谷子根系水浸提液的化感自毒效應(yīng)研究

王園園，董淑琦，王宏富，原向陽(yáng)，溫銀元，宋喜娥，郭平毅*， 郭錦龍

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，山西 太谷 030801; 2.方山縣教育科技局，山西 方山 033100)

長(zhǎng)期的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐使人們認(rèn)識(shí)到，同種作物或近緣作物在同一地塊上連作栽培后，會(huì)出現(xiàn)生長(zhǎng)狀況變差、病蟲危害嚴(yán)重等現(xiàn)象，以致于作物產(chǎn)量嚴(yán)重降低，即連作障礙。前人的研究結(jié)果顯示，自毒作用是引起作物連作障礙的主要因子之一[1～3]。作物通過(guò)地上部(莖、葉等)淋溶、根系分泌和殘茬腐解等方式釋放出的化感物質(zhì)對(duì)植物自身酶活性、根系生長(zhǎng)及光合作用等產(chǎn)生影響，進(jìn)而導(dǎo)致植物的生長(zhǎng)不良，甚至死亡[4]。

谷子(Setariaitalica(L.)Beauv)是我國(guó)北方地區(qū)主要的糧食作物之一，栽培歷史悠久，具有耐旱，抗寒等特性，同時(shí)具有豐富的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，對(duì)調(diào)節(jié)合理的膳食結(jié)構(gòu)和“鐮刀灣地區(qū)”農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)能起到重要的作用。雜交谷因其產(chǎn)量高、抗性強(qiáng)等特點(diǎn)被廣泛種植，2013年和2014年雜交谷種植面積分別占到全國(guó)谷子面積的5.82%和6.36%[5]。山西小米品牌建設(shè)進(jìn)一步推動(dòng)谷子種植面積的逐步增大，然而谷子作為忌連作的作物之一，隨著種植面積的不斷擴(kuò)大，易產(chǎn)生連作障礙問(wèn)題，且連作年限越長(zhǎng)，土壤養(yǎng)分及酶活性降低幅度越顯著，減產(chǎn)的幅度越大[6,7]。

王樹起等研究發(fā)現(xiàn)，作物根系、殘?bào)w等能夠分泌大量的化感物質(zhì)，這些化感物質(zhì)對(duì)作物自身均有明顯的抑制作用[8]；董淑琦等發(fā)現(xiàn)谷子秸稈中的化感物質(zhì)對(duì)下茬小麥的生長(zhǎng)存在著顯著的化感作用[9]；林文雄等證實(shí)水稻根系水浸提液對(duì)其種子的萌發(fā)和生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用[10]；王芳等發(fā)現(xiàn)，茄子的根系分泌物中存在某些物質(zhì)對(duì)其胚根、胚芽的生長(zhǎng)有抑制作用，進(jìn)一步證實(shí)自毒作用的存在[11]。谷子根系中是否存在化感物質(zhì)，其是否會(huì)對(duì)下茬谷子產(chǎn)生自毒作用，值得深入探討。本文通過(guò)研究谷子根系水浸提液對(duì)其種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響，初步探討其根系的自毒作用的可能性及其在谷子植株體的表征，以期為探究谷子連作障礙機(jī)理提供理論參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試谷子品種為張雜13號(hào)(張家口市農(nóng)科院選育)，谷子根系(成熟期根系)采自山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)作站。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 谷子根系水浸提液的制備

采集谷子根系，陰干，使用高速粉碎機(jī)粉碎后過(guò)篩得到谷子根系的干粉。按照1∶10的比例將谷子樣品與蒸餾水充分混合、溶解于燒杯中，將渾濁液放置于超聲波清洗儀中充分震蕩30 min，離心(6 400 r·min-1)3 min后，取上清液，即谷子根系水浸提液原液。最后依次稀釋為原液的10倍、50倍和100倍液，放入4 ℃冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 谷子根系水浸提液對(duì)其種子根芽生長(zhǎng)的影響

以高溫滅菌后的培養(yǎng)皿(直徑9 cm)為容器，每皿鋪2層濾紙，分別加入谷子根系水浸提液原液、稀釋10倍、50倍、100倍液4種濃度各3 mL，以加蒸餾水為對(duì)照，每皿均勻點(diǎn)播種子40粒，3次重復(fù)，放置于25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，培養(yǎng)期間采用適時(shí)補(bǔ)水原則。3 d后用直尺(精度：0.1 cm)測(cè)量發(fā)芽種子的根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)。

1.2.3 谷子根系水浸提液對(duì)其幼苗生長(zhǎng)的影響

采用盛有基質(zhì)(營(yíng)養(yǎng)土，成分主要為珍珠巖、蛭石、雞糞等)，口徑7 cm，高8 cm的育苗盆，播種前，統(tǒng)一澆灌適量蒸餾水，將張雜13號(hào)種子均勻播種于育苗盆中。分別澆灌不同濃度的谷子根系水浸提液，每處理重復(fù)3次，對(duì)照澆灌自來(lái)水。將盆栽植株置于人工氣候培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，作物生長(zhǎng)期間適時(shí)補(bǔ)水。待幼苗生長(zhǎng)到五葉時(shí)測(cè)定幼苗株高、葉面積、SOD、POD、CAT等指標(biāo)。

1.2.4 生理指標(biāo)的測(cè)定

超氧化物歧化酶(SOD)采用氮藍(lán)四唑(NBT)法，過(guò)氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法，過(guò)氧化氫酶(CAT)活性測(cè)定采用紫外吸收法[12]。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理

化感效應(yīng)指數(shù)(Response Index，簡(jiǎn)寫為RI)：當(dāng)T≥CK時(shí)，RI=1-CK/T；當(dāng)T0時(shí)表示具有促進(jìn)作用，RI<0時(shí)表示具有抑制作用[13]?；芯C合效應(yīng) (Synthesis Effect，簡(jiǎn)寫為SE) 用供體(谷子根系水浸提液)對(duì)同一受體(張雜13號(hào))根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)等測(cè)試項(xiàng)目的化感效應(yīng)指數(shù)的算術(shù)平均值進(jìn)行評(píng)價(jià)[14～17]。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010處理，DPS軟件進(jìn)行LSD方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 谷子根系水浸提液對(duì)種子根芽生長(zhǎng)的影響

生物測(cè)定方法是有效檢測(cè)植物化感作用的常用方法，有研究認(rèn)為種子的胚根、胚芽是對(duì)植物化感物質(zhì)最敏感的部位[18～20]。在種子萌發(fā)試驗(yàn)中，不同濃度谷子根系水浸提液對(duì)其種子根、芽的生長(zhǎng)產(chǎn)生了顯著的影響。由圖1可知，原液處理下的種子萌發(fā)根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)分別比對(duì)照降低了87.95%、72.68%，與對(duì)照差異顯著(P<0.05)。稀釋10倍、50倍、100倍液處理下的種子根長(zhǎng)分別較對(duì)照增加了24.10%、20.48%、6.02%，且稀釋10倍、50倍液處理下的種子根長(zhǎng)與對(duì)照差異顯著(P<0.05)。同時(shí)，稀釋10倍、50倍、100倍液處理下的萌發(fā)種子芽長(zhǎng)分別比對(duì)照增加了9.29%、17.49%、21.86%，且稀釋50倍、100倍處理下的萌發(fā)種子芽長(zhǎng)與對(duì)照差異顯著(P<0.05)。

圖1 根系水浸提液對(duì)萌發(fā)種子根芽生長(zhǎng)的影響Fig.1 Effect of water extracts of root on the seed root and bud growth of foxtail millet注:不同小寫字母表示同一指標(biāo)在不同濃度處理間達(dá)5%(LSD.P<0.05)差異顯著水平。下同。Note：Lowercase letters indicate the significant differences at 5% level (LSD.P<0.05) in the same index among different concentration.The same below.

2.2 谷子根系水浸提液對(duì)谷子幼苗生長(zhǎng)的影響

植物的化感作用還主要表現(xiàn)在植物的幼苗生長(zhǎng)過(guò)程中，植物株高、葉面積等指標(biāo)被廣泛用于生物檢測(cè)中評(píng)估化感作用[21,22]。在谷子幼苗生長(zhǎng)試驗(yàn)中，不同濃度谷子根系水浸提液處理對(duì)谷子幼苗的生長(zhǎng)也產(chǎn)生了一定的影響，由表1可知，與對(duì)照相比，原液處理下谷子幼苗的生長(zhǎng)均受到顯著的抑制作用。其幼苗株高、葉長(zhǎng)、葉寬、葉面積分別比對(duì)照降低了18.26%、32.70%、27.59%、50.98%。稀釋10倍、50倍、100倍液處理下的幼苗株高分別比對(duì)照增加了2.21%、13.67%、5.89%，且稀釋50倍、100倍液處理下的幼苗株高較對(duì)照差異顯著(P<0.05)。

稀釋10倍、100倍液處理下的幼苗葉片葉長(zhǎng)分別比對(duì)照降低了8.18%、1.02%，其中稀釋10倍液處理下的幼苗葉長(zhǎng)與對(duì)照相比差異顯著。稀釋50倍液處理下的幼苗葉長(zhǎng)高于對(duì)照，但差異不顯著(P>0.05)。稀釋10倍、50倍、100倍液處理下的幼苗葉寬比對(duì)照分別增加了3.45%、11.49%、3.45%，且稀釋50倍液處理下的幼苗葉寬與對(duì)照呈顯著差異(P<0.05)。稀釋50倍、100倍液處理下的幼苗葉面積均比對(duì)照增加了13.38%、2.83%，且與對(duì)照呈顯著差異(P<0.05)。而稀釋10倍液處理下的幼苗葉面積比對(duì)照降低了4.56%，且差異顯著(P<0.05)。

2.3 谷子根系水浸提液對(duì)谷子幼苗抗氧化酶活性的影響

化感物質(zhì)首先作用于植物細(xì)胞膜上，通過(guò)抑制SOD、POD等保護(hù)酶活性，改變植物的細(xì)胞膜透性[23]。不同濃度處理下的谷子幼苗均受到了不同程度的逆境脅迫。谷子幼苗SOD、POD、CAT活性隨著濃度的增加均表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)。

表1 根系水浸提液對(duì)谷子幼苗生長(zhǎng)的影響Table 1 Effect of water extracts of root on seedling growth of foxtail millet

注:不同小寫字母表示同一指標(biāo)在不同濃度處理間達(dá)5%(LSD.P<0.05)差異顯著水平,下同。

Note：Lowercase letters indicate the significant differences at 5% level (LSD.P<0.05) in the same index among different concentration.The same below.

2.3.1 谷子根系水浸提液對(duì)谷子幼苗SOD活性的影響

由圖2可知，經(jīng)谷子根系水浸提液處理下的谷子幼苗SOD保護(hù)酶活性由強(qiáng)到弱依次為稀釋50倍液、稀釋10倍液、稀釋100倍液、原液，其中原液處理下的幼苗SOD活性分別比對(duì)照降低了75.41%，且與對(duì)照相比差異顯著(P<0.05)。而在稀釋10倍、50倍、100倍液處理下的幼苗SOD活性分別比對(duì)照增加了16.39%、90.00%、7.62%，且稀釋10倍、50倍液處理下的幼苗SOD活性與對(duì)照相比差異顯著(P<0.05)。

圖2 根系水浸提液對(duì)谷子苗期SOD活性的影響Fig.2 Effect of water extracts of root on SOD activity of foxtail millet at seedling stage

2.3.2 谷子根系水浸提液對(duì)谷子幼苗POD活性的影響

由圖3可知，經(jīng)谷子根系水浸提液處理下的谷子幼苗POD保護(hù)酶活性由強(qiáng)到弱依次為稀釋50倍液、稀釋100倍液、稀釋10倍液、原液，其中原液、稀釋10倍、稀釋100倍液處理下的幼苗POD活性分別比對(duì)照降低了11.91%、3.86%、2.07%，且原液、稀釋10倍處理下的幼苗POD活性與對(duì)照相比差異顯著(P<0.05)。而稀釋50倍處理下的幼苗POD活性比對(duì)照增加了8.76%，且與對(duì)照相比，差異顯著(P<0.05)。

圖3 根系水浸提液對(duì)谷子苗期POD活性的影響Fig.3 Effect of water extracts of root on POD activity of foxtail millet at seedling stage

2.3.3 谷子根系水浸提液對(duì)谷子幼苗CAT活性的影響

由圖4可知，經(jīng)谷子根系水浸提液處理下的谷子幼苗CAT保護(hù)酶活性由強(qiáng)到弱依次為稀釋50倍液、稀釋10倍液、稀釋100倍液、原液，其中原液、稀釋100倍液處理下的幼苗CAT活性分別比對(duì)照降低了29.86%、7.25%，且原液處理下的幼苗CAT活性與對(duì)照相比差異顯著(P<0.05)。而在稀釋10倍、50倍液處理下的幼苗CAT活性分別比對(duì)照增加了8.92%、45.70%，且稀釋50倍液處理下的幼苗CAT活性顯著高于對(duì)照(P<0.05)。

圖4 根系水浸提液對(duì)谷子苗期CAT活性的影響Fig.4 Effect of water extracts of root on CAT activity of foxtail millet at seedling stage

2.4 谷子根系水浸提液對(duì)其幼苗的化感綜合效應(yīng)分析

不同濃度谷子根系水浸提液對(duì)其種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響不同。即對(duì)其的化感作用不同，使用單一指標(biāo)進(jìn)行化感作用評(píng)價(jià)具有片面性。本試驗(yàn)中分別對(duì)所有處理指標(biāo)進(jìn)行化感效應(yīng)指數(shù)(RI)求值，再分別將不同處理所有指標(biāo)RI值求得算術(shù)平均值，即化感綜合效應(yīng)指數(shù)。化感綜合效應(yīng)指數(shù)(SE)可整體反應(yīng)供體對(duì)受體的化感作用強(qiáng)度，SE值越小，抑制作用越強(qiáng)，反之越弱[24]。由表2可知，原液處理下的種子根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)化感效應(yīng)指數(shù)、化感綜合效應(yīng)指數(shù)分別為-0.88、-0.73、-0.80，均為負(fù)值，表明谷子根系水浸提液處理對(duì)其種子根芽的生長(zhǎng)具有化感抑制作用。而稀釋10倍、50倍、100倍液處理下種子根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)化感效應(yīng)指數(shù)分別為0.20、0.09和0.18、0.15和0.06、0.18，均為正值，并且3種處理下的化感綜合效應(yīng)指數(shù)分別為0.14、0.16、0.12，表明該處理對(duì)種子根芽的生長(zhǎng)具有化感促進(jìn)作用。

表2 谷子根系水浸提液對(duì)其種子萌發(fā)的化感綜合效應(yīng)分析Table 2 Allelopathic effect of water extracts of foxtail millet on the seed germination

原液處理下的谷子幼苗株高、葉長(zhǎng)、葉寬、葉面積、SOD、POD、CAT化感效應(yīng)指數(shù)以及化感綜合效應(yīng)指數(shù)分別為-0.18、-0.33、-0.27、-0.51、-0.75、-0.12、-0.30、-0.35，說(shuō)明該處理對(duì)谷子幼苗的生長(zhǎng)具有化感抑制作用。稀釋10倍液處理下的的葉長(zhǎng)、葉面積、POD活性與稀釋100倍液處理下的葉長(zhǎng)、POD活性、CAT活性的化感效應(yīng)指數(shù)雖均為負(fù)值，但其與稀釋50倍液處理下的化感綜合效應(yīng)指數(shù)分別為0.02、0.01、0.18，均為正值，說(shuō)明該處理對(duì)谷子幼苗的生長(zhǎng)具有化感促進(jìn)作用，且稀釋50倍液處理對(duì)谷子幼苗的化感促進(jìn)作用最強(qiáng)。

表3 谷子根系水浸提液對(duì)其幼苗生長(zhǎng)的化感綜合效應(yīng)分析Table 3 Allelopathic effect of water extracts of foxtail millet on the seedling growth

3 討論與結(jié)論

大量的研究結(jié)果表明，引起作物連作障礙的重要的自毒物質(zhì)是酚酸類化合物[25]。目前已證明的酚類化感物質(zhì)的數(shù)量要多于其它所有類型化感物質(zhì)的總量,且水溶性特征使得酚類化感物質(zhì)很容易被自然條件下的雨霧淋溶和土壤吸收[26]。而在土壤與微生物的作用下，土壤中的化感物質(zhì)很容易被轉(zhuǎn)化為其它物質(zhì)，且很可能會(huì)改變其化感強(qiáng)度[25]。也有研究證明，高濃度的水花生根系浸提液對(duì)馬尼拉草的抑制作用高于根際土水浸提液[27]。鐵桿蒿根系水浸提液顯著抑制茵陳蒿的生長(zhǎng)，而其根際土浸提液會(huì)促進(jìn)茵陳蒿的生長(zhǎng)[28]。本試驗(yàn)中谷子根系水浸提液原液的自毒物質(zhì)濃度要高于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中谷子直接作用于土壤中產(chǎn)生的自毒物質(zhì)濃度。

研究表明，與大多數(shù)利用水浸提液方法研究作物化感作用的研究結(jié)果相似[29～31]，谷子根系水浸提液對(duì)谷子種子根芽的生長(zhǎng)及其幼苗生長(zhǎng)發(fā)育的化感作用總體規(guī)律也表現(xiàn)為：高濃度抑制，低濃度促進(jìn)。

植物萌發(fā)種子的根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)是測(cè)量其生物量的常用指標(biāo)，并且這些指標(biāo)在受到外界脅迫時(shí)通常比較敏感。原液處理下的萌發(fā)種子根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)均受到了顯著的化感抑制作用，而其他處理對(duì)萌發(fā)種子根、芽的生長(zhǎng)均表現(xiàn)為化感促進(jìn)作用，這與前人在苜蓿[32]、百合[33]中的結(jié)論類似。另外，株高、葉面積也是重要的生物測(cè)定指標(biāo)。原液處理下的谷子幼苗株高、葉寬、葉面積均受到了顯著的化感抑制作用。而稀釋50倍液處理下的谷子幼苗株高、葉長(zhǎng)、葉寬、葉面積均顯著高于對(duì)照，受到了較強(qiáng)的化感促進(jìn)作用。稀釋10倍、100倍液處理下的幼苗株高、葉寬均高于對(duì)照，且稀釋100倍液處理下的幼苗葉面積顯著高于對(duì)照，也表現(xiàn)出較弱的化感促進(jìn)作用。

植物體內(nèi)存在一套處于逆境時(shí)可發(fā)揮重要作用的抗氧化保護(hù)酶系統(tǒng)，主要通過(guò)SOD、POD、CAT等保護(hù)酶清除植物體內(nèi)有害的活性氧自由基。一般認(rèn)為，化感物質(zhì)能夠引發(fā)植物體內(nèi)活性氧的增加，進(jìn)而影響SOD、POD、CAT等抗氧化酶活性，干擾植物的抗氧化代謝[34]。烯禾啶脅迫下，谷子愈傷組織SOD、POD活性的增加起到了緩解除草劑要害的效果[35]。谷子在受到闊世瑪脅迫下，其抗氧化酶活性隨著濃度的增加，表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，說(shuō)明該除草劑對(duì)谷子的生長(zhǎng)造成了傷害[36]。西瓜根系水浸提液中的自毒物質(zhì)抑制了西瓜幼苗中的SOD、POD活性，影響了幼苗的生長(zhǎng)[37]。不同濃度的藿香根系水浸提液抑制了藿香幼苗中SOD、POD、CAT活性，破壞了其細(xì)胞內(nèi)的活性氧清除機(jī)制[14]。白菜菜心水浸提液中的自毒物質(zhì)顯著抑制了其保護(hù)酶活性[38]。本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，原液處理下的谷子幼苗SOD、POD、CAT活性均顯著低于對(duì)照，說(shuō)明在高濃度處理下，細(xì)胞自身的保護(hù)機(jī)制已無(wú)法正常發(fā)揮作用。而稀釋10倍、50倍液處理下的谷子幼苗SOD、POD、CAT活性均高于對(duì)照，稀釋100倍液處理下SOD、POD、CAT活性與對(duì)照相比無(wú)顯著差異，說(shuō)明谷子幼苗在受到脅迫時(shí)，低濃度的谷子根系水浸提液可誘導(dǎo)其自身的保護(hù)機(jī)制發(fā)揮作用，通過(guò)增加保護(hù)酶活性抵抗逆境，或者是產(chǎn)生的毒害物質(zhì)沒有達(dá)到自毒作用的臨界值，在谷子自身可調(diào)節(jié)的范圍內(nèi)，并且能夠積極誘導(dǎo)其進(jìn)行自我保護(hù)。

綜上所述，谷子根系水浸提液中確實(shí)存在有水溶性化感物質(zhì)，高濃度處理(原液)對(duì)谷子種子的萌發(fā)和幼苗的生長(zhǎng)產(chǎn)生顯著的化感抑制作用，即自毒作用；低濃度處理(稀釋10倍、50倍、100倍液)對(duì)谷子種子的萌發(fā)和幼苗的生長(zhǎng)產(chǎn)生一定的化感促進(jìn)作用。因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，我們要考慮到谷子自毒作用的存在，忌連作，減輕其對(duì)谷子生長(zhǎng)的影響，也可以利用其化感作用選擇合適的作物種類進(jìn)行輪作或適當(dāng)?shù)慕斩掃€田，達(dá)到緩解谷子連作障礙的目的。