省农业科学院农业农村部/国家DUS中心贵阳分中心，贵阳 550006)

化感(Allelopathy)是指植物(或微生物)通过向周围环境释放某些化学物质，对自身或其附近生物的生长产生的促进或抑制作用[1-2]。利用不同作物间化感作用的性质和特点，在农业生产应用中布局合理的耕作模式，可以有效利用有限空间、促进作物生长和增加作物产量[3-4]，反之则会对作物的生长不利。例如：芝麻和棉花套作，棉花会受芝麻根系分泌的化感物质影响，导致生长缓慢[5]；番茄和黄瓜套作，番茄根部分泌物及植株产生的挥发物，会对黄瓜的生长有明显抑制作用[6]。

棉花是我国重要的经济作物，在中国的栽培历史悠久，且在多地均有种植[7]，棉花是一年生木本植物，高0.6～1.5 m，大多数的棉地厢宽都在1.2 m左右[8]，种植间距较大，因此利用化感作用，合理的选择农作物与其套种或间种，可以高效利用土地，提高植棉收益。但目前棉花的化感作用主要是对小麦、孜然和向日葵的研究较多[9-10]，而对于棉花与其他重要经济作物的相互作用研究报道较少。

大豆和西瓜也是我国重要的经济作物，全国各地都有大面积种植。在早年间，就有人将西瓜、大豆与棉花进行套作和间作，近几年也有人报道过“瓜、棉、豆”套作体系[11-12]，此套作体系中对3种作物的生长互有益处，但具体研究未有报道，因此为进一步探明瓜、棉、豆三者种植之间的相互作用，本研究采用陆地棉GK 50为材料，取其地下部分制成不同浓度的水浸提液，通过作物幼苗室内培养和盆栽模拟试验，以白菜为阴性对照，测定相关生理生化指标，研究棉花植株水浸提液对西瓜和大豆的化感作用，观察其对西瓜、大豆2种作物的种子萌发及幼苗生长的影响，以期为“瓜、棉、豆”套作体系提供一定理论依据。

1 材料和方法

1.1 实验材料

本研究所用材料为陆地棉GK 50棉花植株，由中棉所赠予的种子种植所得；西瓜(新小玉、京欣2号)和白菜(鲁白6号)种子购于北京凤鸣雅世科技有限公司；大豆(中黄37号)种子购于河北庆丰种业有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1棉花水浸提液制备

参照刘跃鹏等[13]的方法，略有改动。在试验地中随机选取生长良好的陆地棉GK 50植株，取其地下部分，于烘箱中60 ℃烘干至恒重，捣碎研磨成粉存于4 ℃备用。在三角瓶中称取100 g粉碎样品，加入1 L蒸馏水于180 r·min-1摇床上充分震荡混匀24 h，经2层纱过滤备用；滤液作为水浸提原液，用蒸馏水将原液分别稀释成4倍(4 ×)、8倍(8 ×)、16倍(16 ×)备用。

1.2.2棉花水浸提液处理大豆等种子

受体种子消毒，参照李彩凤等[14]和韩志军[15]的方法。用2%的次氯酸钠溶液，浸泡充实饱满的大豆、白菜和西瓜种子消毒10 min，蒸馏水清洗3～5次后，采用滤纸培养皿法，将种子分别置于含蒸馏水、稀释4倍、8倍、16倍及原液水浸提液的90 mm培养皿中，28 ℃人工气候箱中暗培养，每次处理各作物100粒种子，每个处理3次重复，以蒸馏水培养为对照，3 d后开始统计各培养皿中的种子萌发数，记录数据。

1.2.3棉花水浸提液处理大豆等幼苗

选取充实饱满的3种作物种子，用2%的次氯酸钠溶液处理15 min，蒸馏水清洗4次后在28 ℃的气候箱中暗培催芽2～5 d。选取芽长均一的各品种受体种子，分别置于含蒸馏水、稀释4倍、8倍、16倍和原液水浸提液珍珠岩培养钵中，每个处理3次重复，光照培养箱(28 ℃、光照时间12 h·d-1)中培养10 d后，洗净根部珍珠岩，用吸水纸吸干水分，测量株高、主根长，记录数据。

1.2.4保护酶活性及MDA含量测定

取各浓度水浸提液处理后的受试植物幼苗根部，按照苏州科铭生物技术有限公司的试剂盒说明书，称取0.1 g组织，加入1 mL提取液进行冰浴匀浆，4 ℃8 000 g离心10 min，取上清液按步骤加入试剂盒中的试剂，用酶标仪测定相关吸光值，根据说明书中配套公式测定SOD、POD、CAT的酶活性以及MDA的含量。

注：A为对白菜的影响，B为对大豆的影响，C为对京欣西瓜的影响，D为对新小玉西瓜的影响；ck、0 ×、4 ×、8 ×、16 ×分别表示浓度为水、原液、稀释4倍、稀释8倍、稀释16倍。下同。图1 陆地棉GK 50根部水浸提液对幼苗株高的影响

1.2.5结果分析

以国家农业部发布白菜类种子发芽率(85%)、大豆种子发芽率(85%)、西瓜种子发芽率(90%)为标准，所得数据用SPSS 13.0软件和Excel 2010软件进行分析；

发芽率(%)=(发芽终止时正常发芽种子数/供试种子总数)×100%。

2 结果与分析

2.1 棉花水浸提液对几种作物的影响

种子萌发实验结果表明，100 g·L-1原液浓度的棉花根部浸提液对白菜、大豆和西瓜的种子萌发均有显著抑制作用。和水处理相比，白菜的萌发率下降了14.1%，大豆萌发率下降8.93%，京欣西瓜萌发率下降10.33%，新小玉西瓜下降9.03%(表1)。稀释4倍的浸提液，对白菜种子仍有显著抑制作用，相比水处理的萌发率下降了10.54%，但该浓度下大豆、京欣西瓜和新小玉西瓜的种子萌发率分别为86.6%、86.7%和87.53%，对比水处理无显著变化。稀释8倍的浸提液处理时白菜、大豆、京欣西瓜和新小玉西瓜的萌发率为87%、89%、92.3%和88.2%，对比水处理无显著变化。稀释16倍的浸提液处理时白菜、大豆、京欣西瓜和新小玉西瓜的萌发率为89.67%、89.43%、90.83%和92.43%，对比水处理也无显著变化。稀释4倍的浸提液对白菜萌发率影响显著，但对大豆和西瓜种子萌发率无显著影响，说明棉花浸提液对白菜的抑制作用更明显。

作物幼苗盆栽试验结果表明，100 g·L-1原液浓度的棉花根部浸提液对白菜幼苗的生长抑制作用最为显著(图1 A和图3 A)，此时白菜株高2.27 cm，根长1.6 cm，而水处理的白菜株高4.1 cm，根长2.53 cm，株高相比矮了44.6%，根长短了36.8%，抑制作用达极显著水平。该浓度下大豆的株高9.17 cm，根长8.33 cm，水处理的株高10.1 cm，根长9.6 cm，相比矮了9.2%，短了13.2%，抑制作用达显著水平。高浓度棉花根系浸提液对白菜株高和根的生长抑制作用极显著，对大豆株高和根的生长抑制作用显著。

表1 陆地棉GK 50根部不同浓度的水浸提液对作物萌发率的影响

注：“*”与“**”分别表示在p<0.05与p<0.01上的差异显著性，本表数据为同一处理3次重复平均值，下同。

京欣西瓜在原液浓度处理下株高7.0 cm，根长3.73 cm，水处理的株高6.23 cm，根长3.8 cm，株高相比提高12%，显著的促进株高的生长，但根长相比无显著影响。新小玉西瓜在原液浓度下株高8.93 cm，根长3.5 cm，水处理的株高9.17，根长3.7 cm，相比差异都不显著。说明高浓度棉花根系浸提液对西瓜无抑制作用。

图2 陆地棉GK 50根部水浸提液对幼苗根长的影响

注：A为白菜幼苗，B为大豆幼苗，C为京欣西瓜幼苗，D为新小玉西瓜幼苗；4 ×、0 ×、ck分别表示浓度稀释4倍、原液、水处理。图3 高浓度棉花根部水浸提液对幼苗生长的影响

稀释8倍的浸提液处理下，显著促进了3种作物幼苗株高(图4)，大豆株高12.47 cm，京欣西瓜株高7.26 cm，新小玉西瓜株高11.37 cm，白菜株高4.6 cm，对比水处理的分别增长了23%、17%、24%和12%；该浓度下大豆根长10.96 cm，对比水处理的长了14%，差异达显著水平，白菜、京欣西瓜和新小玉西瓜根长分别为2.9 cm、3.9 cm和3.9 cm，对比水处理的无差异变化。稀释16倍的浸提液处理下，极显著促进了大豆和西瓜的幼苗株高，大豆株高16.3 cm，京欣西瓜株高9.37 cm，新小玉西瓜株高12.2 cm，对比水处理的分别增长了61%、50%和33%；显著促进白菜的株高，白菜株高4.87 cm，相比水处理的增长了18.7%；在该浓度处理下下对白菜和西瓜的根长无显著影响，但极显著促进了大豆的根长，大豆根长12.6 cm，比水处理的长了31%。稀释8倍和稀释16倍浸提液处理下大豆、西瓜和白菜的株高都有显著增长，说明低浓度下棉花根系浸提液对3种作物都有显著的促进作用。

2.2 根部水浸提液对受体幼苗根系保护酶活性及MDA含量的影响

超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)广泛存在于动物、植物和微生物中[16]。SOD酶可以催化超氧化物阴离子发生歧化作用，生成H2O2和O2；POD酶催化过氧化氢氧化酚类和胺类化合物反应，具有消除过氧化氢和酚类、胺类毒性的作用[17]；CAT酶是最主要的H2O2清除酶；植物器官组织在逆境下遭受伤害或衰老时，往往发生膜脂过氧化作用，生成过氧化脂质，后者逐渐分解为一系列复杂的化合物，其中包括MDA，积累MDA对膜和细胞能造成伤害，其含量能用来反映植物受逆境伤害的程度[18]。

注：A为白菜幼苗，B为大豆幼苗，C为京欣西瓜幼苗，D为新小玉西瓜幼苗；16 ×、8 ×、ck分别表示浓度稀释16倍、稀释8倍、水处理。图4 低浓度棉花水浸提液对大豆和西瓜幼苗生长的影响

取棉花根部浸提液处理的幼苗根部，进行SOD、POD和CAT保护酶活性及MDA含量的测定。实验结果发现，在100 g·L-1原液浓度处理下，新小玉西瓜和京欣西瓜的SOD保护酶活性为72.16 U·g-1和71.23 U·g-1，而水处理下SOD酶活性为62.38 U·g-1和58.97 U·g-1，相比分别增加了15.7%和20.8%，差异显著，2种西瓜的POD和CAT酶活性及MDA含量对比水处理的无明显变化(图5)。大豆在原液浓度下的CAT酶活性205.87 nmol·(min·g)-1，MDA含量3.03 nmol·g-1，水处理下的CAT酶活性为238.46 nmol·(min·g)-1，MDA含量2.67 nmol·g-1，相比之下，CAT酶活性下降了13.7%，MDA含量增加了13.5%，差异显著，但大豆的SOD保护酶活性49.82 U·g-1，POD保护酶活性12 631.21 U·g-1，对比水处理的都无显著变化。而白菜在原液浓度下，SOD、POD和CAT保护酶活性分别为33.18 U·g-1、4 911.51 U·g-1和53.14 nmol·(min·g)-1，MDA含量2.51 nmol·g-1，水处理下的SOD、POD和CAT保护酶活性为43.91 U·g-1、5 878.87 U·g-1和59.88 nmol·(min·g)-1，MDA含量3.38 nmol·g-1，3种保护酶活性相比之下都显著下降，分别下降了24.4%、16.5%和11.3%，MDA含量相比增加了25.7%，差异达极显著水平，其保护酶系统严重受损。

注：A为对SOD活性的影响，B为对MDA含量的影响，C为对POD活性的影响，D为对CAT活性的影响；“*”与“**”分别表示在p<0.05与p<0.01上的差异显著性。图5 陆地棉GK 50根部水浸提液对几种作物幼苗保护酶活性及MDA含量的影响

3 结 论

本研究采用陆地棉GK 50为试验材料，研究棉花根部不同浓度水浸提液对大豆(中黄37号)、西瓜(京欣2号和新小玉)种子萌发、幼苗生长及相关保护酶活性的影响，通过研究发现，稀释4倍的浸提液处理，显著抑制了白菜种子萌发率，相比水处理的萌发率下降了10.54%，但该浓度下大豆、京欣西瓜和新小玉西瓜的种子萌发率分别为86.6%、86.7%和87.53%，对比水处理无显著变化。原液浓度的棉花根部浸提液极显著抑制了白菜幼苗的生长，其株高相比水处理矮了44.6%，根长短了36.8%，该浓度下大豆的株高相比矮了9.2%，根长短了13.2%，抑制作用达显著水平，而京欣西瓜在原液浓度处理下株高相比高了12%，新小玉西瓜在原液浓度下株高相比差异不显著。稀释8倍的浸提液处理下，显著促进了大豆、京欣西瓜、新小玉西瓜、白菜的株高，对比水处理的分别增长了23%、17%、24%和12%。稀释16倍的浸提液处理下，极显著促进了大豆、京欣西瓜、新小玉西瓜幼苗株高，对比水处理分别增长了61%、50%和33%，显著促进白菜的株高，相比水处理增长了18.7%。综上所述，不同浓度的棉花根部浸提液对白菜和大豆生长表现出了低浓度促进而高浓度抑制的现象；不同浓度的棉花根部浸提液对西瓜生长表现出了低浓度促进而高浓度不抑制的现象。

研究中，棉花高浓度根部浸提液明显影响了白菜的萌发和生长，而对西瓜的影响并不显著。通过检测白菜、大豆和西瓜的保护酶活性可以发现，白菜的SOD、CAT和POD保护酶的活性明显降低，MDA含量大幅增高，但西瓜的SOD酶活性反而赠加，大豆和西瓜的POD、CAT酶活性无显著变化。而POD酶具有消除酚类和胺类毒性的作用，CAT酶是最主要的H2O2清除酶，在活性氧清除系统中具有重要作用，SOD酶更是机体自我保护系统中极为重要的成分，能使超氧自由基发生歧化反应，是机体内超氧自由基的天然消除剂[19]。因此相比白菜保护酶系统受损严重，大豆和西瓜的保护酶依旧在发挥作用，这也是大豆和西瓜相比白菜受到的抑制作用更小的原因。

化感作用需要达到一定浓度才能发挥效应，具体表现为“低促高抑”即低浓度促进高浓度抑制，同时不同的植物对化感物质的敏感效应也不同[20-21]。本研究中高浓度的棉花浸提液对西瓜的生长影响并不大，证明西瓜对棉花高浓度水浸提液的敏感效应较低，同时低浓度的浸提液能极显著的促进大豆和西瓜的生长，这些在理论上为“瓜、棉、豆”套种体系提供了一定依据，但本实验仅是在室内进行的盆栽实验，而在复杂的自然环境条件下是否会产生其他影响，还有待研究。

我国人均土地资源稀少，将合适的作物进行合理套作、间作，找到类似瓜、豆、棉等重要经济作物之间的有效套作、间作方式是一个必然选择，而化感作用亦是研究作物合理套作、间作的一个有效办法，在实际中应充分有效利用植物间的化感效应，减少植物的相互作用，在提高土地使用效率的同时提高作物的产量。