問荊水浸液對小麥種子萌發(fā)及幼苗生長的化感效應(yīng)初探

鄭景瑤，岳中輝*，田宇，劉寶林，郭立波

（1.哈爾濱師范大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150025；2.中儲糧北方農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司，黑龍江 嫩江161400）

小麥（Triticum aestivum）是中國主要的糧食作物，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位。目前小麥的減產(chǎn)已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中比較嚴(yán)重的問題，麥田雜草是小麥減產(chǎn)的一個重要原因，因此防治與小麥共生的雜草是小麥增產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。在小麥生長過程中，雜草與小麥為獲取水分、營養(yǎng)、光照等存在競爭關(guān)系［1］，同時它們又會通過向環(huán)境中釋放某些化感物質(zhì)影響對方的生長［2］。植物通過產(chǎn)生化學(xué)物質(zhì)而對其他生物產(chǎn)生影響的能力被稱之為化感作用（allelopathy），Callaway和Aschehoug［3］在2000年就提出過“化學(xué)武器”假說，認(rèn)為化感作用是外來雜草成功入侵的“化學(xué)武器”。近10年來作物與雜草的化感作用逐步成為世界各國科學(xué)家重視的一個新的研究領(lǐng)域，在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中起著重要作用［4］。小麥的根系及幼苗的地上部分能夠分泌異羥肟酸等物質(zhì)，抑制棉苗（Gossypium spp.）及黃瓜（Cucumissativus）的生長［5-6］；小麥殘體植株能夠釋放酚酸類化合物，抑制千金子（Euphorbia lathyris）的生長［7］；小麥的活體植株能夠分泌甲氧基化異羥肟酸（DIMBOA）和去甲氧基類似物（DIBOA），在抗蟲、抑草、抗微生物和抗真菌等方面都起到重要的作用［8］。同時麥田常見雜草也會對小麥產(chǎn)生化感作用，如播娘蒿（Descuminia sophia）能夠抑制小麥的有絲分裂［9］；紫莖澤蘭（Ageratina adenophora）能夠降低小麥的根系活力，抑制小麥的生長［10］；黃花蒿（Artemisia annua）能夠抑制小麥幼苗根長、根毛和苗高的生長［11］；豚草（Ambrosia artemisiifolia）可以抑制小麥的早期生長［12］。為了有效地防除雜草，雜草化感作用的研究已越來越受到植物保護(hù)學(xué)者的重視。

問荊（Equisetum arvense）是小麥生長早期常見的雜草，是蕨類木賊科問荊屬多年生草本植物，目前關(guān)于問荊的研究雖然有很多，但仍主要集中在生長繁殖和環(huán)境條件［13］、外部形態(tài)和內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)［14］、化學(xué)成分及藥理特性［15-16］等方面。研究發(fā)現(xiàn)，問荊體內(nèi)含有酚酸、黃酮和生物堿等物質(zhì)［17］，這些物質(zhì)釋放到環(huán)境中后會影響植物的生長，已有研究證實問荊的水提物可抑制30多種雜草種子的萌發(fā)及植物的株高［18-19］。在小麥生長初期，問荊除了與小麥爭奪水分、光照和養(yǎng)分外，其根莖分泌物是否對小麥種子及幼苗產(chǎn)生影響是需要探討的問題。目前，關(guān)于問荊生長對作物種子萌發(fā)和幼苗生長影響的研究還少見報道，其化感作用機(jī)理仍有待于進(jìn)一步探究。因此，本研究以問荊的地下根莖為對象，采用生物測定法系統(tǒng)地分析問荊根莖浸提液處理后小麥種子萌發(fā)率、幼苗形態(tài)、生理指標(biāo)的變化規(guī)律，意在探究問荊化感作用是否對小麥種子萌發(fā)及幼苗的生長產(chǎn)生影響，為篩選出較好的抗草小麥品系、進(jìn)一步分析問荊的化感效應(yīng)及其作用機(jī)制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗的供體材料問荊根莖采自黑龍江省中儲糧北方公司科技園區(qū)內(nèi)，該區(qū)地理位置為北緯49°55′，東經(jīng)125°25′，采集時間為2012年5月3日；受體材料為該公司提供的5個常用小麥品種，分別為：龍麥26（LM26），該品種耐旱性強(qiáng)，耐濕性好；墾九10（KJ10），該品種為適時早播品種；龍麥33（LM33），該品種抗倒性好；格來尼（GLN），該品種對光照反應(yīng)不敏感，可比其他品種晚播15 d左右；龍輻18（LF18）為大田試驗新種。

1.2 試驗方法

1.2.1 水浸液的制備 將采集到的問荊根莖用蒸餾水沖洗后陰干剪碎，準(zhǔn)確稱取50 g定容到500 m L，25℃浸提24 h，用雙層無菌紗布過濾除去植株殘體制得100 mg／m L濃度的母液，將母液稀釋至5，30，70 mg／m L三個濃度，保存在4℃冰箱中備用，以蒸餾水作為對照。蒸餾水，5，30，70，100 mg／m L處理液分別用 N0、N1、N2、N3和N4表示。

1.2.2 生物測定方法 挑選均勻、飽滿的小麥種子，用1 mg／m L的高錳酸鉀溶液對種子進(jìn)行消毒，蒸餾水反復(fù)沖洗后分別播種于墊有2層濾紙的培養(yǎng)皿（Φ9 cm）中，播種密度為100粒／皿，每培養(yǎng)皿中分別加入不同濃度的問荊水浸液5 m L，對照組加入等量蒸餾水，將培養(yǎng)皿置于25℃、光照12 h恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，每個處理設(shè)3次重復(fù)。以胚根突破種皮為萌發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，每隔24 h記錄1次萌發(fā)種子的數(shù)量，待連續(xù)2 d無萌發(fā)時，統(tǒng)計小麥各品種的萌發(fā)率。

將小麥種子25℃催芽至露白后每個培養(yǎng)皿中放入20粒，加入各濃度的水浸液5 m L，對照組加等量水，每個處理設(shè)定3次重復(fù)，于室溫條件下進(jìn)行培養(yǎng)。每天更換皿中的水浸液，待種子萌發(fā)15 d長至幼苗后，隨機(jī)取10株幼苗測定其苗高及干重（105℃烘0.5 h后，80℃烘至恒重）。

1.2.3 生理指標(biāo)測定 丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量：取新鮮小麥葉片0.5 g，采用硫代巴比妥酸法進(jìn)行測定；可溶性糖（water-soluble sugar，WSS）含量：取新鮮小麥葉片0.2 g，采用蒽酮比色法進(jìn)行測定；過氧化氫酶（catalase，CAT）活性和過氧化物酶（peroxidase，POD）活性：取新鮮小麥葉片0.2 g進(jìn)行冰浴研磨后，分別采用紫外分光光度法和愈創(chuàng)木酚法進(jìn)行測定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，應(yīng)用SAS 8.1軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行t檢驗，分析各處理與對照間的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 問荊水浸液對小麥種子萌發(fā)的影響

不同濃度問荊水浸液對小麥種子萌發(fā)率的影響如圖1所示，5和30 mg／m L濃度處理后小麥種子的萌發(fā)率與對照相比差異都不顯著。當(dāng)濃度達(dá)到70 mg／m L時各品種種子萌發(fā)率都降低，但LM26與對照相比差異不顯著，而其他4個品種都顯著降低（P＜0.05），以GLN的降低率最大達(dá)12%，而LF18的降低率最小為7%；當(dāng)濃度達(dá)到100 mg／m L時，種子萌發(fā)率與70 mg／m L處理相比種子萌發(fā)率沒有顯著降低（LM26除外），而與對照相比都顯著降低（P＜0.05），以LM26的降低率最高達(dá)14%，而KJ10和LM33的降低率最小，為10%。這一結(jié)果說明低濃度問荊水浸液對小麥種子萌發(fā)沒有影響，而高濃度問荊水浸液對種子萌發(fā)具有抑制作用。

2.2 問荊水浸液對小麥幼苗生長的影響

不同濃度問荊水浸液對不同品種小麥苗高的影響不同（表1），5，30，70 mg／m L處理后各品種苗高（plant height，PH）與對照相比均表現(xiàn)出升高的趨勢，只有LM33在5 mg／m L、GLN在30 mg／m L濃度處理時苗高低于對照，說明低濃度問荊水浸液處理對小麥苗高具有促進(jìn)作用。當(dāng)濃度達(dá)到100 mg／m L時問荊水浸液對不同品種小麥苗高的影響差別較大，只有LM26、LF18的苗高與對照相比降低，而其他3個品種苗高仍高于對照，說明100 mg／m L濃度處理只對LM26、LF18的苗高有抑制作用而對其他3個品種的苗高仍表現(xiàn)為促進(jìn)作用。

不同濃度問荊水浸液對小麥幼苗干物質(zhì)量（dry matter weight，DMW）都有影響（表1），處理后均小于對照組，說明問荊水浸液對小麥幼苗干物質(zhì)量的積累具有抑制作用。

圖1 問荊水浸液處理后小麥種子的萌發(fā)率變化Fig.1 Variation of germination rate of wheat seeds with leaching solution of E.arvense treatments不同小寫字母表示同一品種不同處理間差異顯著（P＜0.05），下同。Different lowercase letters indicate the significant difference of the same variety between the various concentration（P＜0.05），the same below.

表1 問荊水浸液處理后小麥的苗高、干物質(zhì)量Table 1 Variation of plant height and dry matter weight of wheat seedling with leaching solution of E.arvense treatments

2.3 問荊水浸液對小麥幼苗生理指標(biāo)的影響

2.3.1 問荊水浸液對小麥幼苗WSS含量的影響 不同濃度問荊水浸液處理后小麥幼苗WSS含量如圖2所示，不同濃度問荊水浸液處理后，各品種小麥幼苗WSS含量都呈降低趨勢。不同濃度處理后LM26、KJ10、LM33、GLN與對照相比WSS含量都顯著降低（P＜0.05），當(dāng)濃度達(dá)到100 mg／m L時，LM33和GLN的降低率較高，分別達(dá)到61%和51%，而LM26、KJ10在該濃度時與70 mg／m L濃度相比差異不顯著。不同濃度問荊水浸液處理后LF18的WSS含量與對照相比都沒有顯著差異。這一結(jié)果表明問荊水浸液對小麥幼苗WSS的合成具有抑制作用，在不同品種間表現(xiàn)出明顯差異。

2.3.2 問荊水浸液對小麥幼苗MDA含量的影響 不同濃度問荊水浸液對小麥幼苗MDA含量的影響不同（圖3）。各品種小麥幼苗MDA含量在各濃度問荊水浸液處理后與對照相比都有增加的趨勢，但LM26、KJ10、LM33各處理的MDA含量與對照間差異不顯著，GLN在70 mg／m L處理后與對照相比差異顯著增加（P＜0.05），LF18在100 mg／m L處理后與對照相比顯著增加（P＜0.05），而其他濃度處理與對照差異都不顯著。這一結(jié)果說明問荊水浸液可能在一定程度上促進(jìn)小麥幼苗MDA的生成。

2.3.3 問荊水浸液對小麥幼苗CAT活性的影響 不同濃度問荊水浸液處理后小麥幼苗CAT活性的變化如圖4所示，不同濃度問荊水浸液處理后，LM26、LF18、GLN幼苗的CAT活性都呈升高的趨勢，GLN在5 mg／m L處理后CAT活性與對照相比有顯著差異（P＜0.05），而LM26、LF18的CAT活性在30 mg／m L處理后與對照相比差異顯著（P＜0.05）。不同濃度問荊水浸液處理后，KJ10的CAT活性隨濃度的升高呈逐漸降低的趨勢，而不同濃度處理后，LM33幼苗的CAT活性與對照相比無顯著差異。這一結(jié)果說明不同品種小麥幼苗CAT活性對問荊化感物質(zhì)的響應(yīng)不同，有較大差異。

2.3.4 問荊水浸液對小麥幼苗POD活性影響 不同濃度問荊水浸液處理后小麥幼苗POD活性的變化如圖5所示，各品種小麥幼苗POD活性在不同濃度問荊水浸液處理后都呈升高的趨勢，LM26、KJ10、LM33幼苗POD活性在100 mg／m L濃度處理后與對照相比顯著升高（P＜0.05），而其他濃度與對照相比差異都不顯著，但LF18、GLN各濃度處理與對照間都沒有達(dá)到顯著水平。這一結(jié)果說明高濃度的問荊水浸液有助于小麥幼苗POD活性的升高，小麥幼苗可能對問荊浸提物質(zhì)產(chǎn)生了一定的抗逆性。

圖2 問荊水浸液處理后小麥幼苗WSS含量的變化Fig.2 Variation of WSS content in wheat seedling with leaching solution of E.arvense treatments

圖4 問荊水浸液處理后小麥幼苗葉片CAT活性的變化Fig.4 Variation of CAT activity in wheat seedling with leaching solution of E.arvense treatments

圖3 問荊水浸液處理后小麥幼苗MDA含量的變化Fig.3 Variation of MDA content in wheat seedling with leaching solution of E.arvense treatments

圖5 問荊水浸液處理后小麥幼苗葉片POD活性的變化Fig.5 Variation of POD activity in wheat seedling with leaching solution of E.arvense treatments

3 結(jié)論與討論

許多植物能通過淋溶、揮發(fā)、殘體分解和根系分泌向環(huán)境中釋放化感物質(zhì)，從而對其他生物產(chǎn)生直接或間接的刺激作用，影響周圍植物的生長發(fā)育［20-21］。本研究表明，問荊根莖水浸液對各品種小麥種子的萌發(fā)率均有一定的抑制作用，說明問荊根莖能夠釋放一定的化感物質(zhì)進(jìn)入土壤，影響小麥種子萌發(fā)，這與劉亮等［19］研究問荊水浸提物對雜草種子萌發(fā)具有抑制作用的結(jié)果一致，同時問荊水浸液對小麥幼苗的影響都表現(xiàn)為苗高增加而干物質(zhì)量減少，說明問荊對各品種小麥的種子萌發(fā)和幼苗生長都具有化感效應(yīng)。有研究發(fā)現(xiàn)受體植物種子的發(fā)芽速率是衡量化感作用更敏感的指標(biāo)，而種子萌發(fā)率的降低會影響植物在群落中的多度，對作物的生長及產(chǎn)量至關(guān)重要［22］。本研究還發(fā)現(xiàn)問荊水浸液對不同小麥品種種子萌發(fā)率的抑制強(qiáng)弱不同，表現(xiàn)為對LM26和GLN的抑制作用較強(qiáng)，而對KJ10、LM33、LF18的抑制作用較弱，可知KJ10、LM33、LF18這3個品種受問荊根莖水浸液化感作用的影響并不大，由此可將這3個品種初步定義為對問荊化感作用并不敏感的優(yōu)良品種。

在KJ10、LM33、LF18三個品種中，LF18的 MDA含量在100 mg／m L問荊水浸液處理后顯著升高，而KJ10、LM33經(jīng)各濃度處理后都無顯著變化。MDA是活性氧啟動膜脂過氧化的主要產(chǎn)物，其含量的增高可引起膜的嚴(yán)重?fù)p傷，而膜結(jié)構(gòu)受到破壞后會影響植物的生長及發(fā)育［23］，說明問荊根莖水浸液的化感作用對LF18的膜系統(tǒng)造成一定的損傷，從而使其幼苗的生長受到抑制，而對KJ10和LM33的膜系統(tǒng)并無損傷。問荊對LF18的幼苗生長具有抑制作用，而對KJ10、LM33的生長無明顯影響。KJ10、LM33兩個品種的POD活性都在100 mg／m L問荊水浸液處理后顯著升高（P＜0.05），POD是植物體內(nèi)重要的保護(hù)酶，其活性的升高可清除活性氧自由基來維持細(xì)胞膜的穩(wěn)定性和完整性［24］，從而提高植物的抗性，說明KJ10、LM33在問荊水浸液處理后通過自身保護(hù)酶活性的提高對問荊的化感作用產(chǎn)生了抗性。5個受試品種中KJ10和LM33在各生理指標(biāo)中都表現(xiàn)出對問荊水浸液較強(qiáng)的適應(yīng)性，這2個品種分別為適時早播、抗倒伏的優(yōu)良品種，因此建議在大田中廣泛種植。

目前已有許多關(guān)于雜草對小麥化感作用的研究［25-26］，但利用化感作用機(jī)制選擇抗性品種的研究還較少。本研究篩選出2個對問荊具有抗性的小麥品種KJ10和LM33，對大田生產(chǎn)及小麥的育種工作有一定的指導(dǎo)意義。問荊根莖對小麥種子萌發(fā)及幼苗生長具有化感作用，但其對小麥的生殖生長及產(chǎn)量是否具有影響、其作用機(jī)理等問題還需進(jìn)一步探討。