蘭州百合根系分泌物對百合幼苗自毒作用的研究

陳君良 ，孫鴻強，樊生豐，李麗，師桂英，屈星，楊宏羽

(甘肅農(nóng)業(yè)大學園藝學院，甘肅 蘭州 730070)

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蘭州百合根系分泌物對百合幼苗自毒作用的研究

陳君良 ，孫鴻強，樊生豐，李麗，師桂英，屈星，楊宏羽

(甘肅農(nóng)業(yè)大學園藝學院，甘肅 蘭州 730070)

【目的】 研究蘭州百合根系分泌物的自毒效應.【方法】 采用水培法收集30 d蘭州百合根系分泌物，通過營養(yǎng)缽栽試驗來研究不同體積分數(shù)蘭州百合根系分泌物對百合幼苗生長、根系形態(tài)、幼苗葉片葉綠素含量、抗氧化酶活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響.【結(jié)果】 隨著根系分泌物體積分數(shù)的升高，百合幼苗生長量逐漸減小，25%、50%的根系分泌物對幼苗生長具有不同程度的促進作用，75%、100%的根系分泌物對幼苗生長表現(xiàn)出不同程度的抑制作用.根系分泌物處理導致百合幼苗葉片超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)活性上升，根系活力、葉綠素、丙二醛(MDA)和脯氨酸(Pro)含量下降.【結(jié)論】 蘭州百合根系分泌物具有明顯的自毒效應，100%根系分泌物的抑制作用最大.

蘭州百合；根系分泌物；幼苗；自毒作用；連作障礙

蘭州百合(LiliumdavidiiDuch.var.unicolorCotton)屬川百合的一個變種，是極具地方特色的名優(yōu)蔬菜，具有很高的食用和藥用價值.近年來，蘭州百合產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，已經(jīng)成為當?shù)氐奶厣a(chǎn)業(yè)和優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)，栽培蘭州百合是甘肅二陰山區(qū)貧困農(nóng)民現(xiàn)金收入的主要來源.蘭州百合為多年生植物，無性繁殖，狹域分布，僅適合于蘭州周邊二陰山區(qū)栽培[1].栽培過程中，母株上收獲的三級小種球長成二級種球需要2～3 a，二級種球長成商品種球需要3～4 a，生產(chǎn)中由于連作障礙引發(fā)的百合產(chǎn)量品質(zhì)下降、品種退化現(xiàn)象十分嚴重[2].連作障礙已成為困擾當?shù)匕俸袭a(chǎn)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的主要問題.

連作障礙形成及加重的原因是復合因素相互作用的結(jié)果[3-4]，包括土壤理化性狀惡化、土壤微生物區(qū)系的變化、根系分泌物和殘茬分解物等引起的自毒作用.越來越多的研究表明，作物連作障礙與根系分泌物中的化感自毒物質(zhì)有密切關系[5-10].自毒作用(autotoxicity)是化感作用的一種特殊形式，是同種作物的一些個體通過向環(huán)境中釋放某些代謝或分解的化學物質(zhì)而對同種其他個體生長產(chǎn)生直接或間接的有害影響.蘭州百合根系發(fā)達，生長具有跳根現(xiàn)象，即每年新根發(fā)生，舊根衰老，殘存土壤中，根系自毒現(xiàn)象明顯.

目前有關百合化感方面的研究已有報道，由于百合無性繁殖，自然狀態(tài)下通常只開花不結(jié)果，其種子收集難度大，因此大多學者采用蘿卜、萵苣等種子發(fā)芽試驗來探究其化感組分的化感效應，而以百合種球為自毒受體材料的研究未見報道.綜上所述，本試驗以蘭州百合種球為材料，通過營養(yǎng)缽栽試驗來研究不同體積分數(shù)百合根系分泌物對百合幼苗的自毒作用，以期揭示蘭州百合根系分泌物在連作機制中的作用，為合理制定蔬菜耕作制度提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗材料

使用蘭州百合二級種球(12～20 g)收集其根系分泌物；用蘭州百合三級種球(4～12 g)做為自毒受體材料.以上種球均購于蘭州百合主產(chǎn)區(qū)甘肅省臨洮縣中鋪鎮(zhèn)蔣家山村，購得的百合種球放于4 ℃冰箱保存.

1.2 試驗設計

1.2.1 蘭州百合根系分泌物的收集 試驗從2015年4月開始，挑選大小均勻一致的蘭州百合二級種球，剪去舊根，用0.1%多菌靈浸泡30 min，自來水沖洗數(shù)次后，播于21孔穴盤中，育苗基質(zhì)選用滅菌的珍珠巖.待百合出苗后，選取長勢一致的百合幼苗將其輕輕拔出，用水沖去附在根表面的珍珠巖，盡量不傷根，洗凈后用塑料泡沫板固定，置于6 L容積的塑料盆中(每盆12株).因百合鱗莖中貯存有豐富的養(yǎng)分，可滿足百合生長發(fā)育所需，因此直接加入蒸餾水培養(yǎng).生長期間每盆始終保持1.5 L蒸餾水，在室溫下連續(xù)通氣培養(yǎng)30 d.按照上述方法，分批次共收集55盆(第一批收集40盆，結(jié)束后進行第二批收集15盆，共收集82.5 L)，以滿足后期幼苗自毒試驗的需求總量.30 d后合并其根系分泌物，雙層紗布過濾后裝入預先準備的大桶中，收集物密封置于4 ℃冰箱中保存，用來做自毒作用檢測.

1.2.2 蘭州百合幼苗自毒試驗 2015年5～8月在甘肅農(nóng)業(yè)大學園藝學院實驗室進行幼苗試驗.挑選大小均勻一致的蘭州百合三級種球300個，消毒后播于10 cm×10 cm(口徑×高)營養(yǎng)缽，每缽1株，總共300盆，栽培基質(zhì)為蛭石∶珍珠巖=3∶1(V∶V).試驗設5個處理，按體積比將百合根系分泌物用清水兌換成根系分泌物體積分數(shù)為25%、50%、75%、100%的液體，分別記為T1、T2、T3、T4，以清水為對照(CK).待百合出苗后，每個處理選取長勢基本一致的幼苗50盆，用以上不同體積分數(shù)百合根系分泌物澆灌.每隔4～5 d澆灌一次，每缽澆50 mL，共澆灌12次.處理50 d后，各處理隨機取15株進行形態(tài)指標測定，取長勢一致的幼苗葉片進行各項生理生化指標測定，重復3次.

1.3 測定項目及方法

用電子游標卡尺測定株高、莖粗，用分析天平稱量根鮮質(zhì)量、莖葉鮮質(zhì)量.

根系形態(tài)及生理測定：用掃描儀(型號Epson7500，分辨率為400 bpi)對根系進行掃描.掃描時將根系放入特制的透明托盤內(nèi)，加入3～5 mL水以避免根系分支的互相纏繞.掃描后保存圖像，采用WinRhizo Pro Vision 5.0a對圖像進行分析獲得總根長、根表面積、平均直徑、根總體積、根尖數(shù)等形態(tài)指標；根系活力測定采用TTC法[11].

抗氧化酶SOD、CAT、POD活性的測定：稱取0.5 g葉片放入研缽中，加5 mL pH 7.8的磷酸緩沖液，冰浴研磨，勻漿倒入離心管中，冷凍離心20 min(10 000 r/min)，取上清液冷藏備用.SOD、CAT活性按照Pinheiro等[12]的方法，POD 活性測定采用愈創(chuàng)木酚法[13].

MDA、脯氨酸、葉綠素的測定：采用硫代巴比妥酸比色法測定MDA含量，酸性茚三酮顯色法測定脯氨酸含量[13]；葉綠素含量采用丙酮浸提法[11].

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用化感效應指數(shù)(RI)對化感作用進行分析[14-15].化感效應指數(shù)計算式為：

當T≥C，RI=1-C/T

當T

式中，RI>0顯示促進作用，RI<0顯示抑制作用，T表示處理值，C表示對照值.絕對值大小表示作用強弱.化感綜合效應(SE)是株高、莖粗、莖葉鮮質(zhì)量、根鮮質(zhì)量化感效應指數(shù)的平均值.

采用Excel 2010進行原始數(shù)據(jù)處理及圖表繪制，SPSS 17.0進行統(tǒng)計分析，用Duncan法進行差異顯著性檢測.

2 結(jié)果與分析

2.1 根系分泌物對蘭州百合幼苗生長的影響

25%、50%的蘭州百合根系分泌物處理促進了百合幼苗株高、莖粗、莖葉鮮質(zhì)量、根鮮質(zhì)量的生長，而75%、100%處理則表現(xiàn)出不同程度的抑制作用(表1).與對照相比，25%百合根系分泌物處理除莖粗未達到顯著水平外，株高、莖葉鮮質(zhì)量、根鮮質(zhì)量均達到顯著水平.隨著根系分泌物體積分數(shù)的升高，促進作用開始降低，當根系分泌物體積分數(shù)為75%時，百合幼苗生長表現(xiàn)出不同程度的抑制作用，其中莖葉鮮質(zhì)量、根鮮質(zhì)量與對照達到顯著差異；體積分數(shù)為100%時，抑制作用進一步加大，除莖粗外，其他指標達到顯著差異.

化感效應指數(shù)表明，25%百合根系分泌物處理對幼苗的促進作用最大，對株高、莖粗、莖葉鮮質(zhì)量、根鮮質(zhì)量的促進作用分別為11.3%、3.7%、31.7%、39.3%，且促進作用與對照相比均達到顯著差異.100%百合根系分泌物處理對幼苗的抑制作用最大，對株高、莖粗、莖葉鮮質(zhì)量、根鮮質(zhì)量的抑制作用分別為13%、6.7%、60.7%、59%，抑制作用達到顯著水平.

2.2 根系分泌物對蘭州百合幼苗根系生長的影響

表2表明，隨著根系分泌物體積分數(shù)的升高，幼苗總根長、總根系表面積、平均直徑、總根系體積、根尖數(shù)、根系活力表現(xiàn)出不同程度的下降.與對照相比，25%、50%百合根系分泌物處理對根系的生長表現(xiàn)為促進作用，75%、100%百合根系分泌物處理對根系的生長表現(xiàn)為抑制作用.其中25%百合根系分泌物處理對總根長、根尖數(shù)的促進作用分別達到12.7%、40.8%；100%處理對總根長、總根系表面積、總根系體積、根尖數(shù)的抑制分別達到了39.1%、40.6%、35.8%、19.6%.各處理間除平均直徑變化幅度較小，相互無差異性，其他指標均有顯著差異性.

表1 根系分泌物對蘭州百合幼苗生長的影響及化感綜合效應Tab.1 Influence and allelopathic combined effect of root exudates on Lanzhou lily seedling growth

同列數(shù)據(jù)肩標不同的小寫字母表示差異顯著(P<0.05).

表2 根系分泌物對蘭州百合幼苗根系生長的影響

Tab.2 Effect of root exudates on root growth of Lanzhou lily seedlings

處理總根長/cm總根系表面積/cm2平均直徑/mm總根系體積/cm3根尖數(shù)根系活力/(μg·(g·h)-1)CK(清水)127.62±1.22c30.72±0.50a0.7±0.03a0.534±0.01bc250±2.00c30.6±0.90cT1143.83±1.12a31.04±1.08a0.8±0.02a0.591±0.01a352±1.73a46.32±1.09aT2135.8±1.10b29.67±0.90a0.77±0.08a0.557±0.01b279±2.31b39.33±0.78bT3103.1±0.80d26.64±0.79b0.74±0.02a0.516±0.02c236±2.68d27.59±0.83dT477.75±0.64e18.25±0.77c0.69±0.05a0.344±0.02d201±2.52e24.26±0.94e

2.3 根系分泌物對蘭州百合幼苗葉片抗氧化酶活性的影響

超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)是植物體內(nèi)主要的ROS酶促清除系統(tǒng)[16].由表3可知，隨著根系分泌物體積分數(shù)的升高，蘭州百合幼苗葉片中的SOD、POD和CAT活性顯著升高，自毒作用加劇.100%百合根系分泌物處理有最高的SOD活性859.94 U/g、POD活性33.05 U/(min·g)、CAT活性53.16 U/(min·g)，較之對照，SOD、POD和CAT活性分別升高了9.2%、47.1%、25.5%，差異達到了顯著水平.同樣，75%百合根系分泌物處理雖對抗氧化酶活性的提升較小，但差異均達到顯著水平.25%百合根系分泌物處理的SOD、POD和CAT活性最小，其中SOD活性與對照差異顯著，POD和CAT 活性與對照差異不顯著.50%百合根系分泌物處理的3種酶活性與對照均無顯著差異.

表3 根系分泌物對蘭州百合幼苗葉片抗氧化酶活性的影響

Tab.3 Effect of root exudates on SOD，POD，CAT activity in leaves of Lanzhou lily seedlings

處理SOD/(U·g-1)POD/(U·(min·g)-1)CAT/(U·(min·g)-1)CK(清水)787.11±1.257c22.77±0.72c42.36±0.810cT1775.31±2.340d20.54±0.516c41.35±1.414cT2783.64±1.822c22.58±0.801c42.52±1.078cT3798.31±2.477b28.73±0.884b47.20±0.915bT4859.94±2.274a33.05±0.797a53.16±1.322a

2.4 根系分泌物對蘭州百合幼苗葉片葉綠素及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響

不同體積分數(shù)根系分泌物處理下，葉片葉綠素含量呈明顯下降趨勢.當體積分數(shù)為75%時，葉片葉綠素含量已低于對照，100%處理后，葉綠素含量最低，為2.12 mg/g，較之對照下降了16.5%；25%百合根系分泌物處理的葉綠素含量最高，為2.96 mg/g，較之對照提高了16.5%.25%、100%處理均與對照差異顯著.

表4 根系分泌物對蘭州百合幼苗葉片葉綠素、脯氨酸和MDA含量的影響

Tab.4 Effect of root exudates on chlorophyll,proline and MDA content in leaves of Lanzhou lily seedlings

處理葉綠素/(mg·g-1)脯氨酸/(μg·g-1)MDA/(mmol·g-1)CK(清水)2.54±0.029bc7.27±0.172c2.36±0.061bcT12.96±0.177a5.12±0.118c2.26±0.036cT22.64±0.017b7.03±1.707c2.30±0.021cT32.33±0.055cd14.46±0.732b2.45±0.075bT42.12±0.047d21.87±0.935a2.72±0.035a

由表4可以看出，不同體積分數(shù)百合根系分泌物處理均導致百合幼苗葉片脯氨酸、MDA含量升高.其中，25%、50%處理的脯氨酸、MDA含量均低于對照，但無差異性.75%、100%處理的脯氨酸、MDA含量均高于對照，100%處理的脯氨酸含量較之對照分別提高了98.9%、200.8%，差異顯著.

3 討論與結(jié)論

蘭州百合根系分泌物所導致的自毒作用是蘭州百合連作障礙發(fā)生的重要成因之一.現(xiàn)有研究結(jié)果顯示，只有當水溶液的濃度達到某一臨界濃度時，才能產(chǎn)生化感抑制作用，低于這一濃度時植物不受損壞，且部分化感物質(zhì)會產(chǎn)生促進植物生長的效應，表現(xiàn)出“低促高抑”的現(xiàn)象[17].本試驗結(jié)果表明，蘭州百合根系分泌物對百合幼苗的生長呈現(xiàn)低體積分數(shù)(25%、50%)下具有一定的促進，高體積分數(shù)(75%、100%)下具有一定的抑制作用，證明了蘭州百合根系分泌物自毒作用的存在.這與徐寧等[18]研究的大蔥根系分泌物處理黃瓜種子、曹子林等[19]研究的藍桉枝葉氣態(tài)揮發(fā)物處理其種子、余婷等[20]研究的白三葉根系分泌物處理5種草坪草的結(jié)果相一致.但與徐鵬等[21]研究的西伯利亞百合根系分泌物對蘿卜苗高和苗鮮質(zhì)量均表現(xiàn)出抑制效應的結(jié)果有所不同.上述結(jié)果的差異，可能由于作物種類(包括供體和受體)不同，而且采用不同的根系分泌物收集方法，獲得根系分泌物的物質(zhì)構(gòu)成和濃度也不一樣.

一般植物在自毒脅迫下體內(nèi)的活性氧會大量增加，導致植物內(nèi)發(fā)生代謝紊亂，從而對植物的生長和產(chǎn)量產(chǎn)生不利影響.植物將采取各種措施消除活性氧，如不斷提高各種抗氧化酶的活性[22].本研究表明，隨著根系分泌物體積分數(shù)的升高，SOD、POD和CAT活性均成上升趨勢，75%、100%處理下3種抗氧化酶活性與對照均達到了顯著差異，表明越高體積分數(shù)的根系分泌物對百合幼苗的傷害越大，致使幼苗體內(nèi)產(chǎn)生更多的SOD、POD和CAT來清除過多的超氧陰離子和防止H2O2(過氧化氫)的積累.抗氧化酶系統(tǒng)不能完全清除具有高活性的活性氧，從而膜脂過氧化程度提高[23]，植物體內(nèi)的丙二醛( MDA) 可以反映植物遭受逆境傷害的程度[24].本研究發(fā)現(xiàn)，高體積分數(shù)(100%)的百合根系分泌物導致幼苗葉片中的MDA、脯氨酸含量顯著上升，影響了構(gòu)成細胞質(zhì)膜[25]包括葉綠體片層膜的物質(zhì)組分，導致膜結(jié)構(gòu)改變，影響膜的流動性及其與酶的結(jié)合力，從而使葉片色素含量降低，影響了植株的光合作用，限制了生長.

綜合以上結(jié)果可以看出，不同體積分數(shù)的蘭州百合根系分泌物顯著影響了百合幼苗植株的生長，其幼苗生物量表現(xiàn)出低體積分數(shù)增加、高體積分數(shù)降低的現(xiàn)象.其中25%的根系分泌物對幼苗的促進作用最大，100%的根系分泌物對幼苗的抑制作用最大.

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(責任編輯 趙曉倩)

Effect of root exudates from Lanzhou lily on allelopathy of lily seedlings

CHEN Jun-liang,SUN Hong-qiang,FAN Sheng-feng,LI Li,SHI Gui-ying,QU Xing,YANG Hong-yu

(College of Horticulture,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730030,China)

【Objective】 To study the allelopathy of the root exudates from Lanzhou lily on lily seedling. 【Method】 The root exudates were collected from 30 days Lanzhou lily by hydroponic cultivation,the growth,root morphology,chlorophyll content,antioxidant enzyme activity and osmotic adjustment substance content were determined in seedling leaves by feeding root exudates at different concentrations.【Result】 The growth of seedlings decreased with the increase of concentration of root exudates. The root exudates at 25% and 50% promoted seedling growth. However,the exudates at 75% and 100% inhibited the seedling growth. The exudates increased activity of superoxide dismutase,peroxidase,catalase,decreased root activity,and content of chlorophyll,malondialdehyde and proline. 【Conclusion】 The root exudates from Lanzhou Lily show obviously allelopathy effect,the maximum is found at 100% of exudates.

Lanzhou lily;root exudates;seedlings;allelopathy;continuous cropping obstacle

陳君良(1989-)，男，碩士研究生，主要從事蔬菜栽培與生理方面的研究.E-mial:835978034@qq.com

師桂英，女，博士，教授，碩士生導師，研究方向為蔬菜栽培與生物技術(shù).E-mail:shigy@gsau.edu.cn

甘肅省高等學校基本科研業(yè)務費項目；甘肅省農(nóng)牧廳農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新項目(GNCX-2013-36).

2015-10-11；

2016-02-29

S 641.1

A

1003-4315(2016)06-0064-06