大蒜根系水提液對不同品種紅小豆幼苗生長及生理特性的影響

常凱麗　裴紅賓　張永清

摘要：為了更有效緩解紅小豆連作障礙問題，為建立合理的輪作方式（大蒜—紅小豆）提供理論依據(jù)，采用室內(nèi)培養(yǎng)皿生物測量法和盆栽試驗法，以10個紅小豆品種為材料，記錄大蒜根系水提液培養(yǎng)下不同品種紅小豆種子萌發(fā)數(shù)，測定幼苗株高、葉面積、生物量，SOD、POD活性，MDA含量。結(jié)果表明，（1）30 g/L大蒜根系水提液對不同基因型紅小豆種子的發(fā)芽率有顯著影響；（2）30 g/L大蒜根系水提液對10個紅小豆品種幼苗生長呈現(xiàn)了不同基因型差異；（3）綜合效應指數(shù)評價結(jié)果表明，與對照比較，經(jīng)30 g/L大蒜根系水提液處理后，對紅小豆白紅6號、B1789、京農(nóng)6號幼苗形態(tài)指標的促進作用最為明顯；（4）從10個紅小豆品種幼苗的生理特性可以看出，30 g/L大蒜根系水提液可以促進較多品種的SOD、POD活性，降低MDA含量，且與對照差異顯著。

關(guān)鍵詞：大蒜根系水提液；紅小豆；形態(tài)指標；生理特性；化感作用

中圖分類號： S521.01 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）07-0116-05

紅小豆（Phaseolus angularis），豆科、豇豆屬植物，營養(yǎng)豐富，栽培歷史悠久，在中國半干旱、干旱地區(qū)具有明顯的區(qū)位優(yōu)勢和生產(chǎn)優(yōu)勢，特別是在黃土高原地區(qū)，從食用到加工出口，從自然資源利用到發(fā)展地方經(jīng)濟，都占有非常重要的地位[1]。

紅小豆自毒作用嚴重，連作障礙成為制約紅小豆產(chǎn)量和品質(zhì)的主要因素之一[2]。相關(guān)研究認為，這也與作物產(chǎn)生的化感物質(zhì)密切相關(guān)。自毒（化感）物質(zhì)并非在供體與受體植物之間或前、后茬植物之間直接發(fā)揮作用，自毒（化感）物質(zhì)只是誘因，釋放到土壤后受到微生物的加工、分解、轉(zhuǎn)化等，并同時對根際微生物區(qū)系產(chǎn)生影響，最后共同影響受體植物的生長發(fā)育[3]。目前，越來越多的學者認為，根系分泌物生態(tài)效應的間接作用及土壤微生物區(qū)系紊亂是導致植物連作障礙的主要因素[4]。生產(chǎn)中連作年限越長，對連作作物生長發(fā)育的抑制作用也越強，連作病害發(fā)生也會越嚴重。輪作可以提高土壤有機質(zhì)含量，增加土壤微生物及土壤酶活性[5]，對改善土壤環(huán)境、減輕連作障礙具有積極作用[6]。董青松等研究證明，連作導致根際土壤微生物功能多樣性顯著降低[7]。馬瑞霞等研究發(fā)現(xiàn)，大豆（Glycine max）連作 3 年以上，土壤的微生物數(shù)量與組成發(fā)生變化，細菌數(shù)量減少，真菌數(shù)量增加，重茬較正茬增加[8]。

在黃土高原地區(qū)，人們常選擇小麥作為紅小豆的接茬作物。連慧達等研究表明，除傳統(tǒng)的紅小豆輪作作物小麥外，蔬菜作物蘿卜在與紅小豆輪作方面也有著很大的應用潛力[9]。研究證實，大蒜根系水提液中的活性成分對許多植物病原真菌和食物雜菌有較強的抑制作用，對一些病毒、原生生物也有抑制或殺滅活性的作用[10]，是公認的有益前茬作物，研究證明大蒜和馬鈴薯間作可以促進馬鈴薯（成熟期除外）的生長[11]，而在北方地區(qū)，紅小豆在種植時間上允許作為大蒜的后茬作物。目前，前人主要研究了大蒜浸提液對萵苣、辣椒、蘿卜、黃瓜、白菜、番茄、菜豆[12-14]等植物的化感作用，但有關(guān)大蒜對紅小豆作用方面的研究未見報道。

通過預試驗，選用多個濃度大蒜根系水提液，研究對種子萌發(fā)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當大蒜根系水提液濃度達到30 g/L時，才會對紅小豆種子萌發(fā)產(chǎn)生影響，考慮到農(nóng)田中大蒜根系濃度只有達到這個標準才會對植物造成化感效應，因而把 30 g/L 大蒜根系水提液臨界濃度作為研究施用的標準。前人對于化感效應集中于考慮化感物質(zhì)的濃度研究，研究結(jié)果表明，受體作物隨濃度的升高呈現(xiàn)低促高抑的效果；化感作用主要取決于植物種類，對于作物，還取決于特定的品種[15]。而對于在同種濃度下，后茬作物不同品種化感效應的篩選工作研究甚少。

本試驗采用預試驗篩選濃度為30 g/L的大蒜根系水提液對10個紅小豆品種進行處理，研究其對紅小豆種子萌發(fā)以及幼苗生長的影響，分析不同品種間的差異及不同品種紅小豆幼苗形態(tài)指標與生理特性的關(guān)系，為篩選出與大蒜進行輪作的最適紅小豆品種，緩解紅小豆連作障礙、建立合理的輪作方式（大蒜—紅小豆）提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本試驗在山西師范大學校內(nèi)試驗基地進行，供試材料均由山西農(nóng)業(yè)科學院提供，紅小豆品種見表1。

1.2 大蒜根系水提液的配制

將大蒜根系洗凈、自然風干后磨碎，稱取100 g，置于1 L燒杯中，加蒸餾水作浸提劑，在室溫下浸提24 h，然后過濾、4 ℃ 下2 500 r/min 離心10 min，去掉殘渣，得到上清液；加蒸餾水定容至1 L，得到濃度為100 g/L的母液；將母液稀釋成 30 g/L，裝瓶備用。

1.3 試驗設計

1.3.1 種子萌發(fā)試驗 采用培養(yǎng)皿濾紙法[16]。試驗選取大小一致、顆粒飽滿的紅小豆種子，經(jīng)3% H2O2消毒15 min后用蒸餾水反復沖洗3次，浸泡6 h，每處理播種100粒種子在鋪有2層濾紙、直徑為120 mm的培養(yǎng)皿中，試驗組分別加入30 g/L的大蒜根系水提液15 mL，對照組加15 mL蒸餾水，共20個處理，每處理重復3次，放置在人工氣候培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，每天定時補充定量蒸餾水以保持濾紙濕度。以胚芽長度≥種子長度的1/2作為萌發(fā)標準。每天定時記錄發(fā)芽種子數(shù)。

1.3.2 盆栽試驗 選取大小均勻、顆粒飽滿的紅小豆種子，用3% H2O2消毒15 min后用蒸餾水沖洗凈。每處理播種16粒種子在直徑為10 cm的培養(yǎng)缽中進行沙培，試驗組分別加入30 g/L的大蒜根系水提液20 mL和蒸餾水10 mL，對照組加30 mL蒸餾水，共20個處理，每個處理重復3次，放置在校內(nèi)防雨棚中培養(yǎng)，第1張真葉露出后每盆定苗8株，每天定時定量補充蒸餾水以保持盆中沙子濕潤，15 d后測定幼苗形態(tài)指標和生理指標。

1.4 測定指標與方法：

1.4.1 種子萌發(fā)

發(fā)芽率=總發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%；

發(fā)芽指數(shù)（GI）=∑（Gt/t）。

式中：Gt為第t天的發(fā)芽數(shù)，t為相應的發(fā)芽天數(shù)（d）。

參照 Lin等的方法[17]計算抑制率（IR），其中IR≥0為抑制作用，IR<0為促進作用，IR的絕對值代表作用強度的大小。

IR=（1-處理指標值/對照指標值）×100%。

綜合效應計算為各形態(tài)指標抑制率的平均值。其中，SI≥0代表抑制作用，SI<0代表促進作用。為了表示大蒜根系水浸提液對不同基因型紅小豆的綜合效應，對相同處理下紅小豆幼苗7個指標的抑制率（IR）計算算術(shù)平均值，將其作為不同基因型紅小豆在大蒜根系水提液作用下各自的綜合效應指數(shù)。

1.4.2 幼苗形態(tài)指標及生理活性的測定 幼苗形態(tài)指標：用直尺測量幼苗株高，葉面儀測定幼苗葉面積，電子天平稱量幼苗地上部鮮質(zhì)量、地下部鮮質(zhì)量。超氧化物歧化酶（SOD）活性的測定采用氮藍四唑（NBT）法[18-19]，過氧化物酶（POD）活性的測定采用愈創(chuàng)木酚法[20]，丙二醛（MDA）含量的測定方法采用硫代巴比妥酸（TBA）法[18]。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2003整理數(shù)據(jù)，用SPSS 17.0軟件進行樣本方差分析及 Duncans 新復極差檢驗處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 大蒜根系水提液對不同紅小豆品種種子萌發(fā)的影響

種子可以最先感知環(huán)境的變化。從表2可以看出，經(jīng)濃度為30 g/L大蒜根系水提液處理后，不同紅小豆品種種子萌發(fā)表現(xiàn)出基因型差異。白紅6號、遵化紅、京農(nóng)6號、晉紅小豆3號、B1789種子的發(fā)芽率提高，其中白紅6號增幅最大，達8.33%，其他5個品種發(fā)芽率降低；京農(nóng)6號、B1789、白紅6號種子發(fā)芽指數(shù)增高，分別增加了15.74%、9.68%、425%，其他7個品種發(fā)芽指數(shù)降低，白紅3號降幅最大，為 27.67%。試驗結(jié)果表明，當用濃度為30 g/L的大蒜根系水提液處理后，不同紅小豆品種種子的發(fā)芽率與對照差異明顯。

2.2 大蒜根系水提液對不同紅小豆品種幼苗形態(tài)指標的影響

從表3可以看出，在30 g/L大蒜根系水提液作用下，對保紅947、保紅8824-17、晉紅小豆3號、冀紅、白紅3號紅小豆幼苗的株高表現(xiàn)出一定的促進作用，分別增加了21.97%、11.13%、10.52%、5.36%、3.85%，與對照差異顯著；葉面積在濃度為30 g/L大蒜根系水提液作用下，除冀紅品種紅小豆幼苗受到抑制外，其他9個紅小豆品種幼苗葉面積均比對照增加，其中京農(nóng)6號的增幅最大，與對照間差異顯著；大蒜根系水提液對冀紅、京農(nóng)6號、保紅947、白紅6號幼苗的地上部鮮質(zhì)量表現(xiàn)出一定的促進作用，與對照差異顯著；白紅6號、遵化紅、晉紅小豆3號3個品種在經(jīng)濃度為30 g/L大蒜根系水提液處理后其幼苗的地下部鮮質(zhì)量呈現(xiàn)不同程度的增加，其中以白紅6號增幅最大，為30.77%，與對照差異顯著。綜合以上4個指標可以看出，在濃度為30 g/L的大蒜根系水提液作用下，對不同紅小豆品種幼苗的生長所表現(xiàn)出不同的影響，表明30 g/L大蒜根系水提液對紅小豆幼苗的化感作用存在基因型差異。

2.3 大蒜根系水提液對不同紅小豆品種植株的綜合效應指數(shù)

根據(jù)綜合效應指數(shù)進行評定，10個紅小豆品種可分為2組：抑制組（SI≥0）包括有6個紅小豆品種，分別為晉紅小豆1號、保紅947、冀紅、保紅8824-17、白紅3號、晉紅小豆3號，分別比對照下降了15.43%、10.87%、10.56%、10.03%、9.25%、6.65%；促進組（SIB 1789>京農(nóng)6號>遵化紅>保紅3號>晉紅小豆3號>保紅8824-17>冀紅>保紅947>晉紅小豆1號。

2.4 大蒜根系水提液對不同品種紅小豆植株根系生理指標的影響

2.4.1 大蒜根系水提液對不同紅小豆品種幼苗SOD活性的影響 SOD能催化超氧自由基產(chǎn)生歧化反應，生成分子氧和過氧化氫，保護膜的完整性。植物在逆境下出現(xiàn)的傷害或植物對逆境的抵抗能力往往與體內(nèi)的SOD活性有關(guān)。從圖1可以看出，經(jīng)30 g/L大蒜根系水提液處理后，京農(nóng)6號、保紅947、B1789、白紅3號、晉紅小豆3號幼苗的SOD活性增高，其中保紅947增幅最大，比對照增加了65.29%，差異達顯著水平。紅小豆幼苗體內(nèi)抗氧化酶活性顯著增強，可以有效減緩膜脂過氧化對幼苗生長造成的傷害。遵化紅、冀紅、保紅8824、白紅6號、晉紅小豆1號在經(jīng)30 g/L大蒜根系水提液處理后，其幼苗體內(nèi)的SOD活性不同程度降低。表明植物體內(nèi)的SOD活性的變化也因品種不同表現(xiàn)出基因型差異。

2.4.2 大蒜根系水提液對不同紅小豆品種幼苗POD活性的影響 POD是植物體內(nèi)消除過氧化物、降低活性氧傷害的一種關(guān)鍵酶，對保護膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。在30 g/L大蒜根系水提液作用下，晉紅小豆1號、白紅6號、保紅8824幼苗的POD活性提高，比對照分別增加了40.96%、24.24%、 7.17%，且與對照差異顯著；其他7個品種紅小豆在經(jīng)30 g/L大蒜根系水提液處理后，其幼苗的POD活性降低，其中，B1789降幅最小，與對照差異不顯著。

2.4.3 大蒜根系水提液對不同紅小豆品種幼苗MDA含量的影響 MDA是膜質(zhì)過氧化的最終產(chǎn)物之一，MDA含量的高低是反映植物是否遭受生理脅迫及脅迫程度的重要指標。從圖3可以看出，30 g/L大蒜根系水提液對紅小豆幼苗MDA的含量產(chǎn)生不同程度的影響。與對照比較，經(jīng)大蒜根系水提液處理后，冀紅、晉紅小豆3號幼苗的MDA含量分別增加了38.39%、4.85%，與對照差異顯著，表明冀紅、晉紅小豆3號在大蒜根系水提液作用下膜質(zhì)過氧化程度增高，膜透性增大。其他8個紅小豆品種幼苗的MDA含量顯著下降，降幅最大的是保紅947，比對照下降了30.05%。表明該水提液對紅小豆幼苗產(chǎn)生丙二醛的抑制強度較大，30 g/L大蒜根系水提液可以減緩這8個品種紅小豆幼苗的細胞膜脂過氧化程度。

3 結(jié)論與討論

連作障礙的根本原因是由于連續(xù)單一種植同一作物引起了土壤（基質(zhì)）中生物多樣性破壞，作物根際微生態(tài)平衡失調(diào)，微生物總數(shù)和土壤酶活性最終下降[21-24]。輪作可以通過植物間的化感作用預防和減輕連作障礙。植物化感作用對受體的影響主要表現(xiàn)為對種子發(fā)芽率、苗長、根長、苗干質(zhì)量和根干質(zhì)量的影響，不同植物對受體的影響存在顯著差異[25-30]。本試驗結(jié)果表明，大蒜根系水提液對不同基因型紅小豆種子發(fā)芽率有顯著影響，與周艷麗等進行的大蒜根系分泌物對不同受體蔬菜的化感作用的研究結(jié)果[12]一致，大蒜根系分泌物降低萵苣和辣椒的發(fā)芽率，提高了蘿卜、黃瓜、白菜和番茄的發(fā)芽率，但各處理與對照差異均未達顯著水平[12]。

從盆栽試驗結(jié)果可以看出，30 g/L大蒜根系水提液可以促進部分品種紅小豆幼苗的生長，魏玲等試驗結(jié)果也顯示，大蒜地上部水浸液在低濃度（0.005 g/mL）時對番茄幼苗生長有促進作用[13]。本試驗結(jié)果表明，30 g/L大蒜根系水提液對一些紅小豆品種幼苗生長產(chǎn)生抑制作用，說明大蒜根系水提液對紅小豆幼苗生長的影響存在基因型差異，或許與不同基因型紅小豆在幼苗生長過程中所感受大蒜根系水提液的化感物質(zhì)種類、臨界濃度、轉(zhuǎn)化途徑不同有關(guān)。

結(jié)合種子萌發(fā)試驗與盆栽試驗結(jié)果，30 g/L大蒜根系水提液對不同紅小豆品種幼苗生長的影響較種子萌發(fā)階段顯著，這與高小寬等的試驗結(jié)果[31]相似：花生根部浸提液對黃瓜種子發(fā)芽率作用效果不明顯，對黃瓜幼苗根長的影響效果明顯。

植物在生長環(huán)境發(fā)生變化時，體內(nèi)SOD、POD等保護性酶活性和MDA含量會發(fā)生相應變化，這些變化量目前已被作為評價植物適應性指標而廣泛應用?；行a(chǎn)生時受體酶系統(tǒng)的變化與品種有一定關(guān)系[13]。本試驗不同紅小豆品種的酶系統(tǒng)對大蒜根系水提液處理的適應性表現(xiàn)出一定的基因型差異。本試驗中較多品種紅小豆幼苗體內(nèi)通過SOD、POD二者在植物體內(nèi)協(xié)同起作用使植株清除自由基的能力提高，使得MDA含量降低，有效減輕自由基對細胞膜的傷害，從而幼苗生長良好。本試驗冀紅品種的紅小豆幼苗體內(nèi)的SOD活性、POD活性降低，植株清除自由基的能力降低，隨著自由基的大量積累，最終表現(xiàn)為體內(nèi)MDA含量增加，傷害細胞膜的完整性，膜脂過氧化等影響植物的正常生理活動[32-33]，植株生長受到抑制?？祦嘄埖妊芯堪l(fā)現(xiàn)，低濃度的加工番茄水浸提液可以很好地促使SOD、CAT發(fā)揮降低活性氧的含量、維持活性氧的動態(tài)平衡作用，使得POD的應激活性處于未激發(fā)狀態(tài)，從而抵御膜脂過氧化，提高受體植物抗化感脅迫的能力；隨著加工番茄浸提液質(zhì)量濃度的不斷增大，其體內(nèi)SOD、CAT活性顯著下降，活性氧大量積累，誘導POD活性升高[34]。本試驗中不同品種經(jīng)30 g/L大蒜根系水提液處理后被提高活性的酶種類不同，表明不同品種對大蒜根系水提液的臨界濃度有基因型效應。

綜合不同紅小豆品種種子萌發(fā)情況、幼苗形態(tài)指標的綜合效應指數(shù)以及幼苗的生理特性，對本試驗中10個品種紅小豆進行評價，得出30 g/L大蒜根系水提液對10個紅小豆品種存在促進和抑制2種不同作用，在紅小豆與大蒜輪作系統(tǒng)中應考慮基因型差異。

化感作用不僅會因受體作物的種類不同而有所差異，化感物質(zhì)生物活性的大小還由化感物質(zhì)的質(zhì)量濃度決定，研究表明，根系水體液對受體的影響因濃度而異。本試驗僅在室內(nèi)對離體大蒜的根系水提液進行化感作用研究，根據(jù)預試驗結(jié)果研究了30 g/L大蒜根系水提液對10個紅小豆品種的種子萌發(fā)及幼苗生長的影響，尚需進一步通過多濃度梯度試驗及田間試驗深入分析大蒜對不同品種紅小豆的化感作用規(guī)律，測定不同品種紅小豆的產(chǎn)量，從而驗證實際生產(chǎn)中大蒜與紅小豆輪作的合理性。

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