意大利苍耳的化感作用对油葵种子萌发的影响

(石河子大学生命科学学院新疆植物药资源利用教育部重点实验室，新疆 石河子 832003)

对本地植物所施加的化感抑制作用是许多外来植物在被引入地区成为群落优势种并得以成功入侵的重要原因[1-2]，入侵植物地上器官的雨水淋溶物[3]、根系分泌物[4]或凋落的枯枝落叶[5]都有可能会对本地植物的种子萌发[6]或幼苗生长[7-8]造成强烈的抑制效应。从而改变入侵地的群落结构组成和生态平衡，对当地的生物多样性和经济发展造成严重危害[9]。

意大利苍耳(XanthiumstrumariumL.)为菊科苍耳属一年生草本植物，原产于南欧，现已广泛分布于欧洲，美洲，亚洲和大洋洲的许多地区[10]，对入侵地区的农业生产和生物多样性保护造成了严重威胁[11]。自1991年9月在中国北京被首次发现以来[12]，意大利苍耳在中国的分布和扩张面积急剧增加。目前已经扩展到了中国的6个省/市，包括辽宁，河北，北京，山东，陕西和新疆[13-14]，从最东部的辽宁沈阳种群到最西部的新疆伊犁种群的空间距离超过了4 000 km。 其在新疆的危害最为严重，占据了农田、草原、路边、林缘、湿地、荒漠等多种生境，对农业生产和畜牧业发展产生了极大危害[15-16]。

油葵是新疆广为种植的重要油料作物，本课题组前期野外调查发现，油葵地是意大利苍耳常见的入侵生境之一，被意大利苍耳入侵后，油葵往往出现大量缺苗，严重减产，然而造成油葵缺苗的机理却并不清楚。因此，本实验在严格受控条件下研究了意大利苍耳根、茎、叶、果实等不同器官的水浸提液对油葵种子萌发的影响，以评价在种子萌发阶段意大利苍耳对油葵的化感抑制潜力，以期为揭示油葵地产量下降的机理提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 材 料

2018年10月于新疆石河子市郊区(86°00′E,44.23′N,海拔513 m)采集长势良好的意大利苍耳健康植株，用清水洗净根系表面浮土后，在室温下阴干，将根、茎、叶、果实等不同器官用中药粉碎机粉碎成粉末，备用。受试油葵为新疆主栽品种矮大头，购于石河子农垦科学院。挑选籽粒饱满、大小一致的油葵种子1 700粒，备用。

1.2 方 法

1.2.1意大利苍耳不同器官水浸提液的制备

称取一定量意大利苍耳根、茎、叶、果实的粉末，置于玻璃烧杯中，加入10倍质量的蒸馏水，在室温下浸泡24 h，离心后取上清液，从而获得浓度为1∶10(质量∶体积)，即100 g·L-1的水浸提液作为母液，再用蒸馏水依次稀释，配制成75 g·L-1、50 g·L-1以及25 g·L-1等不同浓度的水浸提液，以蒸馏水作为对照[17]。

1.2.2萌发实验

用0.1%的次氯酸溶液浸泡油葵种子10 min，再用70%的乙醇水溶液浸种30 s进行种子表面消毒,以防止种子萌发阶段霉菌的发生。蒸馏水冼净后，用相应浓度的浸提液浸泡3 h，以蒸馏水代替浸提液浸种3 h作为对照。

在25 ℃恒温培养箱中开展种子萌发试验，每天光照12 h，光照强度为450μmol·(m2·s)-1。在培养皿(φ=90 mm)中铺放2层经高温灭菌过的滤纸，将在提取液/蒸馏水中浸泡了3 h后的种子，均匀摆放在培养皿中的滤纸上，加入适量浸提液/蒸馏水，每个培养皿中放置30粒油葵种子，重复3次。实验以胚根突破种皮作为判断种子萌发的标准，每24 h观察并记录萌发种子的个数，萌发持续时间为14 d，计算种子萌发率、第7天的发芽势、萌发指数和化感效应指数。

萌发率(%)=(萌发种子数/供试种子总数)×100%；

发芽势(%)=(第7天发芽种子数/供试种子总数)×100%；

萌发指数=∑(Gt/Dt) (式中，Gt为t天种子萌发数，Dt为萌发天数)；

1.3 数据处理

利用Excel软件进行数据汇总，运用SPSS 25.0软件进行数据统计分析，采用单因素方差分析法(One way ANOVA)对前7 d处理组与对照组间种子的累积萌发率进行差异显著性检测，p<0.05为差异显著；用Duncan多重比较检测对照组与处理组之间以及各处理组之间萌发指数、累积萌发率及化感效应指数的差异显著性水平(p<0.05)，运用Origin 9.0软件绘图。

2 结果与分析

2.1 意大利苍耳不同器官水浸提液对油葵种子萌发指数的影响

意大利苍耳所有器官的水浸提液均极显著地降低了油葵种子的萌发指数，除了根和茎不同浓度的水浸提液对油葵种子萌发指数的影响无显著差异外，叶片和果实的水浸提液对油葵种子萌发指数的影响表现出了显著的浓度依赖效应，即浸提液的浓度越高，对油葵种子萌发指数的抑制效应越明显(图1～图4)。其中25、50、75、100 g·L-1浓度的叶片水浸提液组的萌发指数分别为对照组的65%、31%、23%和6%，而25、50、75、100 g·L-1浓度的果实水浸提液组的萌发指数分别为对照组的62%、35%、42%和25%，25、50、75、100 g·L-1浓度的茎水浸提液组的萌发指数分别为对照组的59%、59%、48%和41%。

注：不同字母表示处理间差异性显著。下同。图1 意大利苍耳根提取液对油葵种子萌发指数的影响

图2 意大利苍耳茎提取液对油葵种子萌发指数的影响

图3 意大利苍耳叶提取液对油葵种子萌发指数的影响

图4 意大利苍耳果实提取液对油葵种子萌发指数的影响

2.2 意大利苍耳不同器官水浸提液对油葵种子发芽势和累积萌发率的影响

从累积萌发率图(图5～图8)可以看出，对照组的油葵种子萌发时间最早，处理后第2天的萌发率就达到了22%，而各水浸提液处理组中存在不同程度的萌发延迟现象，其中100 g·L-1浓度的意大利苍耳叶片水浸提液处理下，油葵种子萌发的迟滞现象最为明显，在处理后的第9天种子才开始萌发，萌发率仅为3%。

图5 意大利苍耳根提取液对油葵种子累积萌发率的影响

图6 意大利苍耳茎提取液对油葵种子累积萌发率的影响

图7 意大利苍耳叶提取液对油葵种子累积萌发率的影响

对照组中油葵种子的萌发速度最快，其第7天的种子萌发率就已经达到了最终萌发率的98.6%。除了25 g·L-1浓度的叶片水浸提液以外，其他处理组中油葵种子第7天的发芽势均显著地低于对照组(p<0.001)。尽管25 g·L-1浓度的叶片水浸提液中油葵种子第7天的发芽势与对照组之间无显著差异(p=0.168)，但前6 d的累积种子萌发率均显著地低于对照。

图8 意大利苍耳果提取液对油葵种子累积萌发率的影响

25、50、75、100 g·L-1浓度茎水浸提液中的油葵种子第14天的累积萌发率与对照组差异不显著(p=0.057、p=0.440、p=0.603、p=0.171)，而油葵种子在根、叶以及果实水浸提液中的最终累积萌发率均表现出明显的浓度依赖效应，即随着浸提液浓度的升高，最终萌发率呈显著下降趋势。25、75、100 g·L-1浓度根水浸提液中油葵种子的最终萌发率分别是对照组的79%、64%和52%，50、75、100 g·L-1浓度叶水浸提液中油葵种子的最终萌发率分别是对照组的71%、71%和22%，而50、75、100 g·L-1浓度意大利苍耳果实水浸提液中油葵种子的最终萌发率分别是对照组的75%、75%和47%。可见，100 g·L-1浓度水浸提液对油葵种子最终萌发率的抑制作用最为强烈。100 g·L-1浓度各器官水浸提液对油葵种子萌发均有显著性的抑制效应(p<0.05)，其中叶片水浸提液对油葵种子萌发率的抑制效应最为显著，其次是果实和根，茎的抑制效应最弱(图9)。在100 g·L-1浓度的茎、根、果实、叶片水浸提液中，油葵种子14 d的累积萌发率较对照组分别下降了27%、48%、53%和78%。

2.3 意大利苍耳不同器官水浸提液对油葵种子萌发的化感效应指数

意大利苍耳根不同浓度水浸提液对油葵种子萌发的化感作用在处理后的2～4 d内相继达到最强抑制效应(图10)；茎不同浓度水浸提液对油葵种子萌发的化感作用在处理2 d后均达到最强抑制效应，并随着时间的延续呈逐渐减弱趋势，以至于在第14天时各组处理的化感效应指数间已无显著差异(图11)；叶片水浸提液对油葵种子萌发的化感作用也在处理2 d后达到最强抑制效应。萌发后第14天的统计结果显示，100 g·L-1浓度浸提液的化感效应最强，其次是75 g·L-1和50 g·L-1浓度浸提液，而25 g·L-1浓度浸提液的化感效应最低(图12)。果实的水浸提液与叶片浸提液表现出了相似的变化趋势(图13)。

图9 各处理组累积萌发率对比

图10 不同浓度根水浸提液化感效应指数随时间的变化

图11 不同浓度茎杆水浸提液化感效应指数随时间的变化

图12 不同浓度叶水浸提液化感效应指数随时间的变化

图13 不同浓度果水浸提液化感效应指数随时间的变化

100 g·L-1浓度的茎、根、果实、叶片水浸提液对油葵种子萌发的化感效应指数对比结果显示，叶片的化感抑制效应最强，其次是果实和根，茎的抑制效应最弱(图14)。

图14 不同器官提取液化感效应指数的比较

3 讨 论

种子萌发是被子植物生活史中一个十分重要的环节，种子成功萌发是种群建立的前提和基础。因此，揭示遭遇意大利苍耳入侵后的油葵地中油葵种子萌发出现障碍的原因，对采取合理措施，避免缺苗事件发生和油葵的最终产量下降等具有非常重要的现实意义。本研究结果显示，经意大利苍耳所有器官水浸提液处理的油葵种子，其萌发指数均显著地低于对照组。说明混杂在土壤中的意大利苍耳的根、茎、叶以及果实等残茬和凋落物均会显著地降低油葵种子的萌发速度。与根和茎相比，叶片与果实对油葵种子萌发指数的降低效应更为明显，而且表现出了明显的浓度依赖效应，尤其是在100 g·L-1浓度果实水浸提液以及75、100 g·L-1浓度叶片水浸提液中，油葵种子的萌发指数仅为对照组的25%、23%和6%。

累积萌发率的统计结果显示，与对照组相比，所有处理组中油葵种子的萌发时间都存在不同程度的延迟，萌发延迟效应随意大利苍耳的器官种类以及水浸提液的浓度的差异而有所不同，叶片所引发的萌发延迟效应最为明显，且在100 g·L-1的高浓度叶片水浸提液处理条件下，直到萌发处理后的第9天，才有3%的种子开始萌发。由于早春季节气温较低，油葵种子如果长期滞留在低温潮湿的土壤环境中而不能得以及时萌发，势必会造成种子活力的下降和病害的发生。

除此之外，意大利苍耳的水浸提液还对油葵种子的累积萌发率产生了显著影响，中、高浓度的浸提液均显著降低了油葵种子的最终萌发率，在100 g·L-1浓度的茎、根、果实、叶片水浸提液中油葵种子14 d的累积萌发率较对照组分别下降了27%、48%、53%和78%。

化感效应指数(RI)是一个反映化感作用类型及其活性强弱的指标，正值表示促进，负值表示抑制，零代表不存在化感作用，绝对值的大小反映化感作用的强弱。本研究结果显示，25 g·L-1浓度的叶片水浸提液在处理8 d以后，以及果实水浸提液在处理13 d以后的化感效应指数为正值，说明低浓度的叶片和果实水浸提液在处理后期对油葵种子的萌发表现出了小幅的促进作用，除此以外的所有处理条件下，RI均为负值，说明其对油葵种子的萌发均具有抑制作用。以上研究结果表明，意大利苍耳各器官中都含有对油葵种子萌发具有抑制作用的水溶性化感活性物质。化感效应指数的分析结果显示，意大利苍耳各器官水浸提液对油葵种子萌发的化感抑制活性的强弱具有明显的浓度依赖性和器官依赖性，浓度越高则化感抑制效应就越显著，其中以叶片化感抑制效应最强，而茎的化感抑制活性最弱。

Shajie 等指出，意大利苍耳的茎、叶水浸提液显著抑制了玉米(ZeamaysL.)和欧洲油菜(BrassianapusL.)的种子萌发[18]；Jalali 等发现，意大利苍耳叶片水浸提液对玉米种子萌发具有显著的浓度依赖性的化感抑制作用，100 g·L-1浓度的浸提液抑制效应最强[19]；本研究结果与之一致。然而Kadioglu 的研究指出，意大利苍耳的叶片水浸提液对胡萝卜(DacucuscaroteL.)种子的萌发无显著化感效应[20]；Tanver等研究发现，意大利苍耳叶片水浸提液能显著缩短水稻(OryzasativaL.)和小麦(TriticumvulgareL.)种子的萌发时间[21]，即提升了其种子的萌发速度；可能是因为供体植物的化感作用会因受体植物的种类不同而存在显著差异所造成的。

油葵地水肥供应良好，意大利苍耳长势茁壮，株高往往超过2 m，冠幅一般为1.2～1.6 m，生物量大，单株果实量常常为1 200～1 600粒。由于繁殖体充足，所以意大利苍耳个体在油葵地中常呈高密度分布。因此，每年都会有大量凋落的果实、枯枝、落叶以及根系混杂并滞留在土壤中，经春季积雪融化之后的雪水以及雨水或灌溉水的浸泡，各器官中的水溶性物质便会有机会渗出而进入土壤，并形成较高浓度的积累，从而对周围油葵种子的萌发产生化感抑制作用。因此，意大利苍耳的凋落物、以及残存在土壤中的根系的化感抑制作用所造成的油葵种子的萌发变缓和萌发失败可能是导致油葵大量缺苗的重要原因之一。

建议对农田中的意大利苍耳幼苗要做到早发现，早铲除，要在结果前彻底拔除油葵地中的意大利苍耳植株，以避免枯枝落叶和果实返回土壤，从而减轻对来年油葵种子萌发的影响。如果前期忽视了对农田中意大利苍耳的清除工作，那么在油葵播种前可以增加一次灌溉，使得滞留在土壤中的意大利苍耳的残体所释放出的水溶性化感物质能够随水下渗到土壤深层，从而减轻其对油葵种子萌发的抑制效应。

本实验仅单独研究了意大利苍耳根、茎、叶、果实等不同器官对油葵种子萌发的化感抑制潜力，而在实际农田生态系统中，不同器官的残体在土壤中往往是同时存在的。因此，开展不同器官对油葵种子萌发的化感潜力影响的交互作用可能会更有意义，有待于进一步研究。