甘薯提取物对3种杂草种子萌发和幼苗生长的化感作用

马光宗，徐高峰，杨韶松，杨云海，张付斗，温丽娜，陶 琼，申时才，叶 敏

(1. 云南农业大学/云南生物资源保护与利用国家重点实验室，昆明 650201；2. 云南省农业科学院农业环境资源研究所/云南省农业跨境有害生物绿色防控重点实验室，昆明 650205)

【研究意义】在农业生产中，农田杂草是影响农作物品质和产量的主要因素。当前农田杂草防控中，以化学除草剂为主，然而除草剂的使用带来了一系列的社会和生态环境问题[1-3]。因此，利用植物自身释放的化感物质来抑制农田杂草受到了广泛关注[4]。作为一种新型的生态控草方法，植物化感作用防控杂草没有引入难降解的化学物质，对农田草害生态治理体系的构建具有重要的价值[5-6]。【前人研究进展】王宇轩等[7]研究表明，八宝景天花二氯甲烷相萃取物对稗草、反枝苋、白三叶萌发和生长有较强抑制作用，筛选出苯酚、安息香酸、硬脂酸甲酯、邻苯二甲酸二丁酯、棕榈酸甲酯5种潜在化感物质，其中苯酚的抑制效果最好。邓文红等[8]研究表明，沙蒿水浸提液不同酸碱性组分能抑制对沙米种子发芽率，其中抑制作用酸性组分>碱性组分>中性组分，主要化感物质为丁二酸和3，4-二羟基苯甲酸。王晓英等[9]研究表明，刺柏叶水提液对高羊茅种子发芽指数、发芽率和发芽势表现出“低促高抑”的效应，抑制高羊茅种子萌发和生长，鉴定出31种化合物，主要成分有香草醛、7-羟基香豆素、2，4-二叔丁基苯酚、2，3-二氢苯并呋喃、邻苯二酚等。赵芸等[5]从牛至挥发油中鉴定出14种化学成分主要成分为甲基丁香酚、肉豆蔻醚、香芹酚、百里香酚、洋芹脑等，对小麦、萝卜和绿豆的种子萌发和生长表现出化感抑制作用。吴易等[10]从南美蟛蜞菊根系分泌物分析鉴定出邻苯二甲酸二异丁酯、硬脂酸甲酯、棕榈酸甲酯和邻苯二甲酸二异辛酯，其中棕榈酸甲酯有明显的抑制作用。甘薯，属旋花科的一年或多年生藤本植物。甘薯是世界上重要的粮食、饲料、工业原料和生物能源作物，也是我国第4大农作物[11]。甘薯生长速度快、无性繁殖能力强和匍匐生长为主，因此在与其它作物和杂草共同生长时通常具有明显的优势。甘薯对入侵植物薇甘菊和紫茎泽兰具有很强的竞争能力，可作为一种理想的替代物种[12-13]。申时才等[14]研究表明，甘薯能显著降低农田恶性杂草藿香蓟、牛筋草、牛膝菊等的重要值和种群密度，有利于抑制优势杂草和入侵恶性杂草的发生与危害。【本研究切入点】甘薯叶片水提物对牛膝菊、藿香蓟、鬼针草、薇甘菊等恶性杂草具有显著的化感抑制作用，抑制能力与处理浓度呈正相关[15-16]。甘薯地上部水提物对入侵植物薇甘菊幼苗生长具有明显的抑制效果，抑制能力随浓度增加而逐渐增强[16]。然而，目前关于甘薯地上和地下部和不同溶剂萃取物的化感作用尚未见报道。【拟解决的关键问题】本文以双子叶菊科植物三叶鬼针草，单子叶禾本科植物黑麦草和马唐为供试植物，用石油醚，乙酸乙酯和正丁醇萃取甘薯地上/地下部水提液，研究4种萃取物对3种杂草种子萌发以及幼苗生长的化感作用，为进一步开发利用甘薯的化感物质奠定了基础。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试甘薯：2010年采自云南省德宏州陇川县，后种植于云南省昆明市嵩明县昆明温室(102°52′E，25°35′N，海拔1956 m)。试验前期进行扦插，采用斜插法种植，并开沟以形成隔室(规格为1.5 m × 0.2 m)，种植面积为12 m × 4.6 m。期间进行培土、施肥和除草过程，自然生长6个月，后取整株红薯(包括地下部块根)为试验材料。

供试植物种子：黑麦草(2019年8月采自云南省玉溪市通海县，102°45′E，24°08′N，海拔1763 m)、马唐(2018年9月采自云南省昆明市嵩明县，103°11′E，25°36′N，海拔1880 m)和三叶鬼针草(2019年8月采自红河州弥勒县，103°22′E，24°25′N，海拔1617 m)，经鉴定为云南省部分主要的农田恶性杂草种类。

1.2 试验方法

有机溶剂萃取物的制备参考杨云海等[17]的方法，在前期试验的基础上，从云南省农业科学院农业环境资源研究所昆明温室选取具有化感潜力的甘薯品种，分别采集新鲜甘薯地上部(茎和叶)以及甘薯地下部(块根和须根)5 kg，阴干后粉碎，按固液比为1∶5(w/w)加入蒸馏水，浸泡24 h，使用超声波水浴辅助提取，滤液重复上述操作，得到甘薯水浸提液。采用溶剂梯度萃取，依次用体积相同的的石油醚、乙酸乙酯和正丁醇将得到的甘薯水提液萃取3次，合并得到的萃取液与留有的水浸提液一起使用旋转蒸发仪减压浓缩。生物活性测定参考马光宗等[18]的方法，设置2.00、1.00、0.50、0.25 mg/mL 4个浓度，4次重复。

1.3 数据统计与分析

试验萌发时间为7 d，结束时数发芽种子数，测量各植株根长、株高和生物量。按公式(1)计算发芽率：

发芽率(%)=(发芽种子数/供试种子总数)×100

(1)

萃取物对黑麦草、马唐和三叶鬼针草3种杂草的化感响应指数，按公式(2)计算：

RI=1-C/T(T≥C)或RI=T/C-1(T

(2)

式中,T，C分别为处理值和对照值。RI<0 和RI>0分别表示抑制和促进作用，作用强度与绝对值大小一致。

综合化感响应指数(SE)按公式(3)计算：

SE=(发芽率RI+根长RI+茎长RI+生物量RI)/4

(3)

式中,SE<0表示总体表现为抑制作用，SE>0表示总体表现为促进作用。

数据采用软件SPSS 20.0进行分析，采用单因素方差分析检验，Duncan’s新复极差法进行多重比较，分析不同处理间的差异。

2 结果与分析

2.1 甘薯萃取物对3种杂草种子萌发的影响

从表1可见，甘薯地上部和地下部不同萃取物对3种杂草种子萌发均有一定的抑制作用。随萃取物浓度增加，3种杂草的种子发芽率的抑制率呈上升趋势，其中石油醚相和乙酸乙酯相的抑制率最高，浓度为1.00～2.00 mg/mL时的部分抑制率达100%；其次为正丁醇相，不同浓度的抑制率为3%～63%；最差的为水相，出现了“低促高抑”现象。3种杂草中，三叶鬼针草种子萌发对萃取物的敏感性最强，其次是马唐和黑麦草。总体上，甘薯地上部萃取物水相和正丁醇相对3种杂草种子发芽率抑制率多数大于地下部，而地下部石油醚相和乙酸乙酯相则多数明显大于地上部。

2.2 甘薯萃取物对3种杂草幼苗生长的影响

从图1可见，甘薯萃取物对黑麦草、马唐和三叶鬼针草3种杂草的根长和茎长具有明显的影响。石油醚相和乙酸乙酯相对3种杂草根长和茎长的抑制率最高，浓度为1.00～2.00 mg/mL时对茎长的抑制率分别为48%～100%和66%～100%，对根长的抑制率分别为65%～100%和67%～100%。水相和正丁醇相对3种杂草根长和茎长也有一定的抑制率，总体上正丁醇相的抑制率大于水相。甘薯地上部的水相和正丁醇相萃取物对3种杂草根长和茎长的抑制率多数大于地下部，而地下部的乙酸乙酯相和石油醚相对3种杂草根长和茎长的抑制率明显大于地上部。

图2 甘薯萃取物对3种杂草茎长的影响Fig.2 Effect of sweet potato extracts on stem length of three weeds

从图3可见，在生物量方面，甘薯不同萃取物对黑麦草、马唐和三叶鬼针草3种杂草的生物量影响程度不同。同样地，石油醚相和乙酸乙酯相对3种杂草生物量的抑制率最高，浓度为1.00～2.00 mg/mL时其抑制率分别为76%～100%和75%～100%。当萃取物浓度为2.00 mg/mL时，地上/地下部乙酸乙酯相对三叶鬼针草、马唐和黑麦草生物量的抑制率分别为100%、97%和93%，且地上/地下部4种萃取物对三叶鬼针草生物量的抑制率总体大于马唐和黑麦草，表明三叶鬼针草的敏感性最强，其次是马唐和黑麦草。从甘薯地上和地下部萃取物对比看，水相和正丁醇相对3种杂草生物量的抑制率地上部普遍大于地下部，而石油醚相和乙酸乙酯相对3种杂草生物量的抑制率多数地下部大于地上部。

图3 甘薯萃取物对3种杂草生物量的影响Fig.3 Effect of sweet potato extracts on biomass of three weeds

2.3 甘薯萃取物对3种杂草综合化感响应指数的影响

从表2可见，从3种杂草发芽率、根长、茎长和生物量的化感响应指数综合对比来看，甘薯不同萃取物对3种杂草的影响不同。除了水相对马唐和三叶鬼针草的综合化感响应指数出现“低促高抑”外，石油醚相、乙酸乙酯相和正丁醇相对3种杂草的综合化感响应指数均为负值，且随浓度的增加抑制率逐渐增大。其中，乙酸乙酯相对3种杂草综合化感响应指数为最低，其次是石油醚相、正丁醇相和水相。从甘薯地上和地下部对比看，地上部萃取物水相和正丁醇相对3种杂草的综合化感响应指数小于地下部，而地下部萃取物石油醚相和乙酸乙酯相的综合化感响应指数普遍低于地上部。

表2 甘薯萃取物对3种杂草综合化感响应指数的影响Table 2 Effects of sweet potato extracts on synthetical allelopathic index of three weeds

3 讨 论

化感活性的强弱主要取决于提取物浓度、目标物种和化学物质来源的植物部位，通常，高浓度的提取物抑制目标物种的种子萌发或幼苗生长，而低浓度的提取物反而会促进种子萌发和幼苗生长[19-22]。本研究结果表明，甘薯地上和地下部对马唐、黑麦草、和三叶鬼针草种子萌发及幼苗生长均具有一定的化感作用。随萃取物浓度的提高，对3种杂草种子发芽率、根长、茎长和生物量抑制率显著提高。申时才等[15]研究表明，甘薯叶片浸提液对5种杂草种子萌发及幼苗生长具有“低促高抑”的现象。本研究中，水相在各浓度中出现对马唐、黑麦草和三叶鬼针草种子萌发和幼苗生长促进作用，而其余3种萃取物石油醚相、乙酸乙酯相和正丁醇相普遍具有抑制作用。植物化感作用的强弱，与不同的部位如地上部和地下部相关[23]。邓丽丽等[24]报道甘薯根水提物对喜旱莲子草的化感抑制作用最强，其次是茎和叶。本试验研究结果表明，甘薯地上/地下部萃取物对马唐、黑麦草和三叶鬼针草3种杂草的化感作用的变化趋势并不一致，这可能是由于试验中使用地下部材料以块根为主造成的。

化感物质会影响种子的发芽速度，延长种子的出苗时间，对植物的竞争能力影响较大[23, 25]。化感物质对根生长的抑制作用会降低植物的吸肥和吸水能力，降低对资源的利用率，从而影响该植物的生长发育及其在群落中的作用和地位[15]。本研究表明，萃取物对3种杂草种子的萌发均有不同程度的抑制作用，石油醚相和乙酸乙酯相在高浓度2.00 mg/mL时，能抑制部分供试杂草种子的萌发。同时，从3种杂草根长和茎长对比看，不同萃取物对根长的抑制率普遍大于其茎长。因此，本研究中进一步证明甘薯不同萃取物通过抑制3种杂草种子的萌发和根长，从而会影响到植物茎的生长和生物量的积累。

综合化感响应指数是综合衡量植物化感作用强度的重要指标之一[15]。试验研究结果表明，甘薯萃取物对3种杂草的根长、茎长、种子发芽率和生物量抑制率的变化趋势并不一致。然而，从总体的综合化感响应指数来看，乙酸乙酯相对3种杂草的活性最强的，接下来是石油醚相、正丁醇相和水相。从甘薯地上和地下部对比看，地上部萃取物的水相和正丁醇相对3种杂草的综合化感响应指数小于地下部，而地下部萃取物的石油醚相和乙酸乙酯相的综合化感响应指数普遍低于地上部。说明甘薯地上部与地下部都可能含有相似的主效化感物质种类，而不同萃取物地上部和地上部综合化感响应指数的差别可能是由于含量不同造成的。

Xuan等[26]报道甘薯的化感物质主要为棕榈酸、亚油酸乙酯、棕榈酸乙酯和反式对香豆酸等。本研究中利用水提液溶剂梯度萃取法，使用3种溶剂对甘薯水浸提液进行萃取分离，得到留有的水相、石油醚相、乙酸乙酯相和正丁醇相萃取物。萃取物的抑制活性依次为乙酸乙酯相>石油醚相>正丁醇相>水相，这与王力超[27]报道的乙酸乙酯萃取物对喜旱莲子草幼苗生长的化感抑制作用最强，其次是石油醚萃取物和正丁醇萃取物相一致。通过分段萃取和萃取物生物活性测定，对于后续的化感物质分析、纯化和鉴定等具有重要的意义。

4 结 论

甘薯地上和地下部萃取物对马唐、黑麦草和三叶鬼针草表现出一定的抑制作用，其中石油醚相和乙酸乙酯相的抑制率最高。从甘薯地上和地下部抑制率来看，地上部与地下部的化感作用变化趋势并不明显，但地下部石油醚相和乙酸乙酯相对3种杂草的抑制率普遍大于地上部，而地上部水相和正丁醇相的抑制率高于地下部。本研究证实甘薯萃取物石油醚相和乙酸乙酯相中含有主效化感物质，下一步将对这2种萃取物的化感物质分离鉴定和作用机理进行研究，以便为甘薯大面积的田间杂草替代种植提供科学理论依据。