細辛根系浸提液和腐解液對小麥和黃瓜的化感效應

張秋菊，朱詩禹，張連學

(1.通化師范學院生命科學學院，吉林 通化 134002；2.吉林農(nóng)業(yè)大學中藥材學院，吉林 長春 130118)

細辛根系浸提液和腐解液對小麥和黃瓜的化感效應

張秋菊1，朱詩禹1，張連學2*

(1.通化師范學院生命科學學院，吉林 通化 134002；2.吉林農(nóng)業(yè)大學中藥材學院，吉林 長春 130118)

采用室內(nèi)生物測定法及基質(zhì)盆栽試驗，研究不同質(zhì)量濃度的細辛根系浸提液(Asarum heterotroidees root extracts，ARE)和根系腐解液(Asarum heterotroidees root decomposition，ARD)以及滅菌根系腐解液(sterilized ARD, SARD)對小麥和黃瓜種子萌發(fā)及幼苗生長的影響，并測定其根系活力、葉片中蛋白質(zhì)和葉綠素的含量等生理指標，探索細辛對2種受體作物的化感效應。結(jié)果表明：①25 mg/mL(低濃度)細辛根系浸提液對2種受體植物的種子萌發(fā)均無明顯影響，100 mg/mL(高濃度)處理對受體的種子萌發(fā)和幼苗生長均有明顯抑制作用；不同質(zhì)量濃度的細辛根系浸提液均降低了黃瓜和小麥的根系活力、蛋白質(zhì)及葉綠素含量，且隨著質(zhì)量濃度的增大，其抑制作用增強。②細辛根系腐解液處理對受體植物種子萌發(fā)、幼苗生長及生理活動的抑制程度均顯著高于同質(zhì)量濃度的根系浸提液處理(P<0.05)，高、中(50 mg/mL)低濃度根系腐解液處理后黃瓜的根系活力分別比對照降低了25.5%，43.8%和62.8%。③同質(zhì)量濃度的滅菌根系腐解液處理對二者生長的影響明顯低于未滅菌腐解液處理，3種處理液的化感抑制效應表現(xiàn)為根系腐解液處理組最強，根系浸提液處理組最弱。細辛可以通過殘根腐解的形式向土壤中釋放某些化感物質(zhì)來干擾小麥和黃瓜早期的生長及生理過程，微生物可能影響細辛根系腐解物的化感活性。

細辛；須根；浸提物；腐解物；化感物質(zhì)；小麥；黃瓜

在農(nóng)林生態(tài)系統(tǒng)中，植物釋放化感物質(zhì)的途徑通常具有多樣性。有的作物活體不產(chǎn)生化感物質(zhì)，死后的殘體在土壤微生物或環(huán)境因素作用下發(fā)生降解，釋放出化感物質(zhì)，嚴重干擾作物的連作及輪作。小麥、大豆、玉米、草莓及煙草等植物根系分泌物或殘茬都能分解產(chǎn)生一些酚酸類的物質(zhì)，干擾自身或后茬植物的生長[1–5]。大多數(shù)藥用植物都具有多年生、宿根性的特點，由于其生長周期較長，土壤中化感物質(zhì)積累較多，所以其化感作用比農(nóng)作物的更為強烈[6]。近年來，關(guān)于藥用植物化感作用的研究已經(jīng)成為人們關(guān)注的熱點問題。藥用植物狼毒的根和莖葉在土壤中腐解后對苜蓿幼苗根和莖葉的干質(zhì)量、植株高度、葉面積、葉綠素相對含量均有抑制作用[7]；黃連殘體腐解液對黃連種子發(fā)芽、幼苗生長及發(fā)育有影響，且隨其濃度的增加影響越大[8]；人參根系腐解液對小白菜、油菜和蘿卜的種子萌發(fā)均表現(xiàn)為低促高抑作用[9]。細辛(Asarum heterotroidees Fr. var. mandshuricum (Maxim.) kitag)是馬兜鈴科細辛屬多年生草本植物，主要以須根入藥。細辛在東北地區(qū)廣泛栽培，是國內(nèi)外需求量較大的常用中藥材，也具有開發(fā)為農(nóng)業(yè)殺蟲劑和抑菌劑的潛在價值。關(guān)于細辛化學生態(tài)學方面的研究多為抑菌作用探索，細辛提取物在很低濃度下對番茄灰霉病菌的菌絲生長和孢子萌發(fā)都具有極強的抑制作用[10]。細辛為須根系，根量較大，每年采收都會有很多須根殘留于土壤中。預試驗中發(fā)現(xiàn)，連作細辛根際土壤提取液對受體植物的種子萌發(fā)具有一定的抑制作用，但對幼苗生長沒有明顯影響。筆者探討細辛根系浸提液(Asarum heterotroidees root extracts，ARE)和根系腐解液(Asarum heterotroidees root decomposition, ARD)以及滅菌根系腐解液(sterilized ARD, SARD)對黃瓜和小麥早期生長的影響，旨在深入了解細辛化感作用的機理，為細辛的合理輪作提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試細辛根系為四年生，采收于吉林省集安市大路鎮(zhèn)。另外，收集抖落的根際土，備用。小麥(Triticum aestivum Linn)及黃瓜(Cucumis sativus Linn)種子購自通化市種子公司。

1.2 ARE和ARD的制備

將細辛根系洗凈，在試驗室中陰干至恒重后剪成約1 cm的小段。根際土陰干后過0.3 mm孔徑篩。稱取100 g細辛根系樣品，加入10倍體積的去離子水攪拌，在25 ℃下分別密閉浸泡48 h，過濾后定容至1 L，得質(zhì)量濃度100 mg/mL的ARE母液，將其置于4 ℃冰箱中冷藏，備用。將100 g細辛根系樣品與200 g土樣混合，加入去離子水攪拌，并定容到1 L，用5層紗布密封容器口，充分振蕩后分別于(18±25) ℃條件下腐解15 d，每隔3 d補充水分，過濾腐解液并定容，得ARD母液。試驗時分別將ARE和ARD母液稀釋成25 、50、100 mg/mL共3種質(zhì)量濃度(下分別稱其為低、中、高濃度)。將ARD母液煮沸滅菌后稀釋成相同梯度濃度備用。滅菌ARD用SARD表示。

1.3 種子萌發(fā)試驗

選取飽滿的小麥種子和黃瓜種子，洗凈消毒，在25 ℃去離子水中分別浸種6 、12 h。取直徑10 cm的培養(yǎng)皿，底鋪濕潤的雙層慮紙，每皿均勻擺放20粒浸泡后的供試種子，每天用注射器分別滴加2 mL不同濃度的ARE、ARD和SARD溶液，置于25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中避光發(fā)芽。以加入等量去離子水處理為對照。 3 d后每隔24 h統(tǒng)計1次發(fā)芽率，并計算最終發(fā)芽率(GR)和化感指數(shù)(RI)。

1.4 幼苗培養(yǎng)試驗

將浸泡處理的種子分別播于裝有高溫消毒珍珠巖的12 cm×12 cm×16 cm栽培盒中，加蓋保濕，于25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中避光培養(yǎng)，待萌發(fā)后揭蓋，進行12 h光暗培養(yǎng)。每隔3 d分別澆以等量3種處理液，以去離子水保濕處理作為對照，10～15 d后測定受體植物的苗高及根長，同時取樣測定相關(guān)生理指標。每濃度處理10株幼苗，重復3次。

1.5 生理指標的測定

分別取處理過的幼苗根尖1~2 cm，采用紅四氮唑(TTC)還原法測定根系活力；考馬斯亮藍 G–250染色法測定葉片可溶性蛋白含量；以體積比 45∶45∶10的乙醇、丙酮、蒸餾水為提取液，4 ℃避光提取葉綠素48 h，在波長665 nm和649 nm下分別測定光密度，參照文獻[11]計算葉綠素含量。每指標重復測定3次，結(jié)果取其平均值。

1.6 數(shù)據(jù)處理

化感作用效應敏感指數(shù) RI 參照文獻[12]中的公式RI=1－C/T(T≥C)或RI=T/C－1(T0為促進作用，RI<0為抑制作用。RI的絕對值大小代表化感作用強度。采用Excel 2007和SPSS 19.0統(tǒng)計軟件進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 ARE和ARD對種子萌發(fā)的影響

與對照組相比，中、低濃度的ARE處理對小麥和黃瓜種子的萌發(fā)均無明顯影響，而高濃度的ARE顯著抑制了2種受體植物的發(fā)芽，中、低濃度處理的化感抑制指數(shù)相近。ARD對小麥種子發(fā)芽率的抑制作用隨著ARD濃度的升高而加強，中、高濃度處理的發(fā)芽率分別比對照降低了11.6%和26.3%，對黃瓜種子發(fā)芽率的影響表現(xiàn)為低濃度促進、高濃度抑制，高濃度處理的發(fā)芽率比對照降低了 34.7%。SARD對小麥和黃瓜種子發(fā)芽率的作用效果與ARD的作用效果相近，但相同濃度SARD處理的抑制強度明顯低于ARD處理。SARD對小麥種子發(fā)芽率的抑制作用隨處理濃度的增大而增加，中、高濃度處理小麥種子的發(fā)芽率顯著低于對照組，高濃度處理的黃瓜種子的發(fā)芽率率顯著低于對照組(P<0.05)。高濃度處理組小麥和黃瓜的發(fā)芽試驗中，3種處理液的抑制作用基本相同，均表現(xiàn)為根系腐解液處理組的最強，根系浸提液處理組的最弱(表1)。

表1 各處理組小麥和黃瓜的種子萌發(fā)情況Table 1 Germination rate of wheat and cucumber treated with three solutions

2.2 ARE和ARD對受體植物根系和幼苗生長的影響

由表2可見，中、低濃度ARE處理對幼苗的生長無明顯影響，高濃度ARE處理小麥幼苗的生長受到抑制，苗高比對照降低了 25.9%；ARE對小麥根長的抑制作用隨著濃度的升高而加強，中、高濃度處理組分別比對照降低了14.1%和42.3%。中、低濃度ARE處理對黃瓜幼苗和幼根的生長均無明顯影響，高濃度ARE處理對黃瓜根伸長的抑制作用顯著。高濃度ARD處理對小麥和黃瓜幼苗和根的生長均有抑制作用，且對二者的抑制強度均高于同濃度ARE處理；高濃度ARD處理小麥的苗高和根長分別比對照降低了53.5%和58%，黃瓜的苗高和根長分別比對照降低了25.8%和41.6%。SARD處理對小麥根長無明顯影響，中、高濃度處理對黃瓜苗的生長有抑制作用。3種處理液的高濃度處理對小麥和黃瓜幼苗生長的抑制強度均以ARD的最大。

表2 各處理小麥和黃瓜幼苗的生長情況Table 2 Seedling growth of wheat and cucumber treated with three solutions cm

2.3 ARE和ARD對葉片可溶性蛋白質(zhì)合成的影響

由圖1、圖2可知，不同濃度的ARE、ARD和SARD對黃瓜和小麥幼葉中的可溶性蛋白質(zhì)的合成均有一定的抑制作用，且隨著處理質(zhì)量濃度的增加，抑制作用逐漸增強。25、50、100 mg/mL ARD處理小麥幼葉中可溶性蛋白質(zhì)含量分別比照降低了18.3%、26.4%和 27.4%，黃瓜葉片中可溶性蛋白質(zhì)含量分別比照降低了17.6%、24.4%和29.1%。高濃度SARD處理小麥和黃瓜葉片中可溶性蛋白質(zhì)含量分別比對照降低了16.1%和99.9%，均低于同濃度的ARE和ARD處理。由此可以判斷，ARD對小麥和黃瓜幼苗葉片中可溶性蛋白質(zhì)合成的化感效應大于ARE和SARD處理組的化感效應。

圖1 各處理小麥幼苗的蛋白質(zhì)含量Fig.1 Protein contents of wheat seedling treated with various concentration of ARE and ARD

圖2 各處理黃瓜幼苗的蛋白質(zhì)含量Fig.2 Protein content of cucumber seedling treated with various concentration of ARE and ARD

2.4 ARE和ARD對幼苗葉綠素合成的影響

由圖3、圖4可見，隨著ARE質(zhì)量濃度的增加，抑制物的活性增強，而黃瓜和小麥幼苗葉片的葉綠素含量逐漸下降，高濃度 ARE處理對黃瓜葉片葉綠素合成的抑制作用大于對小麥幼苗葉片葉綠素合成的抑制作用。100 mg/mL ARE、ARD和SARD處理小麥幼苗的葉綠素含量分別比對照降低了16%、33%和 21.4%，而黃瓜幼苗的葉綠素含量分別比對照降低了18.4%、29.4%和20.7%，其中100 mg/mL ARD處理對小麥幼苗葉綠素合成的抑制作用最強?？傮w而言，土壤中殘留的細辛根系腐解后對受體植物葉綠素合成的化感抑制效應更強，而滅菌后腐解液的化感活性有所下降。

圖3 各處理小麥幼苗的葉綠素含量Fig.3 Chlorophyll co ntent of wheat s eedling t reated with various concentration of ARE and ARD

圖4 各處理黃瓜幼苗的葉綠素含量Fig.4 Chlorophyll content of cucumber seedling treated with various concentration of ARE and ARD

2.5 ARE和ARD對幼苗根系活力TTC還原量的影響

由圖5、圖6可知，不同質(zhì)量濃度ARE對黃瓜和小麥根系活力均有抑制作用，但相同質(zhì)量濃度處理對黃瓜根系活力的抑制作用遠大于對小麥的抑制作用，說明不同種類植物的根系活力對 ARE的敏感度不同。不同濃度ARE、ARD和SARD處理小麥和黃瓜幼苗的根系活力變化規(guī)律基本相似；100 mg/mL處理黃瓜的根系活力分別比對照降低了50%、62.8%和 50%，抑制強度分別為同水平處理小麥的2倍以上，100 mg/mL ARD處理黃瓜根系活力的化感抑制效應最強，ARE和SARD的化感抑制效應相近。

圖5 各處理小麥的TTC還原量Fig.5 Activity of wheat treated with various concentration of ARE and ARD

圖6 各處理黃瓜的TTC還原量Fig.6 Root activity of cucumber treated with various concentration of ARE and ARD

3 結(jié)論與討論

植物體內(nèi)的化感物質(zhì)必須通過有效途徑釋放到土壤環(huán)境中，影響周圍植物的生長才是真正意義上的化感物質(zhì)。有些植物釋放化感物質(zhì)的途徑是單一的，如勝紅薊主要通過地上部分揮發(fā)來釋放化感物質(zhì)[13]；新根或未木質(zhì)化的根產(chǎn)生化感物質(zhì)的主要方式是通過根系分泌[14]；蕨類植物常通過殘株分解或降解產(chǎn)生各類化感物質(zhì)[15]；相當一部分植物，如黃花蒿可以通過多種途徑共同作用來釋放化感物質(zhì)[16]。本試驗結(jié)果表明：較低濃度細辛須根提取液對黃瓜和小麥的種子萌發(fā)和幼苗生長均無明顯影響，而高濃度處理對受體種子萌發(fā)、根系活力、葉片可溶性蛋白質(zhì)含量和葉綠素合成均有明顯抑制作用；須根腐解后對2種受體植物種子萌發(fā)、幼苗生長及生理活動的抑制程度均顯著高于相同質(zhì)量濃度的須根浸提液處理，表明細辛地下部分可以通過根系分泌和殘根腐解的形式向土壤中釋放化感物質(zhì)，而須根腐解后的化感活性遠大于根系浸提液。

根系殘留于土壤中發(fā)生分解受到微生物、土壤肥力、pH及土壤酶等多種因子的影響，化感物質(zhì)是直接由植物根系分解而來，還是經(jīng)微生物或土壤的作用間接而來是一個很復雜的問題。以往也有采用馬糞與根茬或秸稈混合腐解來接種微生物的相關(guān)報道[17–18]。本試驗采用了細辛根系與其根際土壤

混合進行腐解的方法，模擬了自然環(huán)境下的腐解過程，考慮到微生物的影響，將腐解液滅菌后進行生物測試，發(fā)現(xiàn)排除微生物的影響后，腐解液的化感效應明顯降低，說明腐解過程中微生物或微生物產(chǎn)生的毒性物質(zhì)可能加重了殘根腐解物的抑制作用。細辛須根腐解液及其滅菌腐解液的化學成分有待進一步分析鑒定。

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責任編輯：王賽群

英文編輯：王 庫

Allelopathic effects of water extracts and decomposition products from Asarum heterotroidees roots on wheat and cucumber

ZHANG Qiu-ju1, ZHU Shi-yu1, ZHANG Lian-xue2*
(1. College of Life Science, Tonghua Normal University, Tonghua, Jilin 134002, China; 2. College of Chinese Medicinal Plants, Jilin Agricultural University, Changchun, Jilin 130118, China)

Effects of various contents of Asarum heterotroidees root extracts (ARE) and Asarum heterotroidees root decomposition (ARD) and sterilized ARD (SARD) on seed germination and seedling growth of wheat and cucumber were conducted using approach of biological assays and pot experiments. Allelopathic effects of ARE and ARD on the two receptor plants were also carried out by adopted roots activities, germination rate, seedling growth, content of protein & chlorophyll and other related physiological indexes as indicators. The result showed that there were no significant effects of ARE on seed germinations of wheat and cucumber at lower concentrations (25 mg/mL), significant effects, while, were occurred at higher concentration (100 mg/mL). Root activities, content of protein & chlorophyll declined with the concentration of ARE increase. The inhibition effects of ARD on seed germination, seedling growth and some physiological activities of the two plants were significantly higher than those treated by ARE (P<0.05). The activity of cucumber roots with respective high, moderate (50 mg/mL) and low concentrations treatments were declined by 25.5%, 43.8% and 62.8% compared to that in ARD, respectively. The inhibition effects could be ranked by ARD, SARD, ARE in order with three treatments. In general, some allelochemicals decomposed from A. heterotroidees roots might be releasedinto soil, which would interfere in the early growth and physiological metabolism of wheat and cucumber. However, microbes might affect the allelopathic activity of decomposed products from A.heterotroidees roots.

A. heterotroidees; fibrous roots; water extract; decomposed products; allelochemicals; wheat; cucumber

Q948.12；Q949.742.3

A

1007?1032(2014)03?0267?06

10.13331/j.cnki.jhau.2014.03.009

投稿網(wǎng)址：http://www.hunau.net/qks

2014–04–30

國家“十二·五”科技支撐計劃項目(2010BAI03B01)

張秋菊(1968—)，女，吉林通化人，博士，副教授，主要從事植物生理生態(tài)學研究，zhangqiuju5515@163.com；*通信作者，zlx863@163.com