入侵種加拿大蓬對(duì)玉米的化感潛力及機(jī)制研究

楊 莉，韓 梅，肖春萍，楊利民

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)中藥材學(xué)院，吉林省生態(tài)恢復(fù)與生態(tài)系統(tǒng)管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長(zhǎng)春 130118）

生物入侵是當(dāng)前最棘手的三大環(huán)境問(wèn)題之一，它嚴(yán)重地威脅著土著生態(tài)系統(tǒng)的完整性和生物多樣性［1］.很多入侵植物成為農(nóng)林雜草，在全世界不同地區(qū)存在不同程度的爆發(fā)，如紫莖澤蘭、勝紅薊等，給農(nóng)林業(yè)造成了巨大的直接經(jīng)濟(jì)損失［2-3］.根據(jù)劉紹芹等［4］的調(diào)查，當(dāng)大豆田中每行每10 m有4株豚草時(shí)，可使大豆減產(chǎn)132 kg/hm2.玉米田中的入侵種三裂葉豚草可使玉米產(chǎn)量降低300～450 kg/hm2，甚至不能形成雌穗［5］.除與作物爭(zhēng)光、爭(zhēng)水、爭(zhēng)營(yíng)養(yǎng)之外，目前的研究顯示很多入侵種還可通過(guò)淋溶或揮發(fā)等釋放化感物質(zhì)抑制其周圍植物的生長(zhǎng)發(fā)育［6］，其作用機(jī)制包括影響受體植物的光合作用、呼吸作用，抑制根系對(duì)K、P、Ca等離子和水分的吸收，影響受體植物細(xì)胞膜的透性等［7-11］.

入侵種加拿大蓬Erigeron canadensis L.為菊科飛蓬屬一年生草本植物，原產(chǎn)北美，現(xiàn)我國(guó)各地均有分布，是我國(guó)分布最廣的入侵種之一.該植物適生于山坡、草地、田野、路旁和河堤等處，生活力強(qiáng)，適應(yīng)性廣，常形成單優(yōu)勢(shì)種群，表現(xiàn)出極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)［12］，目前已成為吉林省常見(jiàn)的田間雜草之一［13］.吉林省是我國(guó)春玉米的主產(chǎn)區(qū)，玉米Zea mays L.是其主要栽培的農(nóng)作物之一.根據(jù)目前的研究結(jié)果，玉米種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)可受菊科多種外來(lái)入侵植物的抑制［14］，但化感物質(zhì)對(duì)玉米成熟植株的影響還鮮有報(bào)道.本文研究了外來(lái)入侵雜草加拿大蓬對(duì)玉米成熟植株的化感潛力及可能的作用機(jī)制，為評(píng)估加拿大蓬的生態(tài)危害、深入研究其化感作用機(jī)制以及玉米田間雜草的控制與防除提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地設(shè)在吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)中藥材學(xué)院藥植園，試驗(yàn)區(qū)海拔251 m，年平均降水量568.5 mm，6—8月降水占全年的70%以上.年平均氣溫4.8℃，極端高溫39.5℃，極端低溫－39.8℃。

1.2 試驗(yàn)材料和田間試驗(yàn)處理

加拿大蓬采自于吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)田間實(shí)驗(yàn)區(qū)外圍荒地，由吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)野生植物資源教研室韓梅教授鑒定.玉米種子(特早澳粘玉米)，購(gòu)于吉林省長(zhǎng)春市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究所.加拿大蓬水溶性化感物質(zhì)的提取采用蒸餾水浸提法.將100 g加拿大蓬植株剪成段，20倍蒸餾水室溫浸泡12 h后，更換水液，再浸泡12 h，將2次水液合并，過(guò)濾，真空減壓濃縮定容，得0.05 g/mL加拿大蓬水提液.

試驗(yàn)采用盆栽法，泥盆深約30 cm，底部?jī)?nèi)徑約20 cm，每個(gè)處理20盆，共計(jì)80盆.試驗(yàn)用土為園區(qū)土，每盆裝土深度約28 cm.將80盆土隨機(jī)分為4組，擺放在園圃內(nèi).玉米種子溫湯浸種催芽，待胚根長(zhǎng)出后播種，每盆5粒，保證土壤水分充足，苗出齊后，三葉期每盆定苗1株.在拔節(jié)期開(kāi)始用加拿大蓬水提液澆灌處理，以蒸餾水為對(duì)照，設(shè)置0.010、0.025、0.050 g/mL 3個(gè)濃度梯度，根灌，每7 d澆灌1次，每次100 mL，正常田間管理.

1.3 葉片光合能力的測(cè)定

分別于吐絲期、灌漿期、成熟期選擇晴天上午9:00—10:00采用LCI(USA)光合作用系統(tǒng)測(cè)定儀測(cè)定其光合作用參數(shù).每個(gè)處理選擇6個(gè)穗位上部葉，掛牌標(biāo)記，結(jié)果取平均值.測(cè)定指標(biāo)包括:葉片凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(E)等.水分利用效率(WUE)=Pn/E.

1.4 葉面積及光合色素含量的測(cè)定

成熟期時(shí)選擇生長(zhǎng)良好、大小一致的玉米5株，每株均在穗位上、下選擇沒(méi)有病蟲(chóng)害、完全伸展的成熟葉片2片用于葉面積和光合色素的測(cè)定.采集的葉片先采用CI-203(USA)手持式激光葉面積儀測(cè)定其面積、葉長(zhǎng)、葉寬.葉綠素含量的測(cè)定按照張治安等［15］的方法進(jìn)行測(cè)定.

1.5 生物量的測(cè)定

成熟期將長(zhǎng)有玉米的土柱從盆中取出，用手輕輕敲打土柱四周直至將土拍得松散，取出完整的植株，迅速帶回實(shí)驗(yàn)室，按照根、莖、葉、穗分開(kāi)，用報(bào)紙分別包好，105℃殺青30 min后，70℃恒溫烘干后稱各個(gè)部分干質(zhì)量.

1.6 統(tǒng)計(jì)方法

數(shù)據(jù)采用SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 加拿大蓬對(duì)玉米葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)的化感作用

葉片是植物主要的光合器官，其面積大小關(guān)系著植株光合能力的強(qiáng)弱和干物質(zhì)的生產(chǎn)能力.由表1可見(jiàn)，經(jīng)加拿大蓬水提液處理后，玉米的葉長(zhǎng)、葉寬、葉面積均有不同程度的下降，多數(shù)與CK達(dá)到差異顯著水平.其中，葉長(zhǎng)、葉寬、葉面積分別下降了9.50%、10.98%、17.76%.不同質(zhì)量濃度加拿大蓬水提液對(duì)玉米葉片結(jié)構(gòu)的影響以0.050 g/mL處理的葉面積最小，但3個(gè)處理間葉面積沒(méi)有顯著差異.

表1 葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)不同質(zhì)量濃度加拿大蓬水提液化感作用的響應(yīng)1)Tab.1 Responses of the leaf traits of maize to the different concentrations of aqueous leachates of Erigeron canadensis

光合色素是綠色植物進(jìn)行光合作用必需的物質(zhì)，其中葉綠素是植物光合色素中最重要的一類色素，其含量可受多種逆境的脅迫而下降［16］.類胡蘿卜素不僅是捕光色素，還可以淬滅不穩(wěn)定的三線態(tài)葉綠素和具有強(qiáng)氧化作用的單線態(tài)氧，從而保護(hù)受光激發(fā)的葉綠素免遭光氧化破壞，降低光合膜受損傷程度［17］.類胡蘿卜素含量的上升，說(shuō)明它們清除活性氧的能力較強(qiáng)［18］，也說(shuō)明需要清除的活性氧的數(shù)量增加.由表1可知，經(jīng)加拿大蓬水提液處理后，3種光合色素變化差異較大.在低質(zhì)量濃度加拿大蓬水提液處理下(0.010、0.025 g/mL)，受體葉綠素a含量下降且與CK差異顯著;葉綠素b含量沒(méi)有顯著變化;胡蘿卜素含量上升且與CK差異顯著.而在高質(zhì)量濃度加拿大蓬水提液處理下(0.050 g/mL)玉米葉片中3種色素的含量均表現(xiàn)為劇烈上升，與其他處理差異均達(dá)到顯著水平.

2.2 加拿大蓬對(duì)玉米葉片光合能力的影響

由圖1A可知，加拿大蓬水提液處理后，玉米凈光合速率有不同程度的降低.對(duì)照與處理差異最大的時(shí)期為吐絲期，CK凈光合速率分別比0.010、0.025和0.050 g/mL 3個(gè)處理高出32.12%、15.73%和22.64%，此后兩者之間的差距逐漸減小.灌漿期是玉米生長(zhǎng)的關(guān)鍵時(shí)期，在籽粒灌漿期維持光合產(chǎn)物的供給是獲得高產(chǎn)的重要因素［19］.如圖1A，此時(shí)玉米的光合能力達(dá)到峰值，對(duì)照凈光合速率為 40.57 μmol·m－2·s－1，分別比 0.010、0.025 和0.050 g/mL處理高出11.9%、10.2%和11.6%.氣孔導(dǎo)度及蒸騰速率的變化趨勢(shì)與凈光合速率變化趨勢(shì)類似，總體表現(xiàn)為對(duì)照高于處理，其間的差異在吐絲期最大，之后逐漸減小(圖1B、1C).

圖1 質(zhì)量不同濃度加拿大蓬水提液對(duì)玉米葉片氣體交換參數(shù)的影響Fig.1 Effects of different concentrations of aqueous leachates of Erigeron canadensis on leaf gas exchange parameters of maize

各個(gè)時(shí)期不同質(zhì)量濃度的加拿大蓬水提液對(duì)玉米凈光合速率、氣孔導(dǎo)度的影響沒(méi)有明顯的濃度規(guī)律，總體看來(lái)以0.025 g/mL處理數(shù)值最高;而蒸騰速率大致表現(xiàn)為0.010 g/mL處理＞0.025 g/mL處理＞0.050 g/mL處理.各個(gè)時(shí)期均以0.050 g/mL處理蒸騰速率最低，吐絲期、灌漿期、成熟期不同質(zhì)量濃度處理的蒸騰速率均低于CK.蒸騰速率的降低是其水分利用效率增加的主要原因，如圖1D所示，各個(gè)時(shí)期0.050 g/mL處理下水分利用效率均高于其他處理.

2.3 加拿大蓬對(duì)玉米各部位生物量積累的影響

由表2可見(jiàn)，經(jīng)加拿大蓬水提液處理后，玉米株高、莖粗以及各部位生物量均低于對(duì)照.隨著處理液濃度的升高，各項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)值有上升的趨勢(shì)，在受試范圍內(nèi)，除根質(zhì)量外，其余指標(biāo)上升趨勢(shì)差異未達(dá)到顯著水平.在相同質(zhì)量濃度的水提液處理下，加拿大蓬化感物質(zhì)對(duì)莖粗的抑制作用強(qiáng)于株高;除0.050 g/mL處理根質(zhì)量有所增加外，加拿大蓬水提液對(duì)4個(gè)部位生物量積累的抑制強(qiáng)弱順序?yàn)?根＞莖＞穗＞葉.

表2 不同質(zhì)量濃度加拿大蓬水提液對(duì)玉米株高、莖粗和各部位生物量的影響2)Tab.2 Effects of different concentrations of aqueous leachates of Erigeron canadensis on plant height，stem diameter and biomass of maize

光合產(chǎn)物在各個(gè)部位的分配如表3.成熟時(shí)，對(duì)照玉米的光合產(chǎn)物主要分布在根和穗中.與對(duì)照相比，0.010、0.025 g/mL處理下玉米的根質(zhì)量占比下降，穗質(zhì)量占比有所增加;而0.050 g/mL處理玉米的根質(zhì)量占比增大，接近總體生物量的50%，穗質(zhì)量比下降，比對(duì)照減少了5.32%，根冠比0.95，為對(duì)照的147.20%，地下部分比例大大增加，植物的干物質(zhì)傾向于向根部流動(dòng).

表3 不同質(zhì)量濃度加拿大蓬水提液處理下玉米各部位生物量占總質(zhì)量的比例Tab.3 The percentage of maize parts in their total biomass cultured with different concentrations of aqueous leachates of Erigeron canadensis

低濃度處理下，根受到的抑制作用最強(qiáng);高濃度條件下，其生物量又反常增加，這可能與根系是植物吸收養(yǎng)分和水分的主要器官，也是最先感受土壤逆境脅迫的重要部位，植物在逆境條件下往往通過(guò)改變其根系分布及形態(tài)來(lái)適應(yīng)不利的生長(zhǎng)環(huán)境有關(guān)［20］.在環(huán)境脅迫條件下，由根系吸收及冠層合成的物質(zhì)一般優(yōu)先供應(yīng)近源處器官生長(zhǎng)需要，即當(dāng)土壤中礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)或水分供應(yīng)受限時(shí)，大部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)或水分用于根系生長(zhǎng)［21］.因此，根質(zhì)量的變化可能是玉米地下部分對(duì)加拿大蓬化感物質(zhì)濃度變化的響應(yīng)，但是造成這種差異的影響還需要進(jìn)一步的研究.

3 討論與結(jié)論

根據(jù)本文的研究，加拿大蓬水溶性物質(zhì)對(duì)受體玉米的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生了不良影響，經(jīng)其處理后，玉米有矮化、弱化的趨勢(shì)，生物量積累受阻，單株減產(chǎn)27.46%以上.綜合分析受試玉米葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)和氣體交換參數(shù)后推測(cè)，上述現(xiàn)象與植株的光合能力下降有關(guān).首先，葉面積及光合色素含量與葉片光合能力密切相關(guān)，本研究結(jié)果顯示加拿大蓬水溶性化感物質(zhì)處理后，受體玉米葉面積減小了12.58%以上，葉綠素a含量降低，且與對(duì)照差異顯著.其次，吐絲期、灌漿期玉米凈光合速率明顯下降.氣孔導(dǎo)度是單位時(shí)間內(nèi)單位面積氣孔的水汽蒸騰量，氣孔導(dǎo)度越大，代表氣孔開(kāi)張程度越大，氣孔的開(kāi)張直接影響到 CO2和水汽進(jìn)出氣孔的速率［22］.Einbhlling 等［23］的研究結(jié)果顯示，化感物質(zhì)阿魏酸、咖啡酸和香草醛等可通過(guò)降低葉片的氣孔導(dǎo)度、葉綠素含量和光合作用來(lái)抑制大豆和高粱的生長(zhǎng).本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)經(jīng)加拿大蓬水提液處理后，玉米凈光合速率下降，且葉片的氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率變化趨勢(shì)與凈光合速率變化趨勢(shì)一致，說(shuō)明水汽、CO2進(jìn)出氣孔受阻是導(dǎo)致了凈光合速率降低的主要原因.由此可見(jiàn)，加拿大蓬水溶性化感物質(zhì)是通過(guò)影響玉米的相關(guān)光合單位，造成了一系列的生理變化，最終導(dǎo)致了玉米生物量的合成受阻.

進(jìn)一步分析玉米光合產(chǎn)物在各個(gè)部位之間的分配顯示，0.050 g/mL加拿大蓬水提液處理下，玉米的根質(zhì)量增加，其占比接近總體生物量的50%，穗質(zhì)量比下降了5.32%，其總生物量的增加主要來(lái)源于根質(zhì)量的增加，根冠比達(dá)到0.95，為對(duì)照的147.20%.玉米吐絲后進(jìn)行生殖生長(zhǎng)，隨著灌漿的進(jìn)一步進(jìn)行，體內(nèi)的碳水化合物逐漸由主要的源器官運(yùn)輸?shù)綆?kù)器官——穗進(jìn)行儲(chǔ)藏［24］.因此，在植物吐絲期至成熟期，光合產(chǎn)物主要供給用于后代繁殖的子實(shí)部分.但經(jīng)加拿大蓬水提液處理后，玉米光合產(chǎn)物更多的分配到了根部，穗質(zhì)量減小，籽粒灌漿不足直接導(dǎo)致了玉米產(chǎn)量的降低，如上述情況發(fā)生在制種田，則會(huì)直接導(dǎo)致玉米種子質(zhì)量的下降，其對(duì)產(chǎn)量的影響將更加深遠(yuǎn).

越來(lái)越多的研究表明，植物的化感作用與植物的養(yǎng)分關(guān)系密切.曾任森等［25］研究顯示，當(dāng)植物附近的營(yíng)養(yǎng)增加時(shí)，日本曲霉化感作用顯著增強(qiáng)［25］.而隨著營(yíng)養(yǎng)水平的降低，勝紅薊揮發(fā)油的化感作用呈上升趨勢(shì)［26］.中肋骨條藻在磷限制的條件下對(duì)東海原甲藻的生長(zhǎng)有較明顯的促進(jìn)作用［27］.本試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)高濃度加拿大蓬水提液處理下玉米根質(zhì)量等指標(biāo)也出現(xiàn)了上升的現(xiàn)象.

目前化感作用機(jī)理及其分子基礎(chǔ)并不是很清楚，但從現(xiàn)有的資料來(lái)看化感作用幾乎能影響植物生理生化的每一個(gè)方面，大多數(shù)化感物質(zhì)可影響植物的細(xì)胞膜、能量產(chǎn)生和能量使用過(guò)程，少部分化感物質(zhì)只影響某一特定酶步驟，從而干擾植物的一些高級(jí)代謝過(guò)程和生長(zhǎng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)［28］.本試驗(yàn)以盆栽法研究了加拿大蓬水溶性物質(zhì)對(duì)玉米成株的化感作用，與大田試驗(yàn)還存在一定的差距，入侵種加拿大蓬對(duì)玉米危害程度以及其他可能的作用機(jī)制還需要進(jìn)一步的試驗(yàn)來(lái)加以確證.

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