3种恶性杂草对荞麦化感潜力的比较研究

谢媛怡， 陈丽娜， 花敏瑞， 江文倩， 杜爱萍， 马丹炜

（四川师范大学 生命科学学院，四川 成都610101）

荞麦（Fagopyrum esculentumMoench）属于蓼科（Polygonaceae）荞麦属（Fagopyrum）一年生草本植物，富含氨基酸、蛋白质和矿物质，具有极高的营养价值［1］，是一种耐旱和耐瘠的短季农作物，在中国和世界均具有悠久的种植历史［2］，有广泛的食用、药用以及饲用价值［3］.中国西南地区是荞麦起源中心和多样性中心，分布有丰富的荞麦野生近缘种［4］.然而，西南地区的荞麦种植区如四川省凉山彝族自治州深受农田杂草危害，辣子草（Galinsoga parvifloraCav.）、土荆芥（Chenopodium ambrosioidesL.）、三叶鬼针草（Bidens pilosaL.）等外来入侵植物均严重威胁着荞麦农田生态系统，导致荞麦产量降低或不稳定［5］.因此，深入探讨杂草对荞麦生长的抑制机制有助于控制杂草的蔓延.新武器假说认为，化感作用是外来植物成功入侵的机制之一［6］.研究表明，三叶鬼针草根系分泌物对井栏边草（Pteris multifida）配子体的生长和发育具有抑制作用，其配子体的细胞出现死亡和破裂［7］；辣子草水浸提液显著影响蚕豆幼苗的苗高、生物量和光合速率［8］，并且还会引起蚕豆气孔保卫细胞凋亡［9］；土荆芥根系分泌物、腐解物、挥发油等均具有强烈的细胞毒性，诱导细胞发生氧化损伤和细胞损伤［10-11］，干扰光合作用关键基因的表达［12］，进而抑制了受体植物的种子萌发和幼苗生长.但这3种杂草对荞麦的化感作用及其差异却鲜有报道.本研究采用培养皿滤纸法和盆栽试验，比较研究了3种恶性杂草水浸提液和凋落物对荞麦种子萌发和幼苗生长的影响，旨在探讨恶性杂草对荞麦的化感作用，为荞麦农田的杂草控制和管理提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 供试材料荞麦种子购于成都市五块石种子市场；供体植物辣子草、三叶鬼针草采集于四川师范大学成龙校区附近荒地，土荆芥采集于四川省凉山彝族自治州冕宁县麦地山；供试营养土购于四川省成都市龙泉驿区三圣乡花卉产业园.

1.2 试验方法

1.2.1 杂草凋落物的收集和水浸提液的制备 采集土荆芥、辣子草、三叶鬼针草地上部分，在阴凉通风处阴干后，剪碎，作为凋落物备用；分别取剪碎的3种杂草置于三角瓶中，按1∶10的比例加入蒸馏水，混匀后置于摇床中，25℃、130 r／min震荡48 h后，4层纱布过滤2次，得到质量浓度为0.1 g／mL水浸提液母液，装入棕色细口瓶中密封，4℃保存备用.试验时将母液的质量浓度用蒸馏水稀释为0.01、0.02、0.03、0.04和0.05 g／mL.

1.2.2 种子预处理 选取颗粒饱满、大小均一的荞麦种子，用质量分数为0.5%的KMnO4浸泡10 min，蒸馏水清洗干净，置于25℃暗培养箱中浸种24 h.

1.2.3 种子萌发和根长的测定 采用培养皿滤纸法［13］测定种子萌发指标和根长.

种子萌发试验：将种子均匀置于垫有2层滤纸的培养皿（d＝90 mm）上，每皿20粒；分别加入5 mL不同浓度的水浸提液，以蒸馏水为对照，每处理重复6次；将培养皿置于25℃、80%湿度的培养箱中进行暗培养.以肉眼看到白色胚根为萌发标准［14］，连续4 d统计种子发芽数.计算种子发芽指标［15］发芽率（germination rate，GR）、发芽势（germination potential，GP）、发芽指数germination index，GI）、发芽速度指数（germination speed index，GSI）如下：

以上各式中，n为发芽数，（2）式中的n为第3 d的发芽数；N为种子总数；t为发芽时间；Gt为时间t内的发芽数；X为每隔24 h发芽数.

根长的测定：按1.2.2的方法浸种催芽，待种子露白后，均匀置于垫有2层滤纸的培养皿中（d＝90 mm），每个培养皿6粒，分别加入不同浓度的水浸提液5 mL，以蒸馏水为对照，每处理重复6次，在25℃、80%湿度的培养箱中暗培养3 d，第2 d和第3 d用直尺测定根长.

1.2.4 出苗率、苗高和生物量的测定采用盆栽试验测定出苗率、苗高和生物量.将供试营养土等量分装在花盆（h＝7.8 cm，d＝10.5 cm）中，将1.2.2预处理的种子均匀播种在花盆中，每盆16粒；然后，分别将1、2、3、4和5 g凋落物均匀覆盖在土壤表面，用等量蒸馏水浇透，以不覆盖凋落物为对照，每处理重复6次；在25℃、80%湿度、光照时间12 h／d的条件下培养.

出苗率的测定：穿过凋落物层的幼苗即被视为成功出苗［16］，每天记录出苗数，直到不再出苗为止（本试验为播种第12 d），计算出苗率［15］：

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苗高的测定：播种第14 d后用直尺测量幼苗地上部分高度，每处理随机测量10株.

生物量的测定：幼苗生长4周后，收集所有植物材料，称取鲜质量（g）.随后，置于烘箱中，105℃杀青，65℃烘干至恒重，称取干质量（g）.

1.3 数据统计根据朱峰等［17］的方法计算抑制率（inhibitory rate，IR）

参照Williamson等［18］的方法计算化感效应指数（response index，RI）：

其中，C为对照值，T为处理值.其中，当RI＞0时，表示促进作用；当RI＜0时表示抑制作用，RI的绝对值越大，化感效应强度就越大；化感作用综合效应（synthesis effects，SE）用上述所有测试项目的RI算术平均值进行评价.

采用SPSS 20.0进行单因素方差分析（ANOVA）和多重比较分析（LSD），置信水平为95%.

2 结果与分析

2.1.1 水浸提液对种子萌发的影响 与对照相比，3种杂草水浸提液对荞麦种子萌发都存在着显著影响（P＜0.05）（表1），且随着3种杂草水浸提液浓度的升高，荞麦种子的发芽率、发芽势、发芽速度指数、发芽指数均降低，表明3种杂草水浸提液对荞麦种子萌发具有抑制作用，但抑制程度具有一定的差异.在0.05 g／mL水浸提液处理下，辣子草、三叶鬼针草、土荆芥水浸提液对发芽率的抑制率分别为74.23%、80.82%和82.35%；对发芽势的抑制率分别为74.61%，81.82%和84.00%；对发芽速度指数的抑制率分别为73.25%、74.40%和81.23%；对发芽指数的抑制率为73.32%、79.63%和81.33%.不同杂草水浸提液对种子萌发化感抑制的综合效应表现为三叶鬼针草（0.58）＞土荆芥（0.53）＞辣子草（0.52）.

表1 3种恶性杂草水浸提液对荞麦种子萌发的影响Tab.1 Effect of three noxious weed aqueous extracts on the germination of buckwheat seeds

2.1.2 凋落覆盖物对出苗率的影响 不同恶性杂草凋落物覆盖对荞麦出苗率具有不同程度的影响，整体表现为随着凋落物质量增加出苗率逐渐降低的趋势（表2），且不同处理之间存在显著差异（P＜0.05）.

表2 3种恶性杂草凋落物覆盖对荞麦出苗率的影响Tab.2 Effect of three noxious weed litter cover on the seedling emergence rate of buckwheat

当凋落物覆盖量最大（5 g）时，辣子草、三叶鬼针草、土荆芥凋落物对荞麦出苗率的抑制率分别为88.64%、91.45%和87.58%.由此可见，3种恶性杂草凋落物覆盖影响了荞麦种子的萌发过程，其作用过程与水浸提液的影响有一定的差异，综合化感效应由大到小依次为辣子草（0.74）＞三叶鬼针草（0.61）＞土荆芥（0.38）.

2.2 3种恶性杂草水浸提液对根长的影响3种恶性杂草水浸提液对根系生长影响有一定的差异（图1），但均与对照差异显著（P＜0.05）.随着辣子草和三叶鬼针草水浸提液浓度对荞麦根长的影响，整体表现为“低浓度促进、高浓度抑制”的效应，根长分别在0.02 g／mL辣子草水浸提液处理和0.01 g／mL三叶鬼针草水浸提液处理下达到峰值；而在土荆芥水浸提液作用下，荞麦根长且呈现浓度依赖性下降，其中在0.05 g／mL土荆芥水浸提液处理下，荞麦根出现坏死现象，未统计到根长.根据化感作用综合效应判断，3种杂草对荞麦根长的化感效应强度依次是土荆芥（0.71）＞三叶鬼针草（0.41）＞辣子草（0.22）.

图1 3种恶性杂草水浸提液对荞麦根长的影响Fig.1 Effect of three noxious weed aqueous extracts on root length of buckwheat

2.3 凋落物覆盖对苗高和生物量的影响3种恶性杂草凋落物覆盖对苗高的影响整体表现为抑制效应（表3），不同处理均与对照存在显著性差异（P＜0.05），且具有质量依赖性效应.当覆盖量最大（5 g）时，辣子草、三叶鬼针草和土荆芥凋落物对荞麦地上部分生长的抑制率分别达54.32%、70.90%和25.61%.根据化感综合效应可知，以三叶鬼针草的化感效应最强（0.55），辣子草次之（0.38），土荆芥最小（0.02）.

表3 3种恶性杂草凋落覆盖物对荞麦幼苗生长的影响Tab.3 Effects of three noxious weed litter cover on the growth of buckwheat seedlings

不同恶性杂草的凋落物覆盖对幼苗生物量积累的影响不同（表3），但不同处理均与对照之间存在着显著性差异（P＜0.05）.与对照相比，随着辣子草和三叶鬼针草凋落物覆盖量的增加，荞麦的干质量和鲜质量呈现先增加后降低的趋势；而在土荆芥凋落物影响下，荞麦生物量整体表现为下降的趋势.当凋落物覆盖量最大（5 g）时，辣子草、三叶鬼针草和土荆芥凋落物覆盖对荞麦干质量的抑制率分别为47.83%、39.13%和26.09%，对鲜质量的抑制率分别为27.91%、39.53%和25.71%.根据化感综合效应来看，三种杂草凋落物覆盖对荞麦生物量积累以土荆芥为最大（0.24），辣子草次之（0.12），三叶鬼针草最小（0.08）.

2.4 3种杂草化感效应的比较化感作用综合效应分析表明，3种杂草对荞麦的化感效应具有一定的差异，整体表现为三叶鬼针草＞辣子草＞土荆芥.荞麦生长的不同阶段和不同生长部位对杂草化感作用的敏感性不同，其中以种子萌发过程受影响最大，导致出苗率较低；在幼苗生长阶段，杂草化感作用对根系生长大于地上部分生长，而生物量积累受到的影响比其他指标小.

3 讨论

3.1 3种恶性杂草对荞麦的化感效应植物释放的化感物质通过多种途径从植物表面转移到土壤中，当积累到一定浓度后就会对周围植物产生化感作用［19］.种子萌发是植物完成生活史或种群繁衍的先决条件，除了受种子活力、寿命、激素水平等内在因素影响以外，种子萌发还受多种环境因素影响［20］.本研究结果显示，3种恶性杂草释放到环境中的化感物质，作为环境因素之一强烈抑制了荞麦的种子萌发过程，导致出苗率降低.发芽速度降低会降低植物在群落中的丰富度，发芽势降低导致出苗延后，将严重影响植物对地上和地下资源的竞争能力［21］.陈峰等［22］等研究表明，化感物质可通过抑制胚生长、影响细胞结构、干扰种子中活性氧的产生与积累、打破种子内源激素平衡等方式调控种子萌发；根是植物吸收水分和营养物质的重要器官，其生理状态直接反应周围环境状况［23］.植物释放的化感物质以某些有毒害物质的前体存在，在一定条件下转化为有毒物质，对周围植物产生抑制作用［24］.本研究结果表明，3种恶性杂草的水浸提液对荞麦根的生长具有显著的抑制作用.且出现明显的受害症状，如根加粗、呈黄褐色甚至坏死，这一症状随着处理时间和浓度的增加而加剧，这与杜凤移等［25］研究结果相似.许多化感物质都具有细胞毒性，化感物质对纺锤丝的形成［26］和细胞壁成分如纤维素的合成［27］均具有抑制效应，从而抑制了根尖细胞的分裂和伸长，导致根变短变粗.

辣子草、三叶鬼针草和土荆芥为一年生或多年生草本植物，每年均会产生大量的凋落物.凋落物分解过程中，既能产生植物生长所需的营养物质，也能产生有害的中间代谢产物［28］.此外，分解过程中释放出来的化感物质通过改变受体的水分吸收、激素代谢、呼吸作用、光合作用、酶功能、信号转导以及基因表达等多种生理过程，从而抑制植物生长［29］，如入侵植物假臭草（Praxelix clematidea）［30］和紫茎泽兰（Eupatorium adenophorum）［31］的凋落物

能对周围植物的生长产生抑制效应.本研究中，3种杂草的凋落物覆盖明显抑制了荞麦的出苗、苗高、干质量和鲜质量，且表现为质量依赖效应，表明3种恶性杂草凋落覆盖物可能影响了土壤中荞麦种子萌发出苗过程中关键酶的合成或能量的产生［32］，从而抑制出苗，影响荞麦幼苗的物质积累.荞麦生长的不同阶段对杂草化感作用的敏感性不同，本研究结果表明，种子萌发受影响最大，根系生长次之，幼苗地上部分的生长相对较弱.因此，在荞麦播种之前，应充分清除杂草及其残株，以免雨水淋溶或残株腐解释放的化感物质抑制种子萌发、导致出苗困难.

3.2 3种恶性杂草对荞麦化感效应的差异由于不同植物种类所产生的次生代谢物质具有较大的差异，因此，生长在同一个生态系统的不同植物，对同一种受体产生的化感效应具有较大的差异.尾叶桉（Eualyptus urophyllaS.T.Blakely）水浸提液浓度与走马胎（Ardisia gigantifoliaStapf）的株高、根长、生物量呈负相关，而与湿地松（Pinus elliottiiEngelm.）、杉 木［Cunninghamia lanceolate（Lamb.）Hook.］呈“低促高抑”关系［33］；在药烟轮间作农田中，玄参（Scrophularia ningpoensis）、川明参（Chuanminsnshen violaceum）的水浸提液对烟草（Nicotiana tabacum）幼苗生长的影响具有明显差异，前者具有“低浓度促进、高浓度抑制”效应，后者则为促进效应［34］.同时，植物的化感效应也会随化感物质释放的途径而变化，如麻风树（Jatropha curcas）的叶水溶性化感物质、叶腐解液和叶挥发性物质对紫茎泽兰化感作用依次减弱［35］.本研究结果表明，3种恶性杂草的水浸提液对荞麦种子萌发和根长的化感抑制效应表现为三叶鬼针草＞辣子草＞土荆芥；不同杂草的凋落物覆盖对荞麦生长的影响与水浸提液的影响具有一定的差异，表现为化感效应表现为辣子草＞三叶鬼针草＞土荆芥.推测其原因一是本研究中水浸提液作用部位主要是地下部分，而凋落物处理测定的指标偏重于地上部分，荞麦不同部位对杂草化感作用的敏感性不同，二是3种恶性杂草凋落物在分解过程中，所释放的化感物质进入土壤并参与复杂的土壤生态循环过程后，其存在形态、活性乃至生物学效应均发生了变化［31］，但是变化规律尚待后续研究进一步确认.