芝麻浸提液对毛竹种子萌发及幼苗生理特性的影响1)

杨振亚 邹景泉 倪惠菁 赵建诚

(浙江省林业科学研究院，杭州，310023)

毛竹(Phyllostachysedulis)是我国重要的经济竹种，其生长快、周期短、用途广，具有较高的经济、生态和社会价值[1]。作为典型的克隆植物，毛竹依靠鞭根系统强大的繁殖能力和空间拓展能力不断向周边森林扩展，其竹鞭每年扩展的长度可以达到2～6 m[2-3]。近年来，受竹材收购价格下跌、人工成本增加、山区产业转型等多重因素的影响，毛竹需求量急剧下滑，经济效益显著降低，竹农经营毛竹林的积极性下降，部分地区的毛竹林出现了抛荒、弃管现象[4-5]，激烈的种内竞争极易导致毛竹林的扩展。但是，毛竹林的快速扩展，对邻近生态系统及生物资源构成了巨大威胁，导致群落结构破坏[6]、生物多样性降低[7-8]、自然更新困难[9]、群落演替停滞[10-11]等生态问题。因此，采取积极措施抑制毛竹林扩展成为当前研究的重点。蔡亮等[12]根据竹鞭的蔓延趋势和生长状态，提出了“挖坑灌水”方法抑制毛竹林的扩展。针对地上成竹或竞争排斥阶段的扩展，Suzuki et al.[13]提出，通过加大采笋量和伐竹量进行抑制[13]。但是，周期长、成本高、见效慢的缺点，致使以上方法难以在生产实践中推广应用。

化感作用是一种植物释放的化感物质对另一种植物(或微生物)产生的有利或有害作用[14]。化感物质对种子萌发、幼苗生长发育、开花结实、植被的形成与演替、物种更新等均具有一定的影响[15]。芝麻(SesamumindicumL.)是重要的油料作物，其化感作用现象在我国古代农书和传统农业生产中均有记载。北宋苏轼在《物类相感志》中提到“芝麻骨插竹园四周，竹不沿出”[16]。芝麻不仅可以抑制杂草，其茎秆埋在地下，还可以防止竹鞭蔓延[17-18]。由此可见，芝麻对竹子存在潜在的化感抑制作用。

种子萌发是植物生长的基础，是植物生命周期的关键环节和转折点，对植物的生长发育至关重要[19-20]。芝麻通过茎叶淋溶物、根系分泌物和残体腐解液向环境释放化感物质(酚类、萜类、生物碱、有机酸等)，从而对受体植物的种子萌发、幼苗生长和生理特性产生化感作用[17-18]。已有研究表明，不同化感物质释放途径的芝麻浸提液，对油菜(Brassicacampestris)、萝卜(Raphanussativus)、黄瓜(Cucumissativus)种子的发芽率具有抑制作用，但提高了受体幼苗的根长、苗高和鲜质量[17]；钱久李等[18]则认为，芝麻叶浸提液对油菜和萝卜苗高和鲜质量的化感抑制作用呈现低促高抑现象。但目前有关芝麻浸提液对毛竹种子萌发影响的研究较少。为此，本研究以毛竹种子为供试种子材料；以芝麻植株根、茎、叶为原料，制备不同质量浓度的水浸提液为种子处理液；以蒸馏水为对照，在培养皿中分别加入不同质量浓度的芝麻根、茎、叶浸提液，置于恒温恒湿箱中进行发芽培养试验；发芽结束后，抽取幼苗，测定胚根的生理生化指标；以毛竹种子发芽率、发芽指数、化感效应综合指数为评价指标，分析不同质量浓度芝麻根、茎、叶水浸提液对毛竹种子萌发、幼苗生长及生理特性的影响。旨在为揭示芝麻对毛竹林扩展的潜在化感抑制效应提供参考。

1 材料与方法

供试毛竹种子于2019年9月份采自广西桂林市，室温下贮藏。根据GB 2772—1999《林木种子检验规程》，测得种子质量为(26.57±0.35)mg/粒，种子生活力为(81.67±4.27)%。芝麻植株于2019年10月份采自浙江省林业科学研究院竹类植物园。

芝麻根、茎、叶水浸提液的制备：选取生长良好的芝麻植株，全株采回，分割成根、茎、叶3部分，用清水冲洗干净。根、茎分别剪成长1 cm左右的小段，叶片分割成2 cm2的小块；称质量后，按100 g∶1 L(100 g根∶1 L水、100 g茎∶1 L水、100 g叶∶1 L水)的比例加入蒸馏水，定期摇动，在26～28 ℃浸泡24 h；4层纱布过滤后分别获得质量浓度为100 g·L-1的根、茎、叶浸提液；然后用蒸馏水稀释，得到25、50、75 g·L-1的浸提液，置于冰箱内4 ℃冷藏保存。

毛竹种子的发芽试验设计：根据国际种子检验协会(ISTA)的检验规程进行毛竹种子的发芽试验。试验开始前，随机选取优质的毛竹种子，剥去外层颖包，在质量分数为0.3%的KMnO4溶液中消毒10 min，无菌水冲洗3次，保证无消毒液残留，均匀平摊于干燥滤纸上自然风干表面水分。培养皿和滤纸使用前，高温消毒20 min。以蒸馏水为对照，在培养皿(直径15 cm)中分别加入20 mL不同质量浓度的芝麻根、茎、叶浸提液，铺上3层滤纸，放入毛竹种子50粒，均匀摆放。每处理重复6次，置于恒温恒湿箱(温度25 ℃、湿度90%)中培养。每天定时记录发芽数及胚根、胚芽长度(萌发标准为胚根达到种子长度的1/2)，每天用称质量法测定培养皿中水分的消耗情况，并补充水分至原质量，每4 d更换1次发芽床。到28 d终止发芽试验，统计发芽率，并测定生理生化指标。

幼苗胚根的生理生化指标测定：发芽结束后，每重复随机抽取幼苗10株，测定胚根的生理生化指标。具体方法参考邹琦[21]的《植物生理学实验指导》，采用氮蓝四唑光还原法，测定超氧化物歧化酶(SOD)活性；采用愈创木酚法，测定过氧化物酶(POD)活性；采用紫外分光光度法，测定过氧化氢酶(CAT)活性；采用硫代巴比妥酸比色法，测定丙二醛(MDA)质量摩尔浓度；采用考马斯亮蓝G-250染色法，测定可溶性蛋白质量分数；采用水合茚三酮比色法，测定游离脯氨酸质量分数。

数据处理方法：试验结束后，计算毛竹种子发芽率和发芽指数，发芽率PG=(发芽种子数/供试种子数)×100%、发芽指数IG=∑(Nt/tG)，其中，Nt为t时的种子发芽数，tG为发芽时间。按照文献[22]的方法，计算化感效应指数IR=[(T-C)/C]×100%，T为处理测定值、C为对照测定值；当IR>0时表示促进作用，IR<0时表示抑制作用，其绝对值大小代表化感作用的相对强弱。采用化感效应综合指数(IR,C)表示根、茎、叶浸提液化感作用的综合效应，用同一试验处理的毛竹种子的发芽率、发芽指数、胚根、胚芽4个指标化感效应指数(IR)的算术平均值表示[23]。所有数据在Excel 2003中进行统计、整理，利用SAS 9.4统计软件进行单因素分析(ANOVA)和最小显著性检验(LSD)。

2 结果与分析

2.1 芝麻浸提液对毛竹种子萌发的影响

芝麻根、茎、叶浸提液对毛竹种子萌发具有强烈的抑制作用。随着浸提液质量浓度的升高，毛竹种子的发芽率、发芽指数均逐渐降低(见表1)，且芝麻浸提液质量浓度为75、100 g·L-1的毛竹种子发芽率、发芽指数显著低于对照(P<0.05)，但2个质量浓度间差异不显著。同一质量浓度时，不同芝麻器官浸提液处理的毛竹种子的发芽率、发芽指数也有差异。芝麻叶浸提液对毛竹种子萌发的抑制作用最大，发芽率在各质量浓度时均低于根、茎浸提液，但差异不显著。在芝麻浸提液质量浓度为25、50 g·L-1时，茎浸提液处理毛竹种子的发芽指数最大，但与根、叶浸提液处理毛竹种子的发芽指数差异不显著。各质量浓度芝麻叶浸提液处理毛竹种子的发芽指数均低于根、茎浸提液处理，但差异不显著。

表1 不同质量浓度芝麻浸提液处理的毛竹种子发芽指标

2.2 芝麻浸提液对毛竹幼苗生长的影响

芝麻根、茎、叶浸提液对幼苗生长具有显著的抑制作用(见表2)。随着芝麻浸提液质量浓度的升高，毛竹幼苗胚根、胚芽长度均呈降低趋势。同一芝麻器官，芝麻浸提液质量浓度为25 g·L-1时，毛竹幼苗胚根长度和胚芽长度，与对照差异不显著，但显著高于芝麻浸提液质量浓度为50、75、100 g·L-1时的毛竹幼苗胚根长度和胚芽长度(P<0.05)，且芝麻浸提液质量浓度为50、75、100 g·L-1处理的毛竹幼苗胚根长度和胚芽长度间差异显著(P<0.05)。芝麻浸提液同一质量浓度时，根、茎、叶浸提液处理的毛竹幼苗胚根长度3者间差异不显著，根、茎、叶浸提液处理的毛竹幼苗胚芽长度3者间差异不显著。随着浸提液质量浓度的升高，根芽比逐渐升高(见表2)。同一芝麻器官，浸提液质量浓度为25 g·L-1处理的毛竹幼苗根芽比，显著低于浸提液质量浓度为50、75、100 g·L-1处理的毛竹幼苗根芽比(P<0.05)；芝麻浸提液质量浓度为75 g·L-1处理的毛竹幼苗根芽比，与芝麻浸提液质量浓度为100 g·L-1处理的毛竹幼苗根芽比差异不显著。浸提液质量浓度为75 g·L-1时，根浸提液处理的毛竹幼苗根芽比显著高于茎浸提液处理的毛竹幼苗根芽比(P<0.05)；但在其他质量浓度时，根浸提液处理的毛竹幼苗根芽比，与茎浸提液处理的毛竹幼苗根芽比之间差异不显著。

表2 不同质量浓度芝麻浸提液处理的毛竹幼苗生长状况

浸提液质量浓度/g·L-1胚芽长度/cm芝麻根浸提液处理芝麻茎浸提液处理芝麻叶浸提液处理0(对照)(4.85±0.09)Aa(4.85±0.09)Aa(4.85±0.09)Aa25(4.67±0.36)Aa(4.65±0.49)Aa(4.52±0.32)Aa50(4.16±0.19)Ba(4.09±0.03)Ba(3.96±0.07)Ba75(3.45±0.26)Ca(3.46±0.21)Ca(3.51±0.28)Ca100(2.84±0.14)Da(2.88±0.07)Da(2.77±0.14)Da

注：表中数据为“平均值±标准差”；数据后同列不同大写字母表示同一芝麻器官浸提液处理在不同芝麻浸提液质量浓度间差异显著(P<0.05)，数据后同行不同小写字母表示在同一芝麻浸提液质量浓度时不同芝麻器官浸提液处理间差异显著(P<0.05)。

2.3 毛竹种子萌发的综合效应指数

由表3可见：毛竹种子萌发的综合效应指数，在不同质量浓度芝麻根、茎、叶浸提液处理时均小于0，说明芝麻浸提液对毛竹种子萌发具有抑制作用。同一芝麻器官浸提液，随着浸提液质量浓度的升高，浸提液处理的毛竹种子萌发的综合效应指数绝对值均呈现升高趋势，各质量浓度浸提液处理的毛竹种子萌发的综合效应指数差异显著(P<0.05)。质量浓度为25 g·L-1的根、茎、叶浸提液处理的毛竹种子萌发的综合效应指数的绝对值，显著低于其他质量浓度浸提液处理的毛竹种子萌发的综合效应指数的绝对值(P<0.05)，表明低质量浓度浸提液的化感抑制作用最低。同一质量浓度，芝麻叶浸提液处理的毛竹种子萌发综合效应指数的绝对值，高于根、茎浸提液处理的毛竹种子萌发综合效应指数的绝对值，说明芝麻叶的化感抑制作用强于根、茎。

表3 不同质量浓度芝麻浸提液处理的毛竹种子萌发综合效应指数

2.4 芝麻浸提液对毛竹幼苗保护酶活性的影响

由表4可见：随着芝麻根、茎、叶浸提液质量浓度的升高，毛竹幼苗超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)活性均呈现先升高后降低的趋势，但3种酶的活性达到峰值的芝麻浸提液质量浓度不同。超氧化物歧化酶、过氧化物酶活性在芝麻浸提液质量浓度为75 g·L-1时达到峰值，而过氧化氢酶活性在芝麻浸提液质量浓度为50 g·L-1时达到峰值；3种酶的活性在峰值时均显著高于对照(P<0.05)。同一芝麻器官浸提液，质量浓度为100 g·L-1时，超氧化物歧化酶、过氧化氢酶活性与对照差异不显著，而过氧化物酶活性显著高于对照(P<0.05)。

表4 不同质量浓度芝麻浸提液处理的毛竹幼苗保护酶活性

浸提液质量浓度/g·L-1过氧化物酶(POD)活性/U·g-1芝麻根浸提液处理芝麻茎浸提液处理芝麻叶浸提液处理0(对照)(184.88±10.51)Ca(184.88±10.51)Ca(184.88±10.51)Da25(187.36±10.39)Ca(191.57±11.14)Ca(187.09±10.14)Da50(231.79±13.28)Ba(240.07±13.77)Ba(242.55±12.47)Ba75(268.21±16.17)Aa(278.15±15.97)Aa(275.11±15.84)Aa100(227.92±12.63)Ba(236.89±13.68)Ba(202.54±11.71)Cb

注：表中数据为“平均值±标准差”；数据后同列不同大写字母表示同一芝麻器官浸提液处理在不同芝麻浸提液质量浓度间差异显著(P<0.05)，数据后同行不同小写字母表示在同一芝麻浸提液质量浓度时不同芝麻器官浸提液处理间差异显著(P<0.05)。

2.5 芝麻浸提液对毛竹幼苗渗透调节物质的影响

由表5可见：随着芝麻根、茎、叶浸提液质量浓度的升高，毛竹幼苗可溶性蛋白质量分数呈现逐渐降低的趋势，且对照组的毛竹幼苗可溶性蛋白质量分数显著高于浸提液质量浓度100 g·L-1处理的毛竹幼苗可溶性蛋白质量分数(P<0.05)；随着芝麻根、茎、叶浸提液质量浓度的升高，毛竹幼苗游离脯氨酸质量分数则呈逐渐升高的趋势，且对照组的毛竹幼苗游离脯氨酸质量分数显著低于浸提液质量浓度100 g·L-1处理的毛竹幼苗游离脯氨酸质量分数(P<0.05)。浸提液同一质量浓度，毛竹幼苗可溶性蛋白质量分数、游离脯氨酸质量分数在不同器官浸提液处理时差异不显著。同一器官浸提液，质量浓度为25 g·L-1时，毛竹幼苗可溶性蛋白质量分数、游离脯氨酸质量分数，均与对照组间差异不显著；同一器官浸提液，质量浓度为50 g·L-1处理的毛竹幼苗可溶性蛋白质量分数，与质量浓度为75 g·L-1处理的毛竹幼苗可溶性蛋白质量分数差异也不显著，而质量浓度为50 g·L-1处理的毛竹幼苗游离脯氨酸质量分数，与质量浓度为75 g·L-1处理的毛竹幼苗游离脯氨酸质量分数差异显著(P<0.05)。

表5 不同质量浓度芝麻浸提液处理的毛竹幼苗渗透调节物质质量分数

2.6 芝麻浸提液对毛竹幼苗丙二醛质量摩尔浓度的影响

由表6可见：随着芝麻根、茎、叶浸提液质量浓度的升高，毛竹幼苗丙二醛质量摩尔浓度均呈现逐渐升高的趋势，在浸提液质量浓度为100 g·L-1时达到峰值，且显著高于对照组(P<0.05)。芝麻同一器官浸提液，对照组的毛竹幼苗丙二醛质量摩尔浓度均显著低于其他浸提液质量浓度处理的(P<0.05)。除芝麻浸提液质量浓度75 g·L-1外，芝麻根、茎、叶浸提液在各质量浓度处理时，毛竹幼苗丙二醛质量摩尔浓度由大到小依次为根浸提液处理的、茎浸提液处理的、叶浸提液处理的。

表6 不同质量浓度芝麻浸提液处理的毛竹幼苗丙二醛质量摩尔浓度

3 讨论

种子萌发期和幼苗期是植物生活史的重要阶段，在逆境条件下往往伴随着较高死亡率以及较高的生理和形态塑性。植物在此阶段的抗逆能力直接影响着植物的生存和发展[24-25]。种子发芽试验是化感作用研究中比较常用的生物检测方法之一。在自然状态下，水是植物的天然溶剂，可以将植物中的化学物质淋溶出来[26]。已有研究表明，芝麻释放的化感物质可显著抑制种子萌发和幼苗生长[17，27-28]。因此，用芝麻浸提液代替毛竹种子萌发过程中所需水分，可以视为对毛竹种子萌发和幼苗生长的逆境胁迫。

3.1 芝麻浸提液对毛竹种子萌发及幼苗生长的影响

本研究中，芝麻根、茎、叶浸提液对毛竹种子萌发具有显著的抑制作用。随着浸提液质量浓度的升高，毛竹种子的发芽率和发芽指数均呈现逐渐降低的趋势，说明毛竹种子的发芽率与芝麻浸提液的质量浓度呈负相关。造成这种现象的原因是由于化感物质在种子萌发过程中影响物质代谢和各种酶的活性，从而导致种子退化和活力下降，进而延缓种子的萌发过程。但也有研究表明，种子萌发具有“低促高抑”的现象，即低质量浓度浸提液对种子萌发起到促进作用，高质量浓度则起到抑制作用[25]。在本研究中，芝麻浸提液对毛竹种子萌发的化感作用并未表现出低质量浓度的促进作用，这与试验设置的高质量浓度梯度、毛竹对化感物质的耐受能力以及试验选取的芝麻品种有关。

逆境胁迫下由于植物碳同化量减少，渗透调节能耗和维持生长能耗增加等原因，植物生长量减少[29-30]。本研究中，随着芝麻浸提液质量浓度的升高，胚根和胚芽的长度均呈下降趋势，说明胚根和胚芽的生长均受到芝麻浸提液中化感物质的抑制。由于本研究设置的浸提液质量浓度较高，“低促高抑”现象并未出现。虽然胚根和胚芽的长度随着芝麻浸提液质量浓度的升高而降低，但根芽比呈上升趋势，说明在种子萌发过程中，胚根比胚芽对化感物质更敏感[31]。根芽比的增加是植物在逆境胁迫下的保护作用和应激反应，有利于促进植物对水分和养分的吸收，同时将更多的同化物向根系分配，减轻逆境胁迫对植物造成的伤害[32-33]。

通过计算表明，毛竹种子发芽指标和幼苗生长指标的化感效应指数，在不同质量浓度芝麻根、茎、叶浸提液处理时均小于0，且其综合效应指数也小于0，说明芝麻浸提液对毛竹种子萌发和幼苗生长均具有抑制作用。同一器官浸提液，随着浸提液质量浓度的升高，化感抑制作用增强。芝麻不同器官浸提液对毛竹种子萌发的影响差异显著，其中芝麻叶浸提液对毛竹种子萌发、幼苗生长的抑制效应最大，芝麻根浸提液的抑制效应最小；这与芝麻不同器官中的挥发性有机物成分有关。已有研究表明，在芝麻根中主要以烯类物质和芳香族物质为主；茎中的挥发物成分主要以直链烯烃为主，也有少量的芳香族萘醌类物质；而芝麻叶的挥发物主要是氨酸类物质和酯类物质[34]；最终导致其化感作用的差异。

3.2 芝麻浸提液对毛竹幼苗生理生化的影响

超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)是植物体内重要的抗氧化酶，参与植物的多个生理生化过程，协同作用及时清除体内的活性氧和自由基，缓解逆境胁迫对植物膜系统造成的伤害[35]。已有研究表明，随着浸提液质量浓度的升高，幼苗合成抗氧化酶的能力降低，酶活性也会逐渐减弱[36]。本研究中，随着浸提液质量浓度的升高，超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶活性均呈先升高后降低的趋势。毛竹幼苗在受到芝麻浸提液刺激后，通过提高保护酶的活性清除体内的氧自由基，避免细胞受到过氧化氢的危害，浸提液中潜在的化感物质激活了抗氧化酶共同的转录因子、诱导抗氧化酶相关基因的表达[37-38]。随着浸提液质量浓度的进一步升高，氧自由基的产生速率加快，毛竹幼苗的抗氧化酶系统受损，清除活性氧能力下降，导致毛竹生长发育受阻。

逆境胁迫下植物通过积累渗透调节物质提高细胞液浓度，从而降低因渗透失水造成的细胞膜、酶及蛋白质结构与功能的损伤[33，35]。脯氨酸是细胞内重要的渗透调节物质，且脯氨酸可配合抗氧化酶系统清除自由基[39]。本研究中，随着芝麻浸提液质量浓度的升高，脯氨酸质量分数逐渐增加，说明毛竹幼苗受到芝麻浸提液的化感抑制作用逐渐增强。这是由于芝麻浸提液导致细胞内外渗透不平衡，毛竹通过增加脯氨酸质量分数提高植物细胞原生质的保水能力，从而抵御化感物质造成的伤害[40]。丙二醛是植物组织活性氧积累诱发的膜脂过氧化产物，能够反映生物膜受损程度[41]。本研究中，丙二醛质量摩尔浓度随着芝麻浸提液质量浓度的升高逐渐增加，各处理的丙二醛质量摩尔浓度均显著高于对照，说明芝麻浸提液使毛竹幼苗细胞的生物膜受到了严重的损伤。丙二醛与超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶协同作用，可有效减轻细胞膜脂过氧化程度，避免因自由基积累造成的氧化损伤。

从抗氧化酶活性以及丙二醛质量摩尔浓度的结果看，芝麻根浸提液激发了毛竹抗氧化酶更高的活性，且对毛竹幼苗膜系统的破坏更大，说明芝麻不同器官对毛竹表现出化感作用并不统一，这取决于毛竹的发育阶段。芝麻叶化感物质对毛竹种子萌发的抑制作用更强，而芝麻根化感物质则对毛竹幼苗生长时期膜系统的破坏更大。

4 结论

芝麻根、茎、叶浸提液能够显著降低毛竹种子的发芽率，抑制胚根、胚芽的生长，增加根芽比，说明芝麻浸提液对毛竹种子萌发及幼苗生长具有明显的化感抑制作用，且随浸提液质量浓度的增加而增强。芝麻浸提液处理改变了毛竹种子萌发及幼苗生长的环境条件，进而影响毛竹幼苗的抗氧化酶活性、渗透调节物质质量分数。虽然芝麻浸提液对毛竹种子萌发和幼苗生长具有显著抑制作用，但其对鞭根系统的生长是否存在抑制作用尚不清楚。因此，有关芝麻浸提液对毛竹鞭根系统的影响还需进一步研究。