外來入侵植物刺蒼耳各部位的化感作用研究

袁著耕，劉 影，邵 華，趙 玉*，胡云霞,3

(1.伊犁師范學院 化學與環(huán)境科學學院，新疆 伊寧 835000； 2.伊犁師范學院 生物與地理科學學院，新疆 伊寧 835000；3.新疆維吾爾自治區(qū)普通高校天然產物化學與應用重點實驗室，新疆 伊寧 835000； 4.中國科學院 新疆生態(tài)與地理研究所 干旱區(qū)生物地理與生物資源重點實驗室,新疆 烏魯木齊 830011)

外來入侵植物刺蒼耳各部位的化感作用研究

袁著耕1，劉 影2,3，邵 華4，趙 玉2,3*，胡云霞1,3

(1.伊犁師范學院 化學與環(huán)境科學學院，新疆 伊寧 835000； 2.伊犁師范學院 生物與地理科學學院，新疆 伊寧 835000；3.新疆維吾爾自治區(qū)普通高校天然產物化學與應用重點實驗室，新疆 伊寧 835000； 4.中國科學院 新疆生態(tài)與地理研究所 干旱區(qū)生物地理與生物資源重點實驗室,新疆 烏魯木齊 830011)

為了探討入侵植物刺蒼耳各部位(根、莖、葉、果實)的化感作用，以及化感物質在水浸提液和醇浸提液中的富集程度，通過室內生物測定法檢測質量濃度為0.05 g/mL的浸提液對金狗尾草、黑麥草、萵苣及小白菜種子萌發(fā)及幼苗生長的影響。結果表明：刺蒼耳各部位的水浸提液中總體以葉的化感作用最強，其對金狗尾草、黑麥草、萵苣、小白菜發(fā)芽率的抑制率分別為36.4%、17.9%、25.8%、18.7%，對根長的抑制率分別達到了62.7%、68.4%、26.8%、34.7%；刺蒼耳各部位的醇浸提液中，除了葉對4種植物根長的抑制率較高，分別達到92.5%、89.3%、36.7%、48.4%以外，根和果實也都顯示出較強的化感作用，分別對其中3種植物根長產生顯著的抑制作用，抑制率分別為21.2%～46.4%(小白菜除外)和48.0%～54.8%(黑麥草除外);總體上,各部位醇浸提液的化感作用強于相應的水浸提液。由此可見，刺蒼耳的主效化感物質主要集中在葉中，且在醇浸提液中富集程度更高。

刺蒼耳； 外來入侵植物； 浸提液； 化感作用

外來植物入侵是指一些植物通過有意或無意的人類活動引入其他非本源地，并在非本源地失去控制地暴發(fā)性擴散，對入侵地的生態(tài)系統(tǒng)造成嚴重的影響，給當地帶來巨大的經濟損失，有的甚至危害到人類的生存健康[1-4]。單從經濟損失上來說，紫莖澤蘭、鳳眼蓮、空心蓮子草等幾種外來入侵植物平均每年所造成的損失高達574億元[5]?？刂仆鈦砣肭种参镆呀浛滩蝗菥?。

刺蒼耳(XanthiumspinosumL.)是隸屬菊科蒼耳屬的1年生草本植物，原產于南美洲。該物種的入侵性很強，目前已廣泛分布于歐洲的中部和南部及西北太平洋地區(qū)，被認為是一種世界性的雜草[6]。我國最早1932年在河南鄲城縣發(fā)現(xiàn)刺蒼耳野生歸化種，之后該草逐漸擴散到遼寧、內蒙古、寧夏、河北、新疆、安徽、甘肅等省(區(qū))[7]。2009年首次在新疆的伊寧縣被發(fā)現(xiàn)，隨后擴散至尼勒克縣、察布查爾縣、鞏留縣、新源縣、昭蘇縣、特克斯縣、昌吉市、石河子等地區(qū)[8]。目前，刺蒼耳已成為新疆外來植物中擴散速度最快和潛在危害最大的雜草之一[9]。由于刺蒼耳結實量大，總苞密生倒鉤刺易于附著在牛、羊等動物體毛上傳播，其擴散迅速，且植株具硬刺，牲畜不食[10]；加之其生態(tài)適應性較強，對本土植物或其他雜草有一定的抑制現(xiàn)象，故極易在入侵地形成優(yōu)勢種群，嚴重危害當地的農林牧業(yè)生產。當前，國內外對外來有害植物入侵機制提出了各種假說，如天敵逃逸假說[11]、入侵進化假說[12]、空余生態(tài)位假說[13]、新武器假說[14]等。其中，新武器假說認為外來種入侵與其化感作用有關。該假說推測，外來植物因為缺乏和入侵地植物共同進化的歷史，可以產生使入侵地的本土植物更加敏感、難以適應的化感物質，從而影響其生長，并使自身占據優(yōu)勢。國內外大量研究表明，化感作用是某些外來植物成功入侵的機制之一，對其迅速占據生態(tài)優(yōu)勢起到了重要甚至是決定性的作用[15]。目前，已有多種外來植物，如薇甘菊、飛機草、加拿大一枝黃花、五爪金龍、腫柄菊、意大利蒼耳等[16-21]被認為具有化感作用，有些已經鑒定出了主要的化感物質?；凶饔檬侵腹w植物通過莖葉揮發(fā)、淋溶、凋落物分解、根系分泌等途徑向環(huán)境中釋放化學物質，從而影響周圍植物的生長與發(fā)育[22]。研究表明，刺蒼耳的同屬物種假蒼耳[23]、蒼耳[24]、意大利蒼耳[25]對入侵地的多種植株有著明顯的化感作用。董芳慧等[26]研究結果也表明，刺蒼耳植株的水浸提液對植物種子的萌發(fā)有一定的抑制作用。本研究通過測定刺蒼耳植株不同部位水浸提液和95%乙醇浸提液對2種雙子葉作物和2種單子葉雜草種子萌發(fā)及幼苗生長的影響，比較刺蒼耳不同部位提取物質化感作用的強弱，為進一步了解刺蒼耳主效化感物質的分布、釋放和作用方式，以及探索其蔓延機制提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

刺蒼耳采集于新疆伊犁察布查爾縣。受體植物小白菜(Brassicachinensis)、萵苣(Lactucasativa)、黑麥草(Loliummultiflorum)、金狗尾草(Setariaglauca)的種子均購于伊犁種子站。供試藥品均為分析純。

1.2 方法

1.2.1 提取液制備 從新疆伊犁察布查爾縣公路邊挖取成熟的刺蒼耳全株，沖洗干凈后在室溫下自然晾干，分為根、莖、葉、果實。用粉碎機粉碎并過孔徑為0.42 mm的篩子，準確稱取50 g粉末樣品，加入1 000 mL的蒸餾水或者95%乙醇，放入電熱恒溫振蕩水槽中振蕩提取12 h后抽濾，即得0.05 g/mL的刺蒼耳各部位水浸提液或95%乙醇浸提液，冷藏備用。

1.2.2 種子萌發(fā)試驗 化感活性測定采用培養(yǎng)皿濾紙法。在直徑為7.5 cm 的培養(yǎng)皿中加入4 mL的刺蒼耳根、莖、葉及果實的水浸提液或95%乙醇浸提液，上覆2層濾紙，乙醇浸提液需在通風櫥中揮干后再在各培養(yǎng)皿中加入4 mL 蒸餾水，均放入供試種子20粒，以蒸餾水為對照(CK)，每組處理3個重復。放入恒溫恒濕培養(yǎng)箱，25 ℃黑暗培養(yǎng)，6 d后統(tǒng)計發(fā)芽率并測量每株的根長和苗高。發(fā)芽率=規(guī)定日期全部發(fā)芽種子粒數/供試種子粒數×100%。

1.2.3 數據處理 發(fā)芽率數據均采用Origin 8.0制圖；根長和苗高數據使用SPSS 18.0軟件處理，首先利用單因素方差分析(ANOVA)檢驗差異是否顯著，然后通過LSD法比較不同處理組間的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 刺蒼耳不同部位的水浸提液對植株的化感作用

從圖1可以看出，刺蒼耳葉的水浸提液對金狗尾草、黑麥草、萵苣、小白菜種子的發(fā)芽率都產生了抑制作用，分別比對照減少了36.4%、17.9%、25.8%、18.7%，且差異顯著。根、莖、果實的水浸提液對受體植物小白菜、萵苣、黑麥草的發(fā)芽率也產生了抑制作用，但效果不顯著。刺蒼耳果實、莖的水浸提液對受體植物金狗尾草發(fā)芽率產生了顯著的抑制作用，均比對照減少了25.0%。

*表示與CK相比差異顯著(P<0.05)，下同

如表1所示，刺蒼耳根的水浸提液對金狗尾草和黑麥草的根長無顯著影響，但對二者的苗高有顯著的抑制作用，抑制率分別為30.5%、14.9%；對萵苣根長具有促進作用，而對其苗高無顯著影響；對小白菜根長、苗高均有顯著的促進作用。莖的水浸提液對金狗尾草和黑麥草的根長和苗高均無顯著性影響，對萵苣和小白菜的根長、苗高均具有促進作用。葉的水浸提液對4種植物苗的生長均具有顯著的抑制作用(對小白菜苗高具有促進作用除外)：對金狗尾草根長、苗高的抑制率分別為62.7%、28.3%，對黑麥草根長、苗高的抑制率分別為68.4%、22.0%，對萵苣根長、苗高的抑制率分別為26.8%、28.2%，對小白菜根長的抑制率為34.7%。果實的水浸提液對金狗尾草及黑麥草的根長和苗高均無顯著影響；對萵苣的根長有顯著的促進作用，而對苗高無顯著影響；對小白菜根長有顯著的抑制作用(抑制率為13.4%)，而對其苗高有顯著的促進作用。

表1 刺蒼耳各部位水浸提液對4種植物根長和苗高的影響 cm

注：表中數值為平均值±標準誤，同列數據后不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05) ，下表同。

4種受體植物相比，單子葉雜草金狗尾草和黑麥草的根長和苗高對刺蒼耳各部位水浸提液的化感作用比雙子葉作物萵苣和小白菜敏感。刺蒼耳各部位的水浸提液相比，總體上葉的水浸提液化感作用最強，對4種植物根長抑制率高低順序為黑麥草>金狗尾草>小白菜>萵苣，且對前兩者的抑制率均在60%以上，對后兩者的抑制率在25%以上；根的水浸提液只對金狗尾草和黑麥草的苗高有顯著的抑制作用；果實水浸提液只對小白菜根長有顯著抑制作用；莖水浸提液對4種受體植物均無抑制作用。說明刺蒼耳各部位所含的化感物質種類及含量可能各不相同，不同植物的種子對同種類化感物質的耐受性也各不相同。

2.2 刺蒼耳不同部位的95%乙醇浸提液對植株的化感作用

從圖2可以看出，刺蒼耳葉的95%乙醇浸提液對金狗尾草、黑麥草、萵苣、小白菜種子的發(fā)芽率都產生了抑制作用，分別比對照減少35.5%、24.6%、17.7%、37.7%，且差異顯著；果實的95%乙醇浸提液只對金狗尾草的發(fā)芽率產生了顯著的抑制作用，比對照減少28.8%；根的95%乙醇浸提液對小白菜、金狗尾草的發(fā)芽率都產生了抑制作用,分別比對照減少33.9%、28.8%,且差異顯著。

圖2 刺蒼耳各部位95%乙醇浸提液對4種植物發(fā)芽率的影響

如表2所示，刺蒼耳根的95%乙醇浸提液對金狗尾草、黑麥草、萵苣的根長和苗高均有顯著的抑制作用，抑制率分別為46.4%和48.1%，21.2%和32.0%，39.5%和50.3%；對小白菜根長無顯著性影響，而對其苗高有顯著的促進作用。刺蒼耳莖的95%乙醇浸提液對金狗尾草的根長、苗高均有顯著的抑制作用，抑制率分別為33.6%、36.8%；對黑麥草和萵苣的根長和苗高均無顯著性影響；對小白菜根長、苗高均具有顯著的促進作用。刺蒼耳葉的95%乙醇浸提液對4種植物苗的生長均具有顯著的抑制作用(對小白菜苗高無顯著性影響除外)：對金狗尾草根長、苗高的抑制率分別為92.5%、61.1%,對黑麥草根長、苗高的抑制率分別為89.3%、28.1%,對萵苣根長、苗高的抑制率分別為36.7%、39.2%,對小白菜根長的抑制率為48.4%。刺蒼耳果實的95%乙醇浸提液對金狗尾草的根長、苗高均有顯著的抑制作用，抑制率分別為48.8%、34.0%；對黑麥草根長和苗高無顯著性影響；對萵苣的根長和苗高均表現(xiàn)顯著的抑制作用，抑制率分別為54.8%、53.2%；對小白菜根長有顯著的抑制作用，抑制率為48.0%，但對其苗高無顯著性影響。

表2 刺蒼耳各部位的95%乙醇浸提液對4種植物根長和苗高的影響 cm

4種受體植物相比，總體上金狗尾草的根長和苗高對刺蒼耳各部位95%乙醇浸提液的化感作用最敏感，小白菜最不敏感。刺蒼耳各部位的95%乙醇浸提液相比，葉的化感作用最強，對4種植物根長都有顯著的抑制作用，其抑制率高低順序為金狗尾草>黑麥草>小白菜>萵苣，且對前兩者的抑制率在90%左右，對后兩者的抑制率在35%以上；根的95%乙醇浸提液顯示了較強的化感作用，其中，對3種植物根長有顯著的抑制作用，抑制率大小為金狗尾草>萵苣>黑麥草，其對前兩者的抑制率在40%左右；果實的95%乙醇浸提液也顯示了較強的化感作用，其中，對3種植物根長有顯著的抑制作用，抑制率高低為萵苣>金狗尾草>小白菜，其對三者的抑制率都在48%以上；莖的95%乙醇浸提液只對金狗尾草有抑制作用。

對比分析刺蒼耳不同部位的水和醇浸提液對4種植物種子發(fā)芽率、根長和苗高的化感作用發(fā)現(xiàn)，總體上，葉的化感抑制作用明顯高于其余各部位，并且葉的乙醇浸提液的化感抑制作用強于水浸提液。

3 結論與討論

關于化感作用對植物生長影響的研究主要分為種子萌發(fā)和幼苗生長等階段[16-19]。本試驗用刺蒼耳的根、莖、葉、果實的水浸提液和95%乙醇浸提液分別對4種不同植物進行室內生物測定，結果發(fā)現(xiàn)，刺蒼耳葉的水浸提液和95%乙醇浸提液對4種植物生長均產生了顯著的抑制作用(對小白菜苗高除外)，并且葉的95%乙醇浸提液對植株的抑制作用強于葉的水浸提液。由于浸提液性質的差異，其提取物種類及含量有所不同，因而表現(xiàn)出刺蒼耳果實水浸提液對金狗尾草和黑麥草的根長、苗高無顯著影響，對萵苣根長和小白菜苗高產生了較為顯著的促進作用，而刺蒼耳果實95%乙醇浸提液對金狗尾草和萵苣的根長、苗高及小白菜根長均產生了較為顯著的抑制作用。同時試驗結果還表明，刺蒼耳化感物質主要集中在葉、果實中。這些水溶性化感物質有可能通過雨水淋溶、凋落物分解等方式釋放到周圍環(huán)境中，影響周圍植物的生長，進而成功入侵成為優(yōu)勢種群。在后續(xù)的研究中，擬選擇刺蒼耳葉、果實的95%乙醇浸提液進行進一步的分離純化，以期能從中鑒定出刺蒼耳的主效化感物質。值得注意的是，在刺蒼耳水浸提液和95%乙醇浸提液的生物測定試驗中，均發(fā)現(xiàn)單子葉植物比雙子葉植物更為敏感，說明刺蒼耳中的化感物質可能具有一定的選擇性。

從植物中尋找對其他植物具有毒害作用的植物毒素往往是研究某種植物是否具有化感作用的重要一環(huán)[27]，這些植物毒素是否等同于化感物質，則尚需進行進一步的分析。此外，試驗中刺蒼耳的水浸提液和95%乙醇浸提液對不同植物產生的化感效應不同，說明化感作用是一個復雜體系，化感物質的變化及不同物種對刺蒼耳化感作用適應能力的不同導致其對不同植物產生的化感效應不同。有研究表明，植物間的化感作用是由2種或2種以上的成分相互作用產生的，化感成分間還存在拮抗或促進作用[28]。而刺蒼耳化感物質非常復雜，在不同環(huán)境因素或在其他因素影響下，可能會表現(xiàn)出不同的化感效應和強度。要完全弄清刺蒼耳化感作用的發(fā)生機制，需要綜合更多的指標進行更深入的研究。

本試驗表明，刺蒼耳各部位的2種不同浸提液的化感作用是客觀存在的，但是在自然條件下化感作用會受到一系列外部環(huán)境因素如氣候條件、土壤性質、資源水平等的影響。有研究[29]表明，當環(huán)境資源(養(yǎng)分、水分、光照)水平高時入侵種的競爭力高于本地種，利于外來植物入侵；而當資源水平低時則相反，不利于外來植物的入侵。而且在刺蒼耳入侵過程中，本地種是否在長期適應和進化中產生了抗化感能力有必要進一步研究。因此，應該謹慎確定刺蒼耳的化感物質及其作用機制。

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Allelopathy of Each Part of Invasive Plant Xanthium spinosum L.

YUAN Zhuogeng1,LIU Ying2,3,SHAO Hua4,ZHAO Yu2,3*,HU Yunxia1,3

(1.Chemistry and Environment Science School of Yili Normal University，Yining 835000，China; 2.Bioscience and Geosciences School of Yili Normal University，Yining 835000，China; 3.University and College Key Laboratory of Natural Product Chemistry and Application in Xinjiang,Yining 835000,China; 4.Key Laboratory of Biogeography and Bioresource in Arid Land,Xinjiang Institute of Ecology and Geography,Chinese Academy of Sciences,Urumqi 830011,China)

The allelopathic effect of aqueous and ethanol extracts of different plant parts (i.e.root,stem,leaf,fruit) of the invasive plantXanthiumspinosumL.was evaluated at 0.05 g/mL onSetariaglauca,Loliummultiflorum,LactucasativaandBrassicachinensis.The results showed that among the aqueous extracts,leaf extract exhibited the most potent inhibitory activity,which suppressed the germination rate and root length ofS.glauca,L.multiflorum,L.sativa,B.chinensisby 36.4%,17.9%,25.8%,18.7% and 62.7%,68.4%,26.8%,34.7%,respectively.The ethanol extract of leaves inhibited root length ofS.glauca,L.multiflorum,L.sativaandB.chinensisby 92.5%,89.3%,36.7% and 48.4%，respectively.Furthermore,root and fruit extracts also showed significant allelopathic activity against three plants,inhibiting root growth by 21.2%—46.4%(exceptB.chinensis) and 48.0%—54.8%(exceptL.multiflorum),respectively.Overall,the inhibitory activity of the ethanol extracts was stronger than the aqueous extracts.This study reveals that the major active allelochemicals are present in the leaf ethanol extract.

XanthiumspinosumL.; exotic invasive plant; extract; allelopathy

2016-07-20

新疆維吾爾自治區(qū)自然科學基金項目 (2015211C291)

袁著耕(1991-),男，湖北潛江人，在讀碩士研究生，研究方向：植物化感作用。E-mail:yuan19911028@sina.com

*通訊作者：趙 玉(1978-)，男，安徽阜陽人，副教授，博士，主要從事植物生態(tài)學研究。E-mail: 2001zhaoyu@sohu.com

S451

A

1004-3268(2017)02-0073-05