小蓬草水浸液对2种花卉种子萌发及幼苗生长的化感作用

胡 缓,何松林,张晋瑞,贾文庆,张翔宇,邱永杰

(河南科技学院,河南新乡 453000)

化感作用(allelopathy)是植物向环境中释放化学物质进而影响自身或其他有机体(包括植物、微生物及动物)生长发育的现象,是植物保持生存竞争优势的一种适应机制[1]。植物通过化感作用来增强自身的竞争能力,在一定程度上影响植物群落组成、演替、更新以及群落内物种的分布格局,成为近年来学者的关注热点[2]。曾凯等[3]研究认为,2种灌木根系水浸提液对受试经济牧草植物生长具有显著的化感效应,且基本表现出低促高抑的规律。蒋智林等[4]发现,4种菊科入侵植物对狗牙根会产生较强的抑制作用。李金鑫等[5]报道,巴茅草叶水浸液化感作用强于茎秆水浸液,且叶水浸液处理后的受体植物发芽指数和生物量均显著低于茎秆水浸液处理。

小蓬草(Conyzacanadensis)为菊科(Compositae)白酒草属(Conyza)[6-7]一年生草本植物[8],是中国分布最广的入侵物种之一。小蓬草种子量大,适应能力强,繁殖快,容易对其他植物生长产生影响,具有细胞毒性、抑菌和除草活性[9]。波斯菊(Cosmosbipinnatus)为菊科 (Compositae) 秋英属 (Cosmos)的一年生或多年生草本,其叶形雅致,花朵轻盈艳丽,是城市绿化、花化的重要园林材料之一。观赏油菜(BrassicajunceaL.)为十字花科、芸薹属植物,原产于中国,并在南北方广泛种植,主要作观赏及绿肥应用。2种草本花卉的生长过程中避免不了杂草的入侵,生产上一般利用刈割、增加植株密度等农艺措施防治杂草,虽在短期有效,但不能长期抑制杂草生长,且需耗费大量人力物力[10-11]。因此,研究小蓬草对草本花卉的化感作用,对揭示入侵杂草与草本花卉之间的竞争关系具有重要意义。

目前对于小蓬草的化感作用研究仅有少量报道,如许桂芳等[12]研究发现小蓬草水浸提液对小麦种子具有显著抑制作用,对油菜和白菜种子具有低促高抑的化感作用,浓度为0.05 g/mL时具有促进作用,浓度达到0.40 g/mL时具有抑制作用。杨莉等[13]研究发现经加拿大蓬水浸提液处理的玉米植株有矮化、弱化的趋势,生物量积累受阻,单株减产可达27.46%。而关于小蓬草不同部位浸提液对草本花卉化感作用的系统研究鲜见报道。

本试验拟以菊科植物小蓬草为研究对象,以北方常见的2种草本花卉波斯菊、观赏油菜为受体植物,研究小蓬草不同部位不同浓度水浸提液对受体植物种子萌发、幼苗生长和相关酶活性及丙二醛含量的影响,以期为花卉植物大规模应用提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 供试材料

供试植物小蓬草采于河南科技学院周边农田,受体植物波斯菊、观赏油菜种子由市场购买所得。

1.2 小蓬草浸提液制备

参考李文红等[14]的试验方法,选择生长良好的小蓬草,挖取完整的植株。采集的小蓬草先用流水将整株冲洗干净并摘除枯叶,将根与叶分开后,用蒸馏水清洗3遍,室内自然晾干后粉碎,然后按照100 g/L的浓度分别加入蒸馏水浸提,4 ℃下冷藏静置48 h,之后用2层细纱布与滤纸进行过滤,所得溶液即为浸提液母液,之后按比例将母液稀释至25,50,75,100 g/L等浓度的根、叶浸提液,4 ℃冰箱中保存备用。

1.3 种子萌发及幼苗生长试验

选取籽粒饱满、大小均一的波斯菊、观赏油菜种子,置于铺有2层滤纸的灭菌培养皿中,每个培养皿放50粒,5个重复。

分别向培养皿中加入25,50,75,100 g/L的小蓬草叶、根浸提液4 mL,对照组加入等量蒸馏水,置于恒温培养箱(25±1) ℃中培养,每24 h观察记录2种花卉种子萌发情况(以胚芽突破种皮1～2 mm为基准[15]),至种子不再萌发。萌发期定时添加适量浸提液或蒸馏水,保持滤纸湿润。其间取样进行相关指标测定。

1.4 测定指标及方法

1.4.1 种子萌发和幼苗生长指标

萌发5 d后调查计算种子发芽势(Gp),10 d后调查计算发芽率(Gr),并测量幼苗的根长和茎长,重复测量3次,以此计算萌发相关指数以及其化感效应指数:

Gr=(n10d/N)×100%

(1)

Gp=(n5d/N)×100%

(2)

Gf=(Gf,CK-Gr,T)/Gr,T×100%

(3)

式中:n10d为10 d后长成正常幼苗种子数量;n5d为5 d后发芽种子总数;N为供试种子数量;Gf为发芽抑制率;Gr,CK为对照种子发芽率;Gr,T为处理种子发芽率。

化感效应指数(response index, RI)参照Williamson和Richandson[16]的方法计算:

GRT=1-GC/GT(GT≥GC)或

GRI=GT/GC-1(GT

(4)

式中:GC为对照值;GT为处理值;GRI为化感效应指数,GRI>0为促进,GRI<0为抑制,绝对值的大小表示作用强度大小,GRI值处理参照马瑞君等[17]的方法。

1.4.2 幼苗抗氧化酶活性和丙二醛含量

在种子发芽5 d、10 d、14 d测定其超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)活性及丙二醛(MDA)含量,比较整个发芽期各指标的差异。SOD活性测定采用氮蓝四唑(NBT)法[18],POD活性测定采用愈创木酚比色法[19],CAT活性采用紫外吸收法测定[20],MDA含量采用硫代巴比妥酸法测定[21]。

1.5 数据处理

将测得的数据用Excel 2016进行统计整理,用DPS 2006进行数据显著性与规律性分析。

2 结果与分析

2.1 小蓬草水浸提液对2种花卉种子发芽率和发芽势的影响

表1显示,L25和R25处理的波斯菊和观赏油菜种子发芽率均高于相应CK,相应化感效应指数(RI)均为正,表现出促进效应,但仅波斯菊增幅达到显著水平;L50处理波斯菊和R50、R75处理观赏油菜的种子发芽率与相应CK相近,其余浓度根、叶浸提液处理波斯菊和观赏油菜种子发芽率均显著低于相应CK,它们的RI均为负值,表现出抑制效应。随着根、叶浸提液浓度的增加,波斯菊和观赏油菜种子发芽率均逐渐降低,波斯菊在各浓度处理间均差异显著,观赏油菜仅在叶浸提液处理间差异显著。R25和R50处理波斯菊的发芽率均显著低于相应的L25和L50处理,R25处理观赏油菜的发芽率也稍低于相应的L25处理,而其余浓度根浸提液处理的波斯菊和观赏油菜发芽率均显著高于相同浓度的叶浸提液处理(P<0.05)。可见,小蓬草根、叶浸提液对波斯菊和观赏油菜的发芽率具有低促高抑的浓度效应,且浓度越高抑制作用越强。

表1 小蓬草浸提液处理下波斯菊、观赏油菜幼苗种子萌发的变化

同时,从表1可知,波斯菊和观赏油菜种子发芽势在L25处理下与相应CK无显著差异,在其余浓度小蓬草根、叶浸提液处理下均比相应CK显著降低(P<0.05)。随着根、叶浸提液浓度的增大,波斯菊、观赏油菜的发芽势均呈逐渐降低的趋势,且各浓度之间多差异显著;在相同浸提液浓度下,波斯菊和观赏油菜种子发芽势大多表现为叶浸提液处理显著高于根浸提液处理;波斯菊和观赏油菜种子发芽势的化感效应指数均为负值,并随着根、叶浸提液浓度的增加而逐渐下降,且根浸提液处理的降幅大于叶浸提液处理。

另外,总体从发芽抑制率来看,小蓬草根、茎浸提液对波斯菊和观赏油菜种子萌发的抑制作用均随着浸提液浓度的增加而逐渐增加,均表现为在低浓度(25 g/L)有促进效应,在中高浓度(50～100 g/L)有抑制效应,叶浸提液的抑制作用高于同浓度的根浸提液,对波斯菊的化感作用大于对观赏油菜的化感作用。

2.2 小蓬草浸提液对2种花卉幼苗下胚轴和上胚轴长的影响

波斯菊和观赏油菜幼苗的上、下胚轴长在小蓬草根、茎浸提液处理下存在明显差异(图1)。

图1 小蓬草根、叶浸提液处理下波斯菊(A)和观赏油菜(B)幼苗胚轴生长的变化

其中,L25、L50、R25、R50处理的波斯菊和L25处理的观赏油菜下胚轴长均高于相应CK,它们的RI也为正值,表现促进效应,但仅观赏油菜增幅达到显著水平;R75和L75、L100处理波斯菊和L50处理观赏油菜的下胚轴长均稍低于相应CK,其余浓度根、叶浸提液处理波斯菊和观赏油菜下胚轴长均显著低于相应CK,它们的RI也均为负值,表现出抑制效应。

随着根或者叶浸提液浓度的增加,波斯菊和观赏油菜下胚轴长均逐渐降低,且在各浓度处理间多差异显著(P<0.05);在相同浓度下,观赏油菜下胚轴长RI均表现为根浸提液小于相应叶浸提液,即根浸提液的化感抑制效应比叶浸提液更大(表2)。

表2 小蓬草根、叶浸提液处理下2种花卉幼苗下胚轴和上胚轴长的变化

同时,从表2可知,仅R25和L25处理观赏油菜的上胚轴长高于相应CK,其余浓度处理波斯菊和观赏油菜上胚轴长均显著低于相应CK,它们RI均为负值;随着小蓬草根、叶浸提液浓度的增大,波斯菊和观赏油菜的上胚轴长呈逐渐降低的变化趋势,且各浓度处理之间大多差异显著;在相同浓度处理下,波斯菊和观赏油菜上胚轴长大多表现为叶浸提液处理显著高于相应的根浸提液处理,其RI也高于相应的根浸提液处理。可见,小蓬草根、叶浸提液对波斯菊和观赏油菜的上下胚轴长也具有低促高抑的浓度效应,且浓度越高抑制作用越显著。

2.3 小蓬草浸提液对2种花卉幼苗抗氧化酶活性的影响

首先,图2,A显示,波斯菊幼苗的SOD活性仅在R50处理下显著高于CK,在其余处理下均显著低于CK,而观赏油菜幼苗的SOD活性在各处理下均不同程度高于CK,且除L75和L100处理外增幅均达到显著水平;随着根或者叶浸提液浓度的增加,波斯菊幼苗SOD活性表现出降低趋势,且在各浓度处理间大多差异显著,而观赏油菜幼苗SOD活性有先升后降趋势,均以R50或L50处理最高,R100或L50处理最低,且与最高处理间差异显著;在相同浓度处理下,根浸提液处理波斯菊和观赏油菜幼苗的SOD活性均高于相应的叶浸提液处理,且差异多达到显著水平(P<0.05)。可见,小蓬草根、叶浸提液对波斯菊SOD活性多有显著抑制作用,而对观赏油菜具有显著促进作用,且浓度越高抑制作用越强,促进作用随之降低。

图2 小蓬草根、叶浸提液处理下2种花卉抗氧酶活性的变化

其次,从图2,B可知,波斯菊幼苗的POD活性仅在R25处理下显著高于CK,在其余处理下均显著低于对照,且随着浸提液浓度的增加而逐渐降低;观赏油菜POD活性在R50处理下显著高于CK,在L25和R25处理下与CK无显著差异,在其余浓度小蓬草根、叶浸提液处理下均显著低于CK(P<0.05);观赏油菜的POD活性随着根浸提液浓度的增大而先升后降,随着叶浸提液浓度的增大而逐渐降低,且各浓度之间大多差异显著;在相同浸提液处理浓度下,波斯菊和观赏油菜POD活性大多表现为根浸提液处理显著高于叶浸提液处理。

另外,从图2,C来看,波斯菊幼苗的CAT活性在R25、R50和L50处理下显著高于CK,在R75和R50处理下与对照无显著差异,在其余浓度叶浸提液处理下显著降低;在相同处理浓度下,波斯菊幼苗的CAT活性始终表现为根浸提液显著高于相应叶浸提液处理。观赏油菜幼苗的CAT活性仅在L75处理下显著高于CK,在L100处理下稍低于CK,在其余浓度根、叶浸提液处理下均显著低于相应CK(P<0.05);在相同处理浓度下,根浸提液处理观赏油菜幼苗的CAT活性始终低于相应叶浸提液处理,并在L75和L100处理下差异显著。可见,小蓬草根、叶浸提液处理下波斯菊和观赏油菜幼苗CAT活性的变化规律明显不一致,在波斯菊中仍为低促高抑,根浸提液处理高于叶浸提液,而在观赏油菜中则低抑高促,根浸提液处理低于叶浸提液处理。

2.4 小蓬草浸提液对2种花卉幼苗丙二醛含量的影响

图3显示,波斯菊幼苗MDA含量随小蓬草根、叶浸提液浓度的增加均呈现逐渐升高的趋势,R25处理显著低于R50～R100处理,L25处理仅显著低于R100处理;观赏油菜幼苗MDA含量随着根浸提液浓度增加而逐渐升高,而随着叶浸提液浓度的增加而降低,且前2个浓度处理均与后2个浓度处理间差异显著。与CK相比,波斯菊幼苗MDA含量仅在R75、R100和L100处理时显著增加,在其余处理下均无显著变化,而观赏油菜幼苗MDA含量仅在R100处理下显著增加,在其余处理下均显著降低;在相同浓度处理下,波斯菊幼苗MDA含量在R25与L25、R50与L50处理间无显著差异,在R75和R100处理下显著高于相应的L75和L100处理,而观赏油菜幼苗MDA含量基本表现为根浸提液处理显著高于叶浸提液处理。可见,小蓬草根浸提液对观赏油菜、波斯菊幼苗MDA含量影响比叶浸提液更明显,对细胞膜损伤更为严重;小蓬草根、叶浸提液对观赏油菜MDA含量的影响比波斯菊更明显,但观赏油菜幼苗对细胞膜脂过氧化具有更强的耐受性,较波斯菊具有更强的适应性。

图3 小蓬草根、叶浸提液处理下2种花卉丙二醛含量的变化

3 讨 论

3.1 2种花卉种子萌发和幼苗胚轴伸长对小蓬草浸提液的响应特征

化感作用是植物间相互作用的一种常见现象。化感作用的产生必须使化感物质达到某一浓度,低于这一浓度时植物的生长不会受到影响,甚至低浓度的化感物质会促进植物生长[22]。杨骁[23]发现不同浓度的加拿大蓬浸提液对白菜、茼蒿、玉米等14种植物种子的萌发具有明显的抑制作用,致使其发芽率降低。在本研究中,随着小蓬草浸提液浓度的增大,波斯菊和观赏油菜的发芽率、发芽势和化感效应指数均表现出不同程度的降低,表明小蓬草浸提液对2种花卉种子萌发有明显抑制效果。肖春萍等[24]发现加拿大蓬浸提液对小白菜、苦苣和胡萝卜种子的化感抑制作用随着浸提液浓度的增加而增强,且影响较为显著,这与本研究结果基本一致。小蓬草根、叶浸提液浓度为25 g/L时对波斯菊和观赏油菜发芽率的化感效应指数大于0,对它们发芽初期表现出一定的‘低浓度促进高浓度抑制’现象。其原因一方面可能是低浓度下的化感物质有限,未能有效抑制这2种花卉种子的生长;另一方面,在低浓度处理下,浸提液中的一些营养物质可能对花卉种子的生长有利,这与马银山等[25]的研究结果一致。在小蓬草各部位浸提液浓度升高至100 g/L时,2种花卉种子萌发均受到明显抑制;处理组所测指标的化感效应指数均小于0。同时,高浓度处理下小蓬草根部浸提液的化感作用要显著低于叶部,这可能是小蓬草所含的生物碱在叶部的含量要远高于根部的含量,所以根部化感作用要小于叶部。化感综合效应表明,小蓬草的浸提液对波斯菊的化感抑制效果强于观赏油菜,原因可能是观赏油菜中含有某种特殊的物质对小蓬草有较好的耐受力,具体原因还需深入研究。2种花卉植物对小蓬草不同部位、不同浓度浸提液的化感耐受力表现出一定的差异性,小蓬草同一部位、相同浓度浸提液对2种花卉种子及幼苗化感作用也不同,可能是小蓬草的化感作用具有品种间差异性、物种选择性及浓度效应。

植物的化感作用也会影响受体植物幼苗的生长,鲍红春等[26]研究发现,沙芥水浸提液抑制了白菜幼苗上、下胚轴的生长,且对下胚轴的抑制大于上胚轴。加拿大蓬浸提液对甜白菜和观赏油菜幼苗的生长表现出低浓度促进、高浓度抑制的化感作用[27]。本研究中小蓬草浸提液对波斯菊的上胚轴和观赏油菜的下胚轴均表现为抑制作用,而在低浓度下对波斯菊的下胚轴和观赏油菜的上胚轴有促进作用。王杰等[28]研究表明,铁杆蒿浸提液对伴生种以及自身种子萌发的影响差异显著,总体表现为低促高抑的效应,且对根的抑制作用强于芽。这与本研究中小蓬草浸提液对波斯菊、观赏油菜的下胚轴生长抑制大于上胚轴的结果相一致。推推测在幼苗时期由于幼苗的根部直接与小蓬草浸提液接触,所以受到的影响更大。

3.2 2种花卉幼苗抗氧化酶活性和丙二醛含量对小蓬草浸提液的响应特征

植物在遭受逆境胁迫时,由于受到活性氧(ROS)的毒害会发生细胞膜膜脂过氧化作用,其产物MDA会严重损伤细胞膜系统[29-30],MDA含量可作为植物细胞膜上膜脂受氧化伤害程度的重要指标,最直观反映植物所受胁迫程度[31]。SOD、POD和CAT等3种抗氧化酶是植物ROS清除系统的重要组成部分,三者相互协调、共同作用可以有效防止活性氧引起的膜脂过氧化对细胞造成伤害,其活性的高低可反映植物受伤害程度[32-33]。本研究中2种花卉幼苗的MDA含量均随小蓬草浸提液浓度的升高而增加,表明其膜系统受损情况逐渐加重,细胞膜透性增强,主要原因可能是植物在逆境环境下,体内产生过多的氧化产物而激活自身的一种应激机制,促使机体提高抗氧化能力;同时,随着2种浸提液浓度的升高,2种花卉幼苗的抗氧化酶活性逐渐增加,从而清除过量的活性氧,使自身代谢水平保持平衡,进而提高植物的抗逆性。然而,当小蓬草的浸提液浓度达到100 g/L时,2种花卉幼苗自身的抗氧化活性达到极限,随着化感胁迫程度的增加,化感抑制作用高于2种花卉幼苗的耐受阈值,各种抗氧化酶活性降低,从而抑制2种花卉的生长[34]。

本研究结果表明,观赏油菜的SOD活性在根、叶2种浸提液浓度为50 g/L时达到最大,波斯菊的SOD活性在根浸提液浓度为50 g/L或者叶浸提液浓度为25 g/L时达到最大,在浸提液浓度为75 g/L时显著下降;2种花卉幼苗的POD、CAT活性在浸提液处理下均增加,但浓度达到一定值时开始下降。与对照相比,观赏油菜幼苗的SOD活性在2种浸提液处理下显著升高,其POD活性在叶浸提液处理下也显著升高,其CAT活性在根、叶浸提液浓度为75 g/L时显著升高。观赏油菜的抗氧化活性整体高于波斯菊,这可能是由于观赏油菜含有某类挥发性次级代谢物质[35],如单萜类[36-37]等,能够抵御外界的化感胁迫,及时有效地清除细胞内的活性氧,降低化感物质对细胞的损坏,从而保证观赏油菜的正常生长。化感作用机理复杂多样,后续研究应分析观赏油菜种皮及幼苗中可能含有的次级代谢产物,验证各功能成分在抑制化感效应中的作用。

4 结 论

本研究证实了小蓬草浸提液对波斯菊和观赏油菜2种花卉种子萌发存在化感作用,不同部位不同浓度的浸提液对2种花卉种子萌发和幼苗生长化感作用强度不同,整体呈“低促高抑”的化感效应。在不同浓度小蓬草浸提液处理下,观赏油菜幼苗清除活性氧的能力高于波斯菊,显示观赏油菜较波斯菊具有更强的环境适应性。为了进一步明确小蓬草的化感作用机制,今后需对其化感物质种类及相关的化感物质进行分离与鉴定。在大规模种植波斯菊、观赏油菜2种花卉时,应尽量避开小蓬草危害严重的地块或者采用耕作措施彻底清除杂草,并在花卉生长过程中加强除草等管理措施,保证其正常生长。