菊花水浸液对萝卜种子萌发及幼苗根系形态特征的化感作用研究

王智芳,任胜寒,周凯

（1.河南科技学院园艺园林学院,河南 新乡 453003；2.新乡市景观生态工程技术研究中心,河南 新乡 453003）

化感作用（Allelopathy）是指植物通过一定的途径向环境释放次生代谢产物抑制或者促进其他临近植物的生长发育的现象.化感作用影响了植物生长环境中的群落结构,导致植物群落更替,使植物在长期进化过程中形成适应机制,有利于保持本物种在空间和资源竞争中的优势[1-2].目前,化感作用已成为国内外生态学的研究热点[3-4],尤其是对化感作用在种内和种间相互关系、群落演替过程、物种分布格局构建和生物入侵等领域的重要作用开展了深入研究[5-9].其中,植物化感物质的自毒作用、植物化感物质成分分析、化感物质调控的代谢途径及其作用机理、植物连作障碍以及化感物质对根际土壤生物群落结构的影响成为2019 年中国第九届植物化感作用学术研讨会的热议话题.

在自然条件下,化感物质随着根系分泌、雨水淋溶、凋落物分解等途径进入土壤中,直接制约临近植物种子萌发和幼苗生长[10-12].化感作用物质主要来源于供体植物的根系分泌[13],其首先作用于受体植物根系.植物根系作为联接植物与土壤的关键纽带,对土壤中化感物质非常敏感,因此植物根系属性是化感作用研究的重要指标之一[14].研究发现,化感作用在农业生态系统作物与作物、作物与杂草之间的种间关系中起着重要作用[15],在农业杂草管理、提高土壤健康和抑制植物病害等方面的应用前景十分广阔[16].

菊花（Chrysanthemum morifoliumTzvel.）是我国十大传统名花和世界四大鲜切花之一,是一种重要的集观赏、药用、茶用、食用和工业等多用途于一身的园艺作物,在中国有3 000 多年的栽培历史[17].当前菊花作为我国乡村振兴的一项支柱产业,形成了从培育、种植、采摘到收购、加工、生产的完整产业链,劳动力密集型产业特征明显,有利于促进农民就近就业和农民增收,是赋能乡村振兴、农民脱贫致富的又一强大引擎.但是,已有研究证实,菊花具有化感作用的潜势[1],连坐障碍问题突出[18-21],其中化感作用是菊花连作障碍的重要原因[22-23],是菊花产业化发展面临的一个重要瓶颈.

菊科植物与其他园艺植物、杂草之间会相互产生一定的化感作用.研究表明,菊花对生菜幼苗根系生长总体上表现出化感抑制作用,且随着水浸液处理质量浓度的增加,综合化感效应指数呈增加趋势[1].目前,关于受体植物根系形态特征对外源化感物质的响应尚缺乏整体的认识.因此,基于已有研究结果,本研究以菊花作为研究对象,以萝卜（Raphanus sativusL.）为受体植物,探讨菊花水浸液处理对萝卜种子萌发及幼苗根系形态特征的影响,揭示菊花化感作用的生态学本质,既对于理解化感作用在群落演替中扮演的角色和农田杂草生物防治具有十分重要的现实意义,又为菊花产业可持续发展提供科学的理论依据.

1 材料和方法

1.1 试验材料

菊花来源于河南省新乡市西郊西水东村菊花生产基地,于2020 年冬季采集菊花地上部分,剔除杂物和泥土后带回实验室晾晒风干,保存备用.供试受体植物萝卜种子购自新乡市本地蔬菜种子供应站.

1.2 试验方法

1.2.1 水浸液制备试验于2021 年3 月在河南科技学院景观生态学实验室进行.水浸液参照周凯等[1]的方法进行制备.将风干的菊花植株剪成3 cm 左右的小段,充分粉碎后过40 目筛,烘干至恒质量.称质量100 g 干燥的粉末溶解在1 000 mL 的去离子水中,常温浸泡48 h,抽滤得质量浓度为100 mg/mL 水浸液母液,然后分别稀释为2、4、6、8 mg/mL,置于4 ℃冰箱中备用.

1.2.2 水浸液处理先用0.2%次氯酸钠溶液对萝卜种子表面消毒10 min,去离子水冲洗4~5 次,用定性滤纸吸干表面水分.每个培养皿内放两张Whatman 定性滤纸,分别放入30 粒萝卜种子,添加5 mL 质量浓度为2、4、6、8 mg/mL 水浸液,以等量去离子水为对照,每个处理设置3 个重复.每隔24 h 补充2 mL 水浸液弥补蒸发损失,对照补充去离子水.放置于室内自然光下培养7 d,在此期间每天统计萝卜种子发芽率.

1.2.3 根系扫描水浸液处理结束之后,将萝卜根系从其茎基部剪切下来,用去离子水清洗,放置于根系扫描仪（EPSON perfection 4990 PHOTO）的根盘中,注入适量去离子水,设置扫描参数,启动根系扫描仪对根系进行扫描.使用图像处理软件（Adobe Photoshop CC 2019）将扫描得到的图片进行处理,然后经过专业根系分析软件（WinRHIZO Pro 2007d13 March 2007）提取根系形态特征参数数据,分别得到根系总根长（Total Root Length）、总根尖数（Total Root Tip Number）、总根体积（Total Root Volume）、总表面积（Total Surface Area）、总投影面积（Total Projection Area）、平均根系直径（Average Diameter）等根系形态特征参数值.

1.3 萝卜种子萌发及幼苗生长的化感效应

参照Williamson 等[24]提出的响应指数RI（response index）作为衡量菊花不同部位水浸液自毒效应的大小.即

式（1）中,C为对照值,T为处理值,RI≥0 为促进,RI＜0 为抑制,定义对照的RI值为0,绝对值的大小与作用强度一致.综合化感效应（synthetical allelopathic effect,SE）是供体对受体萝卜根系形态特征参数（总根长、总根尖数、总根体积、总表面积、总投影面积、平均根系直径）化感效应指数的算术平均值进行评价[25].

1.4 数据统计

所得数据采用DPSV9.01 专业版分析软件进行差异显著性分析,采用Duncan 新复极差法进行不同处理间的差异显著性检验,其中小写字母a 和大写字母A 分别代表5%和1%检验水平下的差异显著性.使用Excel 进行制图.

2 结果与分析

2.1 总根长

菊花水浸液处理对萝卜幼苗总根长呈现出显著的化感抑制作用（见图1）.与对照总根长（315.86 mm）相比,2、4、6、8 mg/mL 水浸液处理后的萝卜总根长分别为213.86、173.86、101.86、31.86 mm,分别比对照减少了32.29%、44.96%、67.75%、89.91%,达到了极显著差异水平.质量浓度8 mg/mL 菊花水浸液几乎完全抑制了萝卜幼苗根系的总根长.

图1 菊花水浸液处理对萝卜幼苗总根长的影响Fig.1 Allelopathic effects of aqueous extract of Chrysanthemum on total root length of radish seedlings

2.2 总根尖数

菊花水浸液处理对萝卜幼苗根尖数没有显著影响（见图2）.与对照相比,各质量浓度菊花水浸液处理对萝卜幼苗的根尖数虽然有一定的增加,但是统计结果表明差异性不明显.

图2 菊花水浸液处理对萝卜幼苗总根尖数的影响Fig.2 Allelopathic effects of aqueous extract of Chrysanthemum on total root tips of radish seedlings

2.3 总根体积

菊花水浸液处理对萝卜幼苗总根体积没有显著影响（见图3）.与对照相比,各质量浓度菊花水浸液处理对萝卜幼苗总根体积虽然有一定的增加,但是统计结果表明,不同处理之间并无显著性差异.

图3 菊花水浸液处理对萝卜幼苗总根体积的影响Fig.3 Allelopathic effects of aqueous extract of Chrysanthemum on total root volume of radish seedlings

2.4 总根表面积

当菊花水浸液的质量浓度为2、4、6 mg/mL 时,萝卜幼苗根系的总根表面积与对照相比无显著性差异.质量浓度达到8 mg/mL 时,萝卜幼苗根系的总根表面积与对照相比存在显著性差异,见图4.

图4 菊花水浸液处理对萝卜幼苗总根表面积的影响Fig.4 Allelopathic effects of aqueous extract of Chrysanthemum on total surface area（b）of radish seedlings

2.5 总投影面积

当菊花水浸液的质量浓度为2、4、6 mg/mL 时,萝卜幼苗根系的总投影面积与对照相比较无显著性差异；但质量浓度达到8 mg/mL 则对萝卜幼苗根系总投影面积的抑制作用达到极显著水平,且比对照减少了29.36%（见图5）.

图5 菊花水浸液处理对萝卜幼苗根系总投影体积的影响Fig.5 Allelopathic effects of aqueous extract of Chrysanthemum on total projection area of radish seedlings

2.6 平均根系直径

菊花水浸液对萝卜幼苗根系的平均根系直径具有一定的促进作用（见图6）.当菊花水浸液的质量浓度达到4、6、8 mg/mL 时对平均根系直径达到了一定的促进作用.通过试验数据分析可知,随着菊花水浸液质量浓度的不断增加,萝卜幼苗根系的平均根系直径也随之呈现梯度递增现象,2 mg/mL 质量浓度与4、6、8 mg/mL 质量浓度对平均根系直径的促进作用存在极显著性差异.

图6 菊花水浸液处理对萝卜幼苗平均根系直径的影响Fig.6 Allelopathic effects of aqueous extract of Chrysanthemum on average root diameter of radish seedlings

2.7 种子萌发

菊花水浸液对萝卜种子萌发的发芽率（GR）和发芽指数（GI）均有抑制作用（见表1）.由表1 可知,水浸液处理对萝卜种子萌发的发芽率和发芽指数有抑制作用,并且随着菊花水浸液质量浓度的增加,对发芽率、发芽指数的抑制作用也随之增加.萝卜种子萌发的发芽率相对于对照分别减少了1.92%、3.26%、4.61%、5.95%,结果显示菊花对萝卜种子的萌发具有化感抑制作用,其中2、4 mg/mL 质量浓度与6、8 mg/mL 质量浓度之间具有极显著差异性.2、4 mg/mL 质量浓度菊花水浸液处理对萝卜种子发芽率和发芽指数的化感效应指数（RI）分别为：-0.013 5、-0.027 0,6、8 mg/mL 质量浓度化感效应指数RI分别为：-0.040 5、-0.054 0,总体上呈现出明显的浓度梯度效应.

表1 菊花水浸液处理对萝卜种子萌发的化感作用Tab.1 Allelopathic effects of chrysanthemum water extract treatment on radish seed germination

2.8 综合化感效应

研究结果表明,菊花对萝卜幼苗根系形态特征参数的综合化感效应呈现出“低促高抑”现象.在2 mg/mL低质量浓度时综合化感效应具有一定程度的促进作用,在4、6、8 mg/mL 较高质量浓度时综合化感效应具有明显的抑制作用（见表2）.

表2 菊花水浸液处理对萝卜幼苗根系生长的综合化感效应指数Tab.2 Synthetical allelopathic effects of chrysanthemum water extract treatment on root growth of radish seedlings

3 结论与讨论

3.1 结论

研究结果表明,菊花水浸液对萝卜种子发芽率和发芽指数均表现为化感抑制作用,并且浓度梯度效应明显,即质量浓度越大,对萝卜种子发芽率和发芽指数的化感抑制作用越强烈.结果还表明,菊花水浸液抑制了萝卜幼苗根系的生长,随着水浸液质量浓度的增加对萝卜幼苗的总根长、总投影面积的抑制作用效果越强.菊花水浸液处理对萝卜幼苗根系的总根表面积、总根体积、总根尖数、平均根系直径存在“低促高抑”的化感作用现象.菊花水浸液处理对萝卜幼苗根系各形态特征参数的综合化感效应亦呈现相同的作用规律.当受体植物根系受到生境中化感作用物质的化学胁迫,影响根系生长,植物根系水分、营养物质等的吸收受到制约,从而导致植物的地上部分形状矮小、枝茎叶瘦弱.植物化感作用的“低促高抑”浓度梯度效应在Wang 等[26]、Becerra 等[27]、刘亚威等[28]学者的研究中也有同样的作用规律.

3.2 讨论

研究发现,当植物处于干旱、盐胁迫、极端温度等各种逆境时,根系首先感应环境胁迫信号并调整根系形态特征属性,根系形态特征参数的生态响应是植物对逆境自适应的体现.鄢邵斌等（2023）通过对61篇有关化感作用对植物根系形态属性影响的文献进行了meta 分析,发现化感物质处理显著抑制受体植物根长,而对根生物量、根表面积和根体积等形态属性的影响不显著[21].Choudhary 等（2023）研究发现,受体植物对供体植物化感物质作用的敏感性具有选择性,这对提高目标杂草管理至关重要[29].本研究也发现菊花对受体植物萝卜幼苗根系的形态特征属性的化感作用呈现出敏感性的差异,其中总根长的化感抑制作用特征印证了鄢邵斌和Choudhary 等人的结论.另外,鉴于比根长和根组织密度等参数与根系养分吸收策略和生理生态功能有很好的对应关系[30-31],本研究建议未来的化感作用研究采用比根长和根组织密度等参数来表征根系形态属性的变化.