加拿大一枝黃花水提液對玉米幼苗生長的化感作用及其機(jī)理

葉小齊，吳明，邵學(xué)新，梁雷

（國家林業(yè)局杭州灣濕地生態(tài)系統(tǒng)定位研究站 中國林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所，浙江 富陽311400）

化感物質(zhì)對鄰近植物生長的影響取決于其濃度。自然條件下，化感物質(zhì)釋放到土壤中后經(jīng)微生物分解轉(zhuǎn)化，濃度會逐漸降低［1］，其化感作用強(qiáng)度會發(fā)生顯著改變。因此有必要研究不同化感物質(zhì)濃度對其他植物的影響?！暗痛俑咭帧保╤ormesis）效應(yīng)是指某種有毒物質(zhì)在高濃度時會抑制／毒害生物的生長，而在低濃度時卻會起到促進(jìn)的現(xiàn)象［2］?；形镔|(zhì)對植物生長的“低促高抑”效應(yīng)是植物化感作用研究中經(jīng)常觀測到的現(xiàn)象［3］。有學(xué)者提出化感作用是外來植物物種入侵的“化學(xué)武器”［4］。但是仍然缺乏足夠多的實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明土壤中的化感物質(zhì)達(dá)到了抑制其他植物生長的濃度閾值［4－5］。因此，研究入侵植物化感物質(zhì)不同濃度對土著植物生長的影響具有重要意義。一些研究者發(fā)現(xiàn)在華東地區(qū)危害嚴(yán)重的入侵植物加拿大一枝黃花（Solidagocanadensis）具有較強(qiáng)的化感活性［6］，其提取物對土著植物種子萌發(fā)和幼苗生長都表現(xiàn)出了顯著的抑制作用［7－9］。進(jìn)一步研究表明，加拿大一枝黃花提取物對土著植物生長在低的濃度范圍內(nèi)表現(xiàn)出促進(jìn)作用，而在較高的濃度范圍內(nèi)則表現(xiàn)出抑制作用［10］，這說明加拿大一枝黃花對土著植物生長的影響和其化感物質(zhì)濃度緊密相關(guān)。

前人從不同角度對植物化感物質(zhì)的“低促高抑”效應(yīng)的機(jī)理進(jìn)行了初步探索。Prithiviraj等［11］表明低劑量兒茶素（±）－catechin能夠適度激發(fā)擬南芥（Arabidopsisthaliana）分生組織活性氧的產(chǎn)生從而刺激植物加速生長，因?yàn)榛钚匝跏侵参锛?xì)胞伸展必不可缺的作用物質(zhì)［12］，而另外一些研究發(fā)現(xiàn)植物提取液處理能顯著影響受體植物保護(hù)酶活性［10，13－14］，因此保護(hù)酶活性的變化也可能是“低促高抑”的機(jī)制之一。與植物化感物質(zhì)類似，除草劑草甘膦對一些植物生長也具有“低促高抑”效應(yīng)，這是因?yàn)榈蜐舛炔莞熟⒛芤种浦参锩Р菟岽x途徑，減少細(xì)胞壁中木質(zhì)素的合成，增加植物細(xì)胞壁的伸展性，因而能促進(jìn)植物的生長［15］。還有一些研究試圖從光合能力的角度對“低促高抑”做出解釋，Wiedman和Appleby［16］發(fā)現(xiàn)光合氣體交換并不能解釋幾種除草劑低劑量處理對黃瓜（Cucumissativus）的生長促進(jìn)作用；而Cedergreen和Olesen［17］卻發(fā)現(xiàn)低劑量草甘膦在促進(jìn)大麥（Hordeumvulgare）生長的同時，的確也刺激了其光合能力的提高。這些不同發(fā)現(xiàn)是不同角度不同層次研究的結(jié)果，彼此不一定相互矛盾。從構(gòu)成植物的生長速率的要素來看，相對生長速率（relative growth rate，RGR）同時取決于單位葉面積凈同化速率（net assimilation rate，NAR）和對葉面積形成的資源投入（leaf area ratio，LAR）。前者主要取決于植物單位葉面積的光合能力，是內(nèi)在的生理因素，而后者則指植物形成所有具有光合能力葉片面積所投入的資源比例，是植物對光合器官（葉）生物量分配（leaf mass ratio，LMR）和單位葉生物量所能建造的葉面積（specific leaf area，SLA）的共同作用的結(jié)果［18］，因此低濃度下較快的生長既可能是較高的光合速率的結(jié)果，也可能是光合組織資源分配增加的結(jié)果。

Zhang等［10］報(bào)道了加拿大一枝黃花地下莖提取物的“低促高抑”現(xiàn)象，對其機(jī)理做了初步探討，但沒有從光合生產(chǎn)的角度解釋該效應(yīng)。本文于2011年研究了加拿大一枝黃花提取物對受體植物生長、光合能力和對葉的資源分配的變化，擬明確加拿大一枝黃花水提液對受體植物生長的影響與光合能力還是與葉資源分配相關(guān)。在加拿大一枝黃花危害嚴(yán)重的華東地區(qū)，棄荒地生長的加拿大一枝黃花往往嚴(yán)重抑制和影響玉米等后續(xù)作物的生長和產(chǎn)量［19］，因此本研究以玉米（Zeamays）幼苗為受體植物材料。

1 材料與方法

1．1 加拿大一枝黃花水提液制備

野外采集加拿大一枝黃花的枝條，去掉花序后，剪成8mm的小段，按照1g枝條∶4mL純凈水，置于燒杯中提取。整個提取過程室溫下進(jìn)行，提取時間48h。

1．2 玉米幼苗培養(yǎng)和提取液添加處理

所用玉米品種是美玉（加甜糯）8號，在9mm培養(yǎng)皿中萌發(fā)。萌發(fā)14d后，選取長勢基本一致的玉米幼苗（含1片子葉和2片展開的真葉），移栽到容積為180mL塑料杯中，每個塑料杯定植1棵，生長基質(zhì)為150～180 μm粒徑的石英砂。培養(yǎng)7d后，開始進(jìn)行添加加拿大一枝黃花水提液的處理。

實(shí)驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共設(shè)置12個水提液濃度處理，分別是0．00，0．02，0．04，0．06，0．09，0．11，0．13，0．15，0．18，0．20，0．22和0．25g／mL，每個濃度處理重復(fù)6次。培養(yǎng)期間每隔3d更換1次營養(yǎng)液和水提液，營養(yǎng)液按照1倍濃度的Hoagland營養(yǎng)液配方進(jìn)行配制［20］，種子萌發(fā)、幼苗培養(yǎng)和水提液處理均在智能光照培養(yǎng)箱中進(jìn)行，日照／黑夜時間分別是12h／12h，白天溫度24℃，黑夜溫度18℃。培養(yǎng)期間，玉米幼苗生長良好。

1．3 光合作用測定和光合響應(yīng)曲線模擬

觀察和初步測量發(fā)現(xiàn)，0．02g／mL濃度處理對玉米幼苗生長的促進(jìn)效應(yīng)最大，而0．20g／mL濃度處理對玉米幼苗生長的抑制效應(yīng)最大，因此，這2種濃度可以分別作為促進(jìn)生長和抑制生長的濃度處理的代表，與水提液濃度為0．00g／mL的對照處理作比較，研究其光合特性的變化。在開始處理后的第1～3天后，用LI－6400便攜式光合儀測定0．00，0．02和0．20g／mL三種濃度處理下的玉米幼苗光合光響應(yīng)曲線。使用紅藍(lán)光源和開路系統(tǒng)測定葉片的凈光合速率，空氣流速為0．5L／min。測定從2000μmol／（m2·s）開始，依次降為1800，1500，1000，500，300，100，50，0，每個濃度處理每天測定3株，每株測定倒數(shù)第1片完全展開葉。測定之前每株玉米苗在2000μmol／（m2·s）光強(qiáng)下活化15min。參照Lewis等［21］的方法，采用下列模型進(jìn)行光合作用的光響應(yīng)曲線的模擬：

光合響應(yīng)曲線用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件中的Nonlinear模型擬合。其中Pn是每個測量光強(qiáng)下的凈光合速率；Pnmax是最大凈光合速率；PPFD是光合有效輻射強(qiáng)度；K是光飽和常數(shù)，其值為光合速率為1／2Pnmax時所對應(yīng)的光合有效輻射強(qiáng)度；表觀量子效率（apparent quantum efficiency，AQY）是光響應(yīng)曲線起始斜率（光強(qiáng)為0～300μmol／m2·s）；Rd是暗呼吸速率。

1．4 玉米幼苗生長和生物量分配測定

處理結(jié)束后，收獲所有玉米幼苗，用水洗凈根部。用直尺測量植株的高度，用Microtek掃描儀分別掃描每棵植株的葉子和根部，用根系分析軟件WinRHIZO Pro分析總?cè)~長、總?cè)~面積和總根長。測定完畢后，分別稱量每個植株的總鮮重以及根、莖和葉各自的鮮重。水提液對玉米幼苗生長的促進(jìn)或者抑制效應(yīng)的計(jì)算方法是：［（某濃度下的玉米生長指標(biāo)平均值－對照處理玉米生長指標(biāo)的平均值）／對照處理玉米生長指標(biāo)的平均值］×100%。如果該值為正值，表明該濃度處理對玉米生長起到了促進(jìn)作用，反之則為抑制作用。參照Hunt和Cornelissen［22］的方法計(jì)算LMR，SLA和LAR：

LMR＝單株總?cè)~生物量／單株總生物量

SLA＝單株總?cè)~面積／單株總?cè)~生物量

LAR＝單株總?cè)~面積／單株總生物量

1．5 數(shù)據(jù)分析

取每個處理6個重復(fù)植株測量值的平均值代表該處理的結(jié)果，以水提液濃度作為自變量，玉米幼苗生長和光合特性的各個指標(biāo)作為變量，進(jìn)行單因素方差分析和多重比較，以分析水提液濃度對玉米幼苗生長和光合作用各個指標(biāo)的影響。同時用玉米全株生物量作為自變量，LMR，SLA和LAR分別作為因變量，分別對玉米全株生物量及LMR，SLA和LAR進(jìn)行回歸分析，檢驗(yàn)回歸分析的顯著性。所有的統(tǒng)計(jì)分析均在SPSS中進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

結(jié)果表明，加拿大一枝黃花水提液對玉米幼苗的生長和生物量都有影響（圖1和圖2），其中對玉米幼苗的株高（P＜0．001）、總?cè)~長（P＝0．01）、總?cè)~面積（P＜0．05）和總根長（P＜0．001）的影響達(dá)到了顯著水平，而對玉米各器官生物量和總生物量沒有達(dá)到顯著水平（P＞0．05）。不同水提液濃度對玉米幼苗的生長影響不同?？傮w而言，水提液濃度在0．02～0．11g／mL范圍內(nèi)都對玉米各生長指標(biāo)起到了促進(jìn)作用，即相應(yīng)的生長指標(biāo)要高于不添加水提液的對照處理；而水提液濃度在0．13～0．25g／mL范圍內(nèi)都對玉米各生長指標(biāo)起到了抑制作用，即相應(yīng)的生長指標(biāo)值都要低于對照（圖1和圖2）。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，水提液對玉米幼苗的總根長和根生物量的促進(jìn)或者抑制作用最大，最高分別達(dá)到了29．4%，20．5%和49．5%，18．2%，其次是總?cè)~面積，最高達(dá)到了20．8%和30．8%。水提液處理對LAR和SLA有顯著影響（P＜0．05），并且LAR和SLA隨著水提液濃度變化同樣表現(xiàn)出“低促高抑”效應(yīng)（圖3），而LMR隨著濃度變化則沒有明顯的變化規(guī)律（P＞0．05，圖3）?；貧w分析表明，處理結(jié)束時玉米幼苗總生物量同LAR和SLA之間存在著顯著的相關(guān)關(guān)系（P＜0．001，圖4），而和LMR相關(guān)關(guān)系不顯著（P＞0．05，圖4）。

圖1 不同濃度加拿大一枝黃花水提液處理后玉米幼苗的株高、總?cè)~長、總?cè)~面積和總根長Fig．1 Plant height，total leaf length，total leaf area and total root length of the maize seedlings treated with different concentration of water extract from S． canadensis

圖2 不同濃度加拿大一枝黃花水提液處理下玉米幼苗莖、葉、根和全株鮮重生物量Fig．2 Biomass（fresh weight）of stem，leaf，root，and whole plant of the maize seedling treated with different concentration of water extract from S． canadensis

圖3 不同加拿大一枝黃花水提液濃度處理下玉米幼苗的葉生物量分配、比葉面積和葉面積率Fig．3 SLA，LMR and LAR of the maize seedling treated with different concentration S． canadensis water extract

圖4 比葉面積（SLA）、葉生物量分配（LMR）和葉面積率（LAR）與玉米幼苗生物量的回歸分析Fig．4 Regression of LMR，SLA and LAR against the biomass of the maize seedlings treated with different concentrations of water extract from S． canadensis

圖5 不同濃度水提液處理后1～3d玉米幼苗的光合特性Fig．5 Photosynthesis characteristic of the maize seedling treated with three water extract concentration from S． canadensis

對0．00，0．02，0．20g／mL三種濃度處理的玉米幼苗的光合－光響應(yīng)曲線進(jìn)行分析，不同水提液濃度對Pnmax和AQY沒有顯著影響（P＞0．05），而對Rd有顯著影響（P＜0．05）。Pnmax和AQY在開始處理的1～3d內(nèi)先上升后下降，但各處理之間沒有顯著差異（P＞0．05，圖5）；Rd則呈下降趨勢，0．02g／mL濃度處理的玉米幼苗的Rd高于0．20g／mL濃度處理和對照處理，但沒有顯著差異（圖5）。

3 討論

本研究結(jié)果表明，加拿大一枝黃花水提液對玉米幼苗生長表現(xiàn)出了“低促高抑”作用，即在較低的濃度范圍內(nèi)會促進(jìn)其生長，而在較高的濃度范圍內(nèi)會抑制其生長；這種濃度效應(yīng)和玉米幼苗對葉生長的資源分配有關(guān)，而與植物單位葉面積的光合能力無關(guān)。低濃度處理的玉米幼苗LAR和SLA較高，這表明有更多的資源分配給葉，增加了植株總的光合面積與總生物量的比例，促進(jìn)了植株總體同化效率的提高［23］。提高植物單位葉面積的光合能力也能促進(jìn)植物的生長，但本實(shí)驗(yàn)中不同濃度處理之間的Pnmax和AQY沒有顯著差異，說明不同處理玉米葉片對不同強(qiáng)度的光合有效輻射的利用能力接近。植物的單位葉面積光合能力主要和葉片氮含量和Rubsico酶（1，5－二磷酸核酮糖羧化酶／加氧酶）的活性有關(guān)［24］，而較高的氮含量和Rubsico酶需要消耗更多能量，不利于植物生長。低濃度處理的玉米幼苗并沒有減少其呼吸消耗，反而比對照植株和高濃度處理植株具有更高的Rd，這和低濃度草甘膦增加大麥暗呼吸速率的結(jié)果一致［17］，可能與低濃度處理下其更強(qiáng)的生長活性有關(guān)。但是與本研究結(jié)果不同，一些研究表明化感物質(zhì)能顯著影響植物的光合能力［25］，說明不同化感物質(zhì)作用方式不盡相同。

化感物質(zhì)對植物生長的促進(jìn)可能和細(xì)胞，特別是和葉肉組織細(xì)胞的伸展性改變有關(guān)。Niemann等［26］發(fā)現(xiàn)生長速率較快的單子葉物種半纖維素、纖維素和木質(zhì)素等細(xì)胞壁物質(zhì)較少，因而細(xì)胞壁更容易擴(kuò)展。草甘膦對植物生長也具有“低促高抑”效應(yīng)，可能是因?yàn)樵诘蜐舛认虏莞熟⒛芤种泼Р菟嵬緩?，并進(jìn)一步抑制木質(zhì)素的合成，從而使植物細(xì)胞壁具有更大的伸展性［15］。也有研究認(rèn)為活性氧分子是實(shí)現(xiàn)植物細(xì)胞伸展的必要因子［12］，而低濃度的化感物質(zhì)可能激發(fā)了適量活性氧分子的產(chǎn)生［11］，因而促進(jìn)了植物細(xì)胞的伸展。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明在低濃度水提液處理?xiàng)l件下，玉米幼苗葉片SLA較大，葉片較薄，可能是木質(zhì)素等細(xì)胞壁物質(zhì)含量減少，因而生長速率提高。

加拿大一枝黃花水提液的“低促高抑”效應(yīng)的生態(tài)學(xué)意義目前還并不清楚。有研究者認(rèn)為在低水平有毒物質(zhì)作用下，植物體不可能所有性狀都會表現(xiàn)出促進(jìn)效應(yīng)，因此，植物體總的適合性不大可能會得到提高［27］，但是“低促高抑”效應(yīng)至少在植物生活史的某一階段的某一適應(yīng)性方面具有重要的生態(tài)學(xué)意義?；凶饔檬侵参锓N間相互作用的重要途徑［3］，土壤中化感物質(zhì)的濃度可能是受體植物感知施加者脅迫能力的一種信號［28］。低濃度的化感物質(zhì)可能意味著化感作用施加者脅迫能力較弱，受體植物對此作出適應(yīng)性的反應(yīng)：通過增加對光合葉面積的相對投入提高生長速率，并增強(qiáng)競爭能力；高濃度的化感物質(zhì)可能表明化感作用施加者脅迫能力較強(qiáng)，因此受體植物會減緩生長速率，降低生長消耗，提高其存活率。植物競爭的重要資源之一是光照，而光競爭的表現(xiàn)形式之一是相鄰植株之間互相遮陰［29］。與低濃度的化感物質(zhì)作用相似，遮陰也能增加對地上部分光合器官的投入，增加比葉面積，從而保持一定的光合效率［30］。植物對化感物質(zhì)的響應(yīng)是否與對鄰株遮陰的響應(yīng)具有相似的機(jī)理還需要進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

加拿大一枝黃花不同濃度水提液對玉米幼苗生長的影響和對葉的資源分配有緊密關(guān)系，而與單位葉面積光合能力無關(guān)。低濃度水提液提高玉米幼苗葉的SLA和植株的LAR，在保持單位葉面積光合能力不變的條件下促進(jìn)了植株的生長，而高濃度水提液對玉米幼苗SLA和LAR的影響相反，從而抑制了植株的生物量積累。綜合本研究和其他研究的結(jié)果來看，化感物質(zhì)對受體植物生長的“低促高抑”效應(yīng)具有普遍性，因此可能在種間相互作用過程中具有一定的生態(tài)學(xué)意義。

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