幼苗期化感水稻与非化感水稻响应稗草胁迫的初步研究

王婕妤,李书燕,童建华,柏连阳,*,彭 琼,*

(1.湖南大学研究生院隆平分院,中国湖南 长沙 410125;2.湖南省农业科学院农业生物技术研究所,中国湖南 长沙 410125;3.湖南农业大学植物激素与生长发育湖南省重点实验室,中国湖南 长沙 410128)

近年来,由于水稻种植方式由传统的人工移栽迅速向轻简化、机械化、规模化方式转变,施用化学除草剂防除水田杂草几乎已成为广大水稻种植户唯一的依赖。然而,长期重复使用单一除草剂易导致稻田杂草对除草剂产生抗药性[1～2]。抗性杂草的产生严重危害着农田生态系统。

稗草(barnyardgrass,学名Echinochloa crusgalli L.Beauv.)是湖南省乃至全国范围内稻田中最主要的恶性杂草之一,持续威胁着水稻的产量与品质。稗草不仅与水稻竞争水分、养料和光照等,还严重影响水稻干物质的积累[3],导致水稻有效穗数、千粒重等随稗草密度的增加而降低[4],甚至还会造成水稻生理生化方面的变化,最终导致水稻产量的损失[5～6]。目前,湖南省内的稗草对二氯喹啉酸的抗药性水平日益增加[7]。抗性稗草对水稻产量的影响因水稻类型、稗草种类而异,减产幅度最高可达60.6%[6]。利用水稻的化感作用实现稻田抗性杂草的有效控制是生态安全条件下农田杂草综合防治的新思路。种植化感水稻的同时配合良好的综合栽培管理措施,可以较好地抑制稻田中多数杂草的生长,且不影响化感水稻的产量[8]。

基于化感水稻可以抑制杂草生长的理论,以往的研究多集中于水稻中化感物质和相关基因的分离、鉴定以及化感水稻对稗草的干扰等方面[9～12]。然而,水稻感知到稗草威胁时是怎样改变其行为策略的？稗草伴生条件下,化感水稻和非化感水稻的表型可塑性响应又有何差异？基于以上问题,本研究选用国际公认的化感水稻品种PI312777(PI)、非化感水稻品种Lemont(LE)及稗草(E.crusgalli)为试验材料,研究水稻苗期(3叶期)化感品种和非化感品种应对稗草胁迫时的株高、生物量及根系构型的变化,同时探讨水稻植株中特征性植物激素的变化规律,分析化感水稻及非化感水稻响应稗草胁迫的生理差异,为水稻抗草新品种选育、作物优质高产和开拓农田杂草绿色治理新途径提供一定的理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验地点

供试水稻品种是国际公认的化感水稻品种PI312777(简称PI)和非化感水稻品种Lemont(简称LE),二者均由江苏省农业科学院李永丰研究员提供。供试稗草为湖南省内筛选得到的具有二氯喹啉酸高抗药性水平的生物型。

试验在湖南省农业科学院实验大楼三楼东面大坪的玻璃房内(昼夜温度为30℃/20℃,湿度为58%)进行。试验土壤为田间所取的水稻种植土,晒干后锤碎、过筛、去除杂质,土壤有机质28.37 g/kg、速效磷2.30 mg/kg、速效氮131.00 mg/kg、速效钾150.00 mg/kg、全氮 1.67 g/kg、全磷 0.85 g/kg、全钾17.40 g/kg,pH为6.2。

1.2 试验设计

试验采用水稻单种、水稻与稗草按1∶1比例混种两种种植方式,两个水稻品种共4个处理,分别标记为T1:两株化感水稻单种;T2:1株化感水稻与1株稗草伴生;T3:两株非化感水稻单种;T4:1株非化感水稻与1株稗草伴生。每个处理共种植4盆,在取样后选择长势一致的3株做3次重复。

为了方便获得地下部分数据,本研究采用根箱试验,并参照杨雪芳[11]的方法略作改进。具体改进如下:取800 g混好的土壤装入根箱中;将立针期的水稻和刚露白的稗草种子各1粒种植于根箱区域三等分的两个节点上。

1.3 植株生物学参数测定

水稻3叶期时其根系基本接近根箱底部。此时,分别收获水稻和稗草的地上部分,测定水稻地上部分的株高和鲜重。将所取样本用液氮研磨后放入-80℃冰箱冷冻保存,用于植物激素含量测定。

水稻和稗草的根系放置于100目筛上,用流动的自来水仔细清洗,并用镊子挑除杂质。清洗干净后,吸干根系多余水分,进行根系扫描。扫描结束后,分别称量水稻和稗草地下部分的生物量。

1.4 植物激素测定

将植株地上部分经液氮速冻后研磨成粉,参照Zhou等[13]的方法进行吲哚乙酸(indole-3-acetic acid,IAA)、脱落酸(abscisic acid,ABA)、茉莉酸(jasmonic acid,JA)、水杨酸(salicylic acid,SA)4 种植物激素的提取和测定。

1.5 数据处理

根箱试验中所得到的植株根系通过Scan-Maker i800 plus扫描仪(上海中晶科技有限公司)扫描后,利用LA-S植物图像分析仪系统(杭州万深检测科技有限公司)处理扫描图像,计算出根系的总根长、总表面积、总体积、平均直径和根尖数。本试验获得的数据采用SPSS 25.0(SPSS Inc.,Chicago,USA)进行统计分析,制图软件为Excel 2010。

2 结果

2.1 稗草伴生对水稻株高的影响

两个水稻品种的株高对稗草伴生的响应不同(图1)。无论是单种处理还是稗草伴生处理,化感水稻PI的株高均显著高于非化感水稻LE。稗草伴生对PI株高的影响不大,单种处理和伴生处理间差异不显著。然而,在稗草伴生条件下,LE的株高反而增加了14.23%,与LE单种处理时的株高呈显著差异。

图1 稗草伴生对水稻株高的影响图中数据表示为平均值±标准误,不同小写字母表示差异达到5%显著水平(最小显著差异法)。图2、图3类似。Fig.1 Effects of barnyardgrass on plant height of allelopathic and non-allelopathic riceValues are expressed as mean±standard error.Different small letters mean significant difference at 0.05 by least significant difference test.The same statistical analysis was used in Fig.2 and Fig.3.

2.2 稗草伴生对水稻生物量的影响

图2的结果显示:在单种处理条件下,化感水稻PI的地上生物量和地下生物量均显著高于非化感水稻LE。稗草伴生对PI和LE地上生物量的影响不大。稗草的伴生生长导致PI的地下生物量与单种处理相比显著增加了8.36%;LE的地下生物量也增加了5.74%,但与单种处理相比无显著差异。

图2 稗草伴生对水稻生物量的影响Fig.2 Effects of barnyardgrass on biomass of allelopathic and non-allelopathic rice

2.3 稗草对水稻根系构型的影响

水稻化感品种和非化感品种的根系构型对稗草伴生的响应也不同。从表1可知,单独生长时,PI的总根长、根总表面积、根总体积及根尖数均显著高于LE,而PI与LE根系的平均直径之间并无显著差异;在稗草伴生生长的条件下,PI的总根长、根总表面积、根总体积及根尖数也均显著高于LE,而二者根系的平均直径之间也无显著差异。

表1 稗草伴生对化感水稻和非化感水稻根系构型的影响Table 1 Effects of barnyardgrass on root development of allelopathic and non-allelopathic rice

与单独生长相比,稗草伴生导致PI根系的总长、总表面积、总体积和根尖数分别显著增加了4.08%、8.68%、9.36%和7.26%;PI根系的平均直径也同样具有增加的趋势,但与单独生长相比无显著性差异。

与单独生长相比,稗草伴生对LE根系的总长和平均直径均无显著影响。然而,稗草伴生导致LE根系的总表面积、总体积和根尖数分别显著增加了14.12%、9.52%、8.49%。

2.4 稗草伴生对水稻内源植物激素的影响

单独生长时,化感水稻PI中IAA和JA的含量均显著高于非化感水稻LE(图3A、D),而ABA和SA的含量在两个水稻品种间无显著差异(图3B、C)。稗草伴生时,PI和LE中IAA、ABA的含量与单种处理时的差异均不显著。此外,在稗草伴生处理的两个水稻品种中,SA和JA含量的变化趋势大致相同,主要表现为:PI中SA含量较之单种处理显著增加了15.93%,而JA含量较之单种处理显著降低了81.19%;稗草伴生导致LE中SA含量显著增加了33.63%,而JA含量显著降低了79.31%。稗草伴生导致LE中SA含量的增加幅度是PI的2.1倍。

图3 稗草伴生对水稻内源植物激素含量的影响Fig.3 Effects of barnyardgrass on phytohormone contents in allelopathic and non-allelopathic rice

3 讨论

植物适应复杂多变的环境胁迫是其维持物种生存、繁育的主要本领之一。同一基因型的植物在适应不同环境时具有不同的表现型(表型可塑性);表型可塑性较强的植物在应对环境变化时能够获得更大的生存优势[14]。那么苗期水稻是如何通过表型可塑性来响应稗草的胁迫呢？从本研究看来,在苗期水稻和稗草混种的条件下,化感水稻品种和非化感水稻品种表现出的表型可塑性存在很大的差异。

面对稗草伴生的胁迫,成熟的水稻化感品种和非化感品种在形态特征(株高、生物量)及其对稗草根区土壤养分影响等方面的差异,影响了其自身对伴生稗草的竞争能力[15]。在本研究中,稗草伴生对化感水稻PI的株高影响不大,这与孙备等[15]的研究结果相符。但在稗草伴生条件下,非化感水稻LE的株高急剧增加,这与孙备等[15]的研究结果相反。我们推测可能是因为非化感水稻的品种和测定时期不同,当存在稗草竞争时,3叶期非化感水稻LE选择增加株高以期获得更多的生长竞争优势。

在本研究中,化感水稻PI和非化感水稻LE的地上及地下生物量的比较结果显示,无论是单种还是伴生处理,化感水稻PI的地上、地下生物量均显著高于非化感水稻LE,说明化感水稻PI较非化感水稻LE具有更强的自身抵抗能力。另外,当存在稗草与水稻的种间竞争时,化感水稻PI和非化感水稻LE地上生物量的变化不明显,但是化感水稻PI的地下部分生物量显著增加,表明化感水稻PI较非化感水稻LE对稗草的地下竞争优势更为显著。该结果与杨雪芳[11]的研究结果一致,说明化感水稻对稗草生长的抑制不是以牺牲地下部分的生长为代价的。

总根长、根总表面积、根总体积、根平均直径和根尖数是反映根系生长状况的重要指标,根系的生长状况决定了植物的养分吸收能力。吴云艳等[16]研究发现,杂草稻的竞争导致栽培稻根质量、根体积、根冠比、根伤流速率、根系吸收面积、单位根质量氧化力、单株根系氧化力等显著降低,且降低程度随杂草稻密度的增大而加剧。那么,化感水稻和非化感水稻在响应稗草伴生时的根系构型又有哪些改变呢？在本研究中,单独种植时,化感水稻PI的总根长、根总表面积、根总体积及根尖数均显著高于非化感水稻LE,这与文中化感水稻PI在株高、地下生物量等方面优于非化感水稻LE的结果相吻合。在稗草伴生情况下,两个供试水稻品种的根系平均直径无显著变化,表明稗草的竞争性生长并未影响水稻根系的平均直径。另外,与稗草伴生后,化感水稻PI的总根长、根总表面积、根总体积及根尖数均有不同程度的增加,从而使得伴生处理后其地下生物量显著增加;与之类似,非化感水稻LE同样显著增加了根总表面积、根总体积及根尖数,以实现稗草伴生下土壤养分的争夺,从而满足自身生长需求。但是,在稗草伴生后,非化感水稻LE的根系生长能力仍不及化感水稻PI。这一结果与已有研究结果[16]不符,我们推测可能是由于水稻品种、杂草种类和测定时期不同。

植物激素交互作用共同调控植物的生长发育[17]。稗草伴生影响着水稻生长,势必造成水稻植株内植物激素水平的剧烈变化。在本研究中,单独种植时,与非化感水稻LE相比,化感水稻PI具有较高水平的IAA和JA,表明化感水稻PI具有较强的生长势和抗逆能力。稗草伴生时,两个水稻品种中的IAA和ABA含量与单种处理时相比,差异均不显著,说明化感水稻PI和非化感水稻LE体内的IAA、ABA对稗草的生物胁迫不敏感。JA和SA是植物应对生物胁迫和非生物胁迫的两个重要信号分子[18]。本研究表明,稗草伴生导致化感水稻PI和非化感水稻LE体内的SA含量显著增加,而JA含量明显下降,且SA含量变化较缓,JA含量变化较快;另外,化感水稻PI体内JA的降幅略大于非化感水稻LE,而非化感水稻LE中SA的增加幅度是化感水稻PI的2.1倍。由此可见,水稻在应对稗草胁迫时优先调节JA含量而后调节SA含量,以应对胁迫反应;在SA水平上,非化感水稻对稗草生物胁迫的响应更为强烈,说明化感水稻对稗草胁迫的抵抗能力高于非化感水稻。