不同外源酚酸化感物质组合对棉花种子萌发和幼苗生长的化感效应

李琳琳, 刘建国, 燕鹏, 唐榕, 白志贵, 刘文亮

不同外源酚酸化感物质组合对棉花种子萌发和幼苗生长的化感效应

李琳琳, 刘建国*, 燕鹏, 唐榕, 白志贵, 刘文亮

石河子大学农学院, 新疆石河子 832003

为阐明不同外源酚酸类化感物质组合对棉花种子萌发及幼苗生长发育的化感效应,选择在棉花连作30年土壤中检测到的对-羟基苯甲酸(P-HA)、香草醛(VA)、阿魏酸(FA)3种酚酸类化感物质, 以田间自然状态下含量为处理浓度研究对棉花种子萌发和幼苗生长的影响。结果表明: 3种酚酸化感物质对棉花种子萌发和幼苗生长有显著影响。对种子萌发有促进作用, 对幼苗生长有抑制作用,对幼苗生理酶活性有着不利影响。两种或两种以上化感物质混合时比一种酚酸化感物质对棉花的作用效果小, 说明对羟基苯甲酸、香草醛和阿魏酸三者之间存在拮抗效应。P-HA对VA和FA存在着抵消作用, 3种化感物质组合之间的拮抗效应与化感物质的浓度和作用效果密切相关。

酚酸; 化感物质; 棉花; 互作效应

0 前言

新疆棉区棉花种植面积不断增加, 连作障碍问题日益严重, 造成棉田生态环境恶化、病虫害加重、棉花减产[1-2]。由化感物质引起的自毒作用是造成棉花连作障碍的原因之一[3], 谢利[4]等认为棉花根系分泌物有较强自毒作用, 自毒作用会抑制种子萌发和植株的生长发育; 随着棉花连作年限增加自毒效应增强, 自毒物质通过影响作物的生理生化过程进而抑制棉花生长和造成减产[5-6]。

酚酸类次生代谢物质是化感活性较强的一类化感物质, 也是目前研究最多的一类化感物质[7]。刘建国[8]在棉花秸秆、根系分泌物和不同连作年限棉田土壤中检测出对羟基苯甲酸、阿魏酸、没食子酸和香草醛4种酚类化感物质, 并且4种酚酸类化感物质对棉花幼苗的根长、苗高和鲜重均有一定的抑制作用; 郭修武[9]等利用LC-MS检测出葡萄根系分泌物中含有对羟基苯甲酸和水杨酸两种酚酸类物质, 且对羟基苯甲酸和水杨酸对葡萄具有显著的化感抑制作用; Zhou[10]研究表明, 酚酸类物质在黄瓜连作栽培中直接抑制了黄瓜幼苗的生长。然而, 植物化感作用具有复合效应, 植物化感作用是众多化感物质共同作用的结果。Einhellig[11]研究认为, 几乎所有植物的化感作用潜力都是由2种或2种以上的化合物互作引起的; 张付斗[12]等研究表明, 阿魏酸、对羟基苯甲酸和水杨酸与丁草胺混用时表现增效作用, 而香豆酸与丁草胺混用则为加成作用。杨小燕[13]等研究表明, 同等浓度下苯甲酸型混合酚酸对莴苣根长的抑制率比单一酚酸强。因此, 研究不同化感物质组合对植物的化感效应具有重要意义。单一外源的酚酸化感物质对棉花种子萌发及幼苗生长的影响已有相关报道, 但对化感物质不同组合间对棉花生长影响的机制尚不明确。本研究以棉花种子为受体材料, 研究对羟基苯甲酸、香草醛和阿魏酸3种酚酸类化感物质以及不同组合对棉花种子萌发和幼苗生长的影响, 明确其化感效应强度以及不同化感物质组合之间的互作关系, 以期深入理解棉花化感作用机理, 为棉花连作障碍的生物修复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试棉花品种为“新陆早42号”, 对-羟基苯甲酸(P-HA)、香草醛(VA)、阿魏酸(FA)均为Sigma公司产品。

1.2 试验方法

对-羟基苯甲酸(p-HA), 阿魏酸(VA)和香草醛(FA)三种酚酸类物质以及两两组合和三种酚类物质混合处理, 以蒸馏水为对照, 共8个处理, 即CK, p-HA, VA, FA, p-HA+VA, p-HA+FA, VA+FA, p-HA+ VA+FA。3种化感物质的浓度采用石河子大学农学院实验站长期连作定位试验田连作30年棉田土壤的化感物质含量。对-羟基苯甲酸,阿魏酸和香草醛三种酚类物质浓度分别为22.4 mg·L-1, 8.4 mg·L-1, 6.6 mg·L-1, 不用组合浓度是几种物质各自浓度等量混合。

1.2.1 种子萌发试验: 每个处理挑选50粒大小、成熟度一致的棉花种子用体积分数20%的H2O2消毒20 min, 放置于铺有200 mL蛭石的发芽盒中, 分别加入不同质量浓度的处理液100 mL, 3次重复。将发芽盒放入人工气候箱中培养, 昼夜温度28 ℃, 相对湿度50%, 黑暗条件下培养7 d。

1.2.2 幼苗生长试验: 将经过1.5 d催芽处理的棉花种子转移到含有900 ｍＬ蛭石直径10 cｍ, 高20 cm的栽培装置内, 每个装置内种15株棉花幼苗, 分别浇400 mL的不同质量浓度的处理液。培养条件: 昼夜温度28 ℃, 相对湿度50%, 每天光照10 h。每３d浇100 mL的蒸馏水, 浇水3次, 于培养后第12天选取10株进行测量苗高、根长、重量及生理指标。

1.3 测定指标

每天统计棉花种子发芽数, 并于第7天测定, 计算种子的发芽势、发芽率和发芽指数。计算公式为:

发芽势=3 d内发芽种子数/供试种子数×100%;

发芽率=7 d内发芽种子数/供试种子数×100%;

发芽指数=(/), 式中为发芽时间,为与相对应的每天发芽种子数。

根系活力(RV)采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法测定, 丙二醛(MDA)采用硫代巴比妥酸(TBA)法测定, 抗氧化酶中超氧化物酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)活性采用李合生[14]的方法测定。

计算化感效应指数(), 当≧时,=1-/;当＜时,=/-1; 式中是对照值,是处理值;＞0时表示促进作用, 当＜0时表示抑制作用,的绝对值代表作用强度。

1.4 数据统计分析

数据用SPSS19.0进行单因素方差分析(ANOVA), 并用Duncan法进行差异显著性分析。表中数据表示为平均值±标准误。

2 结果与分析

2.1 供试化感物质对棉花发芽的影响

由表1可知, 3种化感物质及不同组合对棉花种子的萌发均有一定的化感效应, 对棉花种子发芽率、发芽势和发芽指数表现为促进效应。对羟基本甲酸、香草醛、阿魏酸3种化感物质与对照相比发芽率分别增加了21%、25.7%和26.1%, 都表现了明显的促进作用。两种化感物质组合时, 对羟基本甲酸和香草醛组合与对照相比发芽率增加了11.4%, 但小于这两种单一化感物质对棉花种子萌发的化感效应, 表现为拮抗效应。对羟基本甲酸和阿魏酸醛、香草醛和阿魏酸这2个组合与对照相比发芽率分别增加了26.7%和31.4, 且这2种组合对棉花种子萌发的化感效应均比单一化感物质高, 表现为协同效应。3种化感物质同时组合作用时, 对棉花种子萌发的影响均比单一化感物质低, 表现为拮抗效应。

2.2 供试化感物质对棉花幼苗生长的影响

3种化感物质及不同组合对棉花幼苗生长的化感效应见表2, 所有处理对棉花幼苗主根的伸长和苗高都表现为抑制作用。与对照相比, 对羟基苯甲酸(P-HA)和阿魏酸(FA)对棉花幼苗根长和苗高的抑制效果不显著, 香草醛(VA)对主根的伸长和苗高的抑制效果达显著水平, 其化感指数分别为-0.54和-0.31。对于苗鲜重来说, P-HA、VA、VA+FA对苗鲜质量有化感抑制作用, 其余皆为促进作用, 但促进效果对照相比都不显著。在两种不同化感物质组合中, 与单一化感物质作用相比, 所有组合对棉花幼苗根长和苗高的抑制作用减小, 表现为拮抗效应。与对照相比, 3种化感物质及不同组合对棉花根鲜重起到化感促进作用, FA对根鲜重的促进效应最大, 化感指数为0.52, VA次之, 化感指数为0.4, 两种或两种以上化感物质组合时均比一种化感物质的促进效应降低, 表现为拮抗效应。

2.3 供试化感物质对棉花幼苗生理活性的影响

表3表明, 与对照相比, 3种化感物质及不同组合处理对棉花幼苗根系活力、幼叶SOD和CAT活性均有一定的化感抑制效应, 对POD活性有一定的化感促进效应。从各个生理指标综合来看, 对羟基本甲酸、香草醛和阿魏酸3种化感物质单独作用时, 对棉花幼苗生理活性的影响从大到小依次为香草醛＞阿魏酸＞对羟基本甲酸。对根系活力来说, 与对照相比, 所有处理对根系活力的抑制效果达显著水平, 在两种化感物质组合中, 与单一化感物质作用相比, 除香草醛和阿魏酸组合对根系活力的抑制作用比单一化感物质大外, 其余两组合均比单一化感物质作用效果小, 表现为拮抗效应。对SOD酶活性来说, 香草醛和阿魏酸对SOD酶活性的抑制效应最大, 其化感指数为0.33。对MDA含量、POD和CAT酶活性来说, 2种化感物质组合作用时, 均比单一化感物质作用效果小, 表现为拮抗效应。3种化感物质同时混合时, 对所有生理指标的化感效应均比单一化感物质小, 表现为拮抗效应。

表1 供试化感物质对棉花种子萌发的影响(X±S)

注： 同列中不同字母表示差异显著(<0.05), 下同。

表2 供试化感物质对棉花幼苗形态指标的影响(X±S)

表3 供试化感物质对棉花幼苗生理指标的影响(X±S)

注： RV为根系活力。

3 讨论

自然环境中植物最终表现出的化感活性, 不仅与具有化感潜力的单体物质有关, 各物质间的互作效应也是影响植物化感活性的重要因素[15]。因此研究不同化感物质组合对缓解棉花连作障碍具有重要意义。本试验通过对3种酚酸类物质及不同组合对棉花种子及幼苗进行处理, 研究其对棉花种子萌发和幼苗生长的影响。

P-HA, VA, FA, 3种酚酸类化感物质及同组合处理对棉花种子萌发和幼苗生长有显著影响, 不同的化感物质及组合对棉花的种子萌发和幼苗生长影响效果不同。对于棉花种子萌发而言, 在特定浓度下3种化感物质对棉花种子萌发有着促进作用, 化感物质两两组合时, P-HA+VA组合表现为拮抗作用, 3种化感物质同时作用时对于种子萌发的促进效果比任何一种酚酸化感物质相比都要小, 说明3种物质之间存在拮抗效应, 与单一化感物质作用效果不同, 表明植物化感作用是众多化感物质共同作用的结果[16]。Lyu 等[17]在探讨阿魏酸、香草酸和对香豆酸间的协同作用对黄瓜苗P吸收特性的影响时发现, 一种物质会降低另一种物质的作用效果(即拮抗作用)。但王璞[18]研究认为对羟基苯甲酸、阿魏酸、香草酸 3种化感物质对棉花发芽及幼苗根生长影响的表现为明显的协同作用, 与本研究结论相反, 可能是本研究处理的外源化感物质浓度是以棉花连作30年土壤中对-羟基苯甲酸, 阿魏酸和香草醛三种酚类物质的自然浓度, 其浓度分别为22.4 mg·L-1, 8.4 mg·L-1, 6.6 mg·L-1, 远低于王璞的试验处理浓度, 对-羟基苯甲酸,阿魏酸和香草酸三种酚类物质浓度均为250 mg·L-1。

对于棉花幼苗生长来说, 根系是最早感受环境信号, 并产生相应的生理反应, 继而影响地上部生长。与对照相比, 所有处理主根长和苗高受抑制, 根系活力下降, 说明P-HA、VA和FA 3种化感物质对棉花幼苗生长有着抑制作用。VA对主根长和苗高的抑制作用最大, FA次之, 这与王璞[18]研究的结果基本一致。化感物质虽然抑制了棉花幼苗主根的伸长, 但增加了苗鲜质量, 这与观察中的化感物质增加了侧根数和促进侧根数的生长的事实一致。这与刘瑞显[19]小麦秸秆浸提液和腐解液处理下棉花幼苗主根长显著降低, 但平均根直径显著增加结果一致。棉花幼苗的SOD、CAT酶活性降低, POD酶增加, 可能是因为棉花幼苗对外界环境化感胁迫而启动的一种应激机制[20]。植株受到外来胁迫时通常会调动保护酶活性, 增强其清除氧自由基的能力, 保持细胞膜的稳定性, 抵抗外界胁迫的不良影响[21], 但随着胁迫时间的延长和胁迫程度的加重, 活性氧清除系统的功能逐渐降低, 活性氧积累的越来越多, 使细胞膜流动性下降, MDA含量降低。

本试验3种化感物质含量是以连作30年棉田土壤为基准, 从各个指标综合的综合效果来说, 三种化感物质及不同组合对棉花有着不利影响, 张重义[16]等认为植物的连作障碍更为主要成因可能是自毒物质对植株产生的生理生化效应。由此可见, 酚酸化感物质对棉花的生长所产生的影响是造成棉花连作障碍的原因之一。3种化感物质混合时比一种酚酸化感物质对棉花的作用效果小, 表现为拮抗作用, 说明3种化感物质之间存在相互抵消彼此毒害或抑制的作用。两种化感物质组合时, P-HA+VA和P-HA+ FA组合的作用效果小于VA+FA组合, 说明P-HA对VA和FA存在着抵消作用, 由于P-HA对棉花种子萌发和幼苗生长的作用效果最小, 表明3种化感物质组合之间的拮抗效应与化感物质的浓度和效果密切相关, 与何华勤等[22]结论基本一致。

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Allelopathic effects of different combinations of phenolic acid allelochemicals on cotton seed germination and seedling growth

LI Linlin, LIU Jianguo*, YAN Peng, TANG Rong, BAI Zhigui, LIU Wenliang

College of agriculture, Shihezi University, Shihezi 832003, China

In order to elucidate the allelopathic effect of exogenous phenolic acid allelochemicals on cotton seed germination and seedling growth and development, three phenolic acid allelochemicals, p-hydroxybenzoic acid (P-HA), vanillin (VA), ferulic acid (FA), were detected in the soil of cotton continuous cropping for 30 years in the field natural state on the cotton seed germination and seedling growth.The results showed that the three phenolic acid-sensing substances had significant effects on cotton seed germination and seedling growth,and had an adverse effect on the physiological enzyme activities of seedlings.When two or more allelochemicals were mixed, the effect of phenolic acid allelochemicals on cotton was less than that of phenolic acid allelochemicals, indicating that there were antagonistic effects among p-hydroxybenzoic acid, vanillin and ferulic acid.P-HA had a counteracting effect on VA and FA. The antagonistic effect of three allelochemicals combination was closely related to the concentration and effect of allelochemicals.

phenolic; allelochemicals; cotton; interactive effect

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.06.016

S344.3

A

1008-8873(2019)06-115-05

2018-11-18;

2019-02-19

国家自然科学基金(31560375)

李琳琳(1994—), 男, 硕士研究生, 从事绿洲生态环境研究, E-mail:1506269652@qq.com

刘建国(1968—), 男, 博士, 教授, 主要从事农田生态环境研究, E-mail:l-jianguo@126.com

李琳琳, 刘建国, 燕鹏, 等. 不同外源酚酸化感物质组合对棉花种子萌发和幼苗生长的化感效应[J]. 生态科学, 2019, 38(6): 115-119.

LI Linlin, LIU Jianguo, YAN Peng, et al. Allelopathic effects of different combinations of phenolic acid allelochemicals on cotton seed germination and seedling growth[J]. Ecological Science, 2019, 38(6): 115-119.