玉米和馬鈴薯根系分泌物對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)的影響

字淑慧,吳開(kāi)賢,歐陽(yáng)鋮人,范志偉,楊友瓊,周 鋒,吳伯志

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院,云南 昆明 650201)

根系分泌物(Root exudates)是指健康完整的活體植物根系向周?chē)寥泪尫诺幕瘜W(xué)物質(zhì)總稱(chēng)[1]，是特定環(huán)境下植物根系生命活動(dòng)與周?chē)参锛巴寥郎鷳B(tài)環(huán)境之間的化學(xué)媒介[2]。研究表明，根系分泌物是“植物-植物”間根際交流的“語(yǔ)言”和“效應(yīng)器”[3]，植物通過(guò)根系分泌物攜帶的特定信息，高度傳達(dá)著鄰近植物的特定身份[4]，并引起整個(gè)根際微環(huán)境產(chǎn)生不同的反應(yīng)[5]，進(jìn)而對(duì)鄰近植物產(chǎn)生促進(jìn)或抑制的化感作用[6-7]。

化感作用是植物通過(guò)地上枝葉和根際釋放的化學(xué)物質(zhì)，直接或間接改變周?chē)w的微環(huán)境，進(jìn)而影響自身及其鄰近植物生長(zhǎng)發(fā)育的現(xiàn)象[8-9]。植物根系分泌物對(duì)鄰近植物產(chǎn)生的促進(jìn)化感作用[10]，是間、套、混作提高產(chǎn)量的基礎(chǔ)[11]，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中起著重要的作用[12-13]。例如，在玉米與大豆間作中，玉米根系分泌物能促進(jìn)大豆根瘤的形成而促進(jìn)玉米的生長(zhǎng)發(fā)育，提高玉米產(chǎn)量[14]；而與花生間作時(shí)，玉米根系分泌物有利于改善花生對(duì)鐵的吸收，進(jìn)而增加花生的產(chǎn)量[15-16]。在馬鈴薯種植過(guò)程中，與連作5 a的馬鈴薯相比，輪作減少了馬鈴薯根系分泌物的酸類(lèi)物質(zhì)種類(lèi)及其含量[17]。這些研究說(shuō)明，在農(nóng)作物種植中，同一作物能根據(jù)鄰近作物的身份，分泌不同的物質(zhì)，形成不同的微環(huán)境，改變種間、種內(nèi)作物的生長(zhǎng)發(fā)育，進(jìn)而影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。

玉米、馬鈴薯是我國(guó)主要的糧食作物，兩作物間、套作是重要的旱地非豆科種植模式，在我國(guó)及世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中多有應(yīng)用，尤其在中國(guó)西南地區(qū)占有重要的位置[18-19]。隨著我國(guó)馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略實(shí)施及糧食安全的推進(jìn)，兩作物間作在保障糧食安全及推進(jìn)馬鈴薯主糧化進(jìn)程中占有舉足輕重的地位，許多學(xué)者就兩種作物間作提高單位面積產(chǎn)量及減少病蟲(chóng)害危害等方面進(jìn)行了大量研究，結(jié)果表明，間作不僅提高了單位面積的產(chǎn)量[20]，還減輕了馬鈴薯連作引起的病、蟲(chóng)、草害[21-22]。但有關(guān)兩作物間作中根系分泌物對(duì)作物生長(zhǎng)的影響研究較少。因此，為進(jìn)一步摸清玉米馬鈴薯間作優(yōu)勢(shì)的機(jī)理，本研究以馬鈴薯為受體，以活體玉米、馬鈴薯為供體，通過(guò)溶液培養(yǎng)技術(shù)收集供體根系分泌物，用盆栽試驗(yàn)研究供體玉米和馬鈴薯的根系分泌物對(duì)受體馬鈴薯生長(zhǎng)的影響，以期為進(jìn)一步闡明兩作物間作優(yōu)勢(shì)的機(jī)制提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于云南農(nóng)業(yè)大學(xué)果樹(shù)認(rèn)知中心大棚內(nèi)(25.13°N，102.75°E)，海拔為1 987 m，年平均溫度14.7 ℃；年降水量960 mm，主要集中在5～9月；年蒸發(fā)量2 384 mm，年日照時(shí)數(shù)為2 617.4 h，無(wú)霜期301 d。

1.2 供試品種

供體馬鈴薯和受體馬鈴薯均選用“會(huì)-2號(hào)”，該品種為云南大面積間套作的耐陰型馬鈴薯。玉米選用“云瑞88”，該品種在云南廣泛種植。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用單因素設(shè)計(jì)，以馬鈴薯植株為受體，活體馬鈴薯和玉米植株為供體，通過(guò)溶液培養(yǎng)法獲取供體根系分泌物，設(shè)馬鈴薯單株澆玉米根系分泌物(P+M-RE)、馬鈴薯單株澆馬鈴薯根系分泌物(P+P-RE)和馬鈴薯單株澆自來(lái)水(CK)3個(gè)處理，每盆為1個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)60次，共180盆，分枝期、盛花期和成熟期每個(gè)處理各取20盆進(jìn)行觀測(cè)；3個(gè)處理在大棚中隨機(jī)擺放，每隔15 d彼此調(diào)換位置，保證處理間不受大棚擺放位置的影響。

供體馬鈴薯植株采用育苗移栽方法。2015年4月20日選取大小為120～150 g的完好馬鈴薯塊莖，用1.25% 次氯酸鈉浸泡5 min消毒，用蒸餾水沖洗，稍干后在沙壤基質(zhì)中育苗20 d，5月10日選取大小均勻、鮮重為7～8 g、株高為12～13 cm、根長(zhǎng)為17～18 cm幼苗進(jìn)行移栽，每盆種植1株。供試基質(zhì)為云南山地紅壤自然風(fēng)干土、蛭石、草炭、育苗有機(jī)肥，按體積比5∶2∶2∶1混合而成。風(fēng)干土混合前用10 mm網(wǎng)篩去除石塊和殘?jiān)入s物，并用多菌靈消毒后與其它3種基質(zhì)按比例混合，裝入黑色塑料盆中(花盆上口徑37 cm，下口徑28 cm，高32 cm)，每盆裝10 kg。風(fēng)干土壤主要營(yíng)養(yǎng)成分為：全氮1.4 g·kg-1，氨態(tài)氮4.34 mg·kg-1，硝態(tài)氮5.38 mg·kg-1，全磷3.21 g·kg-1，速效磷17.0 mg·kg-1，全鉀4.47 g·kg-1，速效鉀113.6 mg·kg-1，有機(jī)質(zhì)24.14 g·kg-1，pH 值5.7。底肥施尿素(N ≥46.4%)，馬鈴薯施用量為2.8 g·株-1、玉米施用量為3.2 g·株-1，兩作物施硫酸鉀(K2O≥50%)為12.1 g·株-1，施過(guò)磷酸鈣(P2O5≥16.0%)為2.5 g·株-1；施用時(shí)將3種肥料混合后與準(zhǔn)備好的基質(zhì)充分混勻。為保證受體馬鈴薯生育期內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)，移栽后20 d，每5 d澆1次霍格蘭營(yíng)養(yǎng)液至成熟期，追肥第1次為6月1日(尿素5.8 g·株-1，硫酸鉀12.1 g·株-1，過(guò)磷酸鈣12.5 g·株-1)、第2次為6月20日(尿素12.0 g·株-1，其他同前)、第3次為7月20日(方法同第2次)。各處理除草、病蟲(chóng)害防治等管理措施均保持一致。

1.4 根系分泌物制備及澆灌方式

供體玉米和馬鈴薯根系分泌物制備采用溶液培養(yǎng)法。供體培育：馬鈴薯采用沙壤基質(zhì)進(jìn)行育苗至2葉1心，玉米采用瓷盤(pán)育苗至2葉1心，于2015年4月1日移栽入水培裝置中，用霍格蘭營(yíng)養(yǎng)液氣噴法(每5 min噴霧1次)和葉面噴施法(每天早、晚各1次)培養(yǎng)成健壯植株，培養(yǎng)期間，每5 d更換1次營(yíng)養(yǎng)液，并用消毒水對(duì)裝置進(jìn)行清洗，保證植株生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)和無(wú)菌狀態(tài)。根系分泌物制備：4月20日開(kāi)始，每5 d結(jié)合清洗裝置和更換營(yíng)養(yǎng)液收集根系分泌物，收集時(shí)，將2 000 ml去離子水倒入清洗好的裝置中，氣噴法(每5 min噴霧1次)進(jìn)行8 h后，收集溶液于塑料瓶中，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行過(guò)濾，貯存于4°冰箱中，備用。

澆灌受體馬鈴薯植株的方式：植株移栽后10 d(2015年5月20日)開(kāi)始，每7 d量取儲(chǔ)備原液進(jìn)行根際澆灌1次，共澆10次(至2015年8月12日)，澆灌量根據(jù)受體植株生長(zhǎng)從少到多進(jìn)行，具體為500 ml·盆-1、500 ml·盆-1、800 ml·盆-1、800 ml·盆-1、1 000 ml·盆-1、1 000 ml·盆-1、1 500 ml·盆-1、1 500 ml·盆-1、2 000 ml·盆-1、2 000 ml·盆-1，CK用等量自來(lái)水澆灌。在7 d之中，根據(jù)墑情補(bǔ)澆自來(lái)水，保證植株正常生長(zhǎng)，同時(shí)保證澆灌液和補(bǔ)充的水分不流出盆底。

1.5 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.5.1 數(shù)據(jù)采集 分別于分枝期、盛花期和成熟期3個(gè)時(shí)期，分地上部和地下部生長(zhǎng)性狀、生物量及產(chǎn)量指標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)。觀測(cè)時(shí)，每個(gè)處理均隨機(jī)取20盆(共20株)，從齊土面剪斷植株，先用鋼卷尺測(cè)定自然高度，再帶回實(shí)驗(yàn)室，按每株莖、葉、根、塊莖分別稱(chēng)其鮮重，裝入有編號(hào)的資料袋中，105℃殺青30 min后，70℃下烘至恒重，稱(chēng)重測(cè)量各部分的生物量。

1.5.2 根系分泌物化感效應(yīng)評(píng)估 化感效應(yīng)評(píng)估：采用化感效應(yīng)敏感指數(shù)(Allelopathic response index，RI)指標(biāo)[23]，對(duì)供體根系分泌物產(chǎn)生的化感效應(yīng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。即：當(dāng)T≥C時(shí)，RI=1-C/T；當(dāng)T0時(shí)，表現(xiàn)為促進(jìn)作用；當(dāng)RI<0時(shí)，表現(xiàn)為抑制作用；絕對(duì)值的大小與化感效應(yīng)強(qiáng)度一致。

馬鈴薯干物質(zhì)轉(zhuǎn)化率(DMME)和貢獻(xiàn)率(DMCR)的評(píng)估：以塊莖干物質(zhì)積累為基礎(chǔ)，采用馬鈴薯盛花期的營(yíng)養(yǎng)干物質(zhì)轉(zhuǎn)移率和貢獻(xiàn)率指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)一步說(shuō)明根系分泌物對(duì)馬鈴薯塊莖形成的影響。馬鈴薯干物質(zhì)積累首先是光合作用合成的有機(jī)物按同化物運(yùn)輸?shù)脑瓌t輸送到塊莖，其次通過(guò)植株?duì)I養(yǎng)器官有機(jī)物再分配和再利用的原則轉(zhuǎn)運(yùn)至塊莖。干物質(zhì)積累量越多，說(shuō)明根系分泌物對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量形成越有利。假設(shè)馬鈴薯營(yíng)養(yǎng)器官干物質(zhì)沒(méi)有損失的情況下，營(yíng)養(yǎng)器官干物質(zhì)轉(zhuǎn)移率及貢獻(xiàn)率為[24]: 營(yíng)養(yǎng)器官干物質(zhì)轉(zhuǎn)移率(DMME)=(盛花期干物重-成熟期干物重)/盛花期干物重×100%；營(yíng)養(yǎng)器官干物質(zhì)貢獻(xiàn)率(DMCR)=(盛花期干物重-成熟期干物重)/成熟期塊莖干物重×100%。

1.6 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2007對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行錄入、匯總、整理與繪圖，分析采用SPSS 17.0軟件對(duì)所有指標(biāo)進(jìn)行多重比較(Duncana法) ，顯著水平均為P<0.05，極顯著水平均為P<0.01。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同根系分泌物對(duì)馬鈴薯塊莖形成的影響

在分枝期、盛花期和成熟期3個(gè)時(shí)期內(nèi)，供體玉米根系分泌物(M-RE)和馬鈴薯根系分泌物(P-RE)對(duì)受體馬鈴薯(P)塊莖形成的影響不同，整體表現(xiàn)為M-RE對(duì)塊莖形成具有促進(jìn)作用，P-RE則表現(xiàn)為抑制作用(表1)。分枝期為營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期，供體M-RE和P-RE對(duì)受體馬鈴薯塊莖的形成影響較小，與CK相比，P+M-RE處理增加了9.1%，P+P-RE減少了4.2%，處理間差異不顯著；盛花期為塊莖形成期，供體M-RE促進(jìn)了受體P的塊莖形成，使P+M-RE塊莖生物量分別比P+P-RE、CK處理增加了42.4%和28.8%，P+P-RE比CK減少了23.7%，處理間差異為極顯著；成熟期為塊莖膨大期，P+M-RE塊莖生物量比P+P-RE、CK增加了28.5%和8.2%，P+P-RE比CK減少了28.4%，處理間差異為顯著(見(jiàn)表1)；在馬鈴薯的整個(gè)生育期內(nèi)，2種供體的根系分泌物對(duì)受體塊莖個(gè)數(shù)影響較小，而對(duì)馬鈴薯塊莖大小影響較大。說(shuō)明2種根系分泌物對(duì)馬鈴薯塊莖生長(zhǎng)的影響主要在塊莖增大期至淀粉積累期，玉米根系分泌物顯著促進(jìn)了塊莖生物量的增加，而馬鈴薯根系分泌物則顯著降低了塊莖的生物量。

2.2 不同根系分泌物對(duì)馬鈴薯地上和地下生物量分配的影響

供體玉米和馬鈴薯的根系分泌物對(duì)受體馬鈴薯(P)生物量形成及分配的影響差異較大，前者促進(jìn)了受體P地上、地下部生物量的形成，后者則減少了受體P地上部生物量的形成，2種供體均增加了受體P的根冠比和減少了莖葉比(圖1)。分枝期、盛花期和成熟期，與CK相比，P+M-RE處理地上部生物量分別提高了8.3%、8.7%、12.7%，P+P-RE處理分別降低了1.7%、9.2%、12.9%(圖1a)；P+M-RE處理地下部生物量分別提高了12.3%、45.6%、7.5%，而P+P-RE處理分枝期和成熟期分別降低了5.5%和20.9%，盛花期提高了30.7%，處理間差異達(dá)顯著水平(圖1c)。3個(gè)觀測(cè)時(shí)期內(nèi)P+M-RE和P+P-RE兩個(gè)處理莖葉比均比CK低，特別是成熟期分別降低了17.1%和10.8%，處理間差異為顯著(圖1b)；P+M-RE和P+P-RE處理根冠比較CK降低了21.2%和5.3%，盛花期和成熟期分別提高了64.1%、42.5%和56.8%、40.1%，處理間差異為極顯著(圖1d)。由此說(shuō)明，玉米根系分泌物不僅促進(jìn)了馬鈴薯地上、地下部生物量的形成，也增加了地下部生物量的分配，促進(jìn)了地下塊莖的形成和膨大；而馬鈴薯根系分泌物則抑制了地上、地下部生物量的形成，減少了地下部生物量的分配，影響了塊莖的膨大。

表1 不同根系分泌物對(duì)馬鈴薯塊莖生物量和塊莖個(gè)數(shù)的影響

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，同列數(shù)據(jù)中不同小寫(xiě)字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，不同大寫(xiě)字母表示處理間差異極顯著(P<0.01)。下同。

Note: The data are means of three replicates ± standard error, values in the same column followed by different capital and lowercase letters are significantly differences at 0.01and 0.05 levels in Duncan test. The same below.

注：相同生育期內(nèi)，不同小寫(xiě)字母表示處理間差異顯著。Note: During the same growth period, the different lowercase letters indicate significant difference between treatments.圖1 不同根系分泌物對(duì)馬鈴薯地上、地下部生物量大小的影響Fig.1 Comparison of aboveground and underground biomass of potatoes treated with different root exudates

圖2 不同生育期馬鈴薯化感效應(yīng)比較Fig.2 Comparison of allelopathic effects of potato at different growth periods

2.3 不同根系分泌物對(duì)馬鈴薯的化感效應(yīng)

將供體玉米根系分泌物(M-RE)和馬鈴薯根系分泌物(P-RE)對(duì)受體馬鈴薯(P)在分枝期、盛花期和成熟期3個(gè)時(shí)期產(chǎn)生的化感敏感指數(shù)(RI)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)M-RE對(duì)馬鈴薯地上、地下部生長(zhǎng)均表現(xiàn)為促進(jìn)作用(RI>0)，而P-RE對(duì)地下部根系生長(zhǎng)的抑制作用(RI<0)大于其他部位(圖2)。其中，P+M-RE處理的葉片、莖稈、根系和塊莖的RI>0，化感敏感程度根系最強(qiáng)，莖稈最弱，敏感程度依次為根系>葉>塊莖>莖稈；P+P-RE處理除分枝期、盛花期的葉片和塊莖RI>0外，其余時(shí)期內(nèi)4個(gè)觀測(cè)指標(biāo)均表現(xiàn)為RI<0，特別是根系，整個(gè)生育期均表現(xiàn)為RI<0(圖2)。進(jìn)一步說(shuō)明，玉米根系分泌物對(duì)馬鈴薯地上、地下部生長(zhǎng)均具有促進(jìn)作用，對(duì)根系的促進(jìn)作用更明顯，而馬鈴薯根系分泌物主要抑制了地下根系和塊莖膨大。

2.4 不同根系分泌物對(duì)馬鈴薯干物質(zhì)轉(zhuǎn)移率和貢獻(xiàn)率的影響

與CK相比，澆玉米根系分泌物(M-RE)和馬鈴薯根系分泌物(P-RE)均提高了盛花期馬鈴薯干物質(zhì)轉(zhuǎn)移率(DMME)及貢獻(xiàn)率(DMCR)的比例，且M-RE提高了馬鈴薯干物質(zhì)的DMME(表2)。其中，P+M-RE和P+P-RE處理的DMME分別比CK提高了45.6%和30.7%，DMCR比CK提高了48%和43.9%，處理間差異為顯著和極顯著。說(shuō)明，2種供體根系分泌物均能提高馬鈴薯干物質(zhì)轉(zhuǎn)移率和貢獻(xiàn)率，且玉米根系分泌物的作用更明顯。

3 討論與結(jié)論

本試驗(yàn)通過(guò)利用供體玉米和馬鈴薯根系分泌物澆灌受體馬鈴薯，發(fā)現(xiàn)玉米根系分泌物對(duì)馬鈴薯的地上莖葉和地下根系及塊莖的生長(zhǎng)及膨大具有凈促進(jìn)作用，而馬鈴薯根系分泌物則表現(xiàn)為抑制作用(表1，圖1、圖2)，這為進(jìn)一步闡明玉米馬鈴薯間作的生物學(xué)機(jī)理提供了一定的理論參考，也為研究其他間套作的化感效應(yīng)提供了借鑒依據(jù)。

研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，作物與作物之間的化感效應(yīng)在種間一般表現(xiàn)為促進(jìn)作用，在種內(nèi)表現(xiàn)為抑制或自毒作用[5，9,24-27]，因此，為提高單位面積的總產(chǎn)量及減少病蟲(chóng)害，種植業(yè)中常采用間套混作及輪作。本試驗(yàn)中，用玉米根系分泌物澆馬鈴薯，促進(jìn)了馬鈴薯的生長(zhǎng)和塊莖形成，這一結(jié)果與郭彩萍等人[28]利用玉米馬鈴薯地上部分莖葉浸泡液澆灌玉米，發(fā)現(xiàn)促進(jìn)玉米生長(zhǎng)及提高產(chǎn)量性狀的結(jié)果相似，也與董淑琦等人[29]用谷子莖稈、葉片的浸提液澆玉米幼苗，對(duì)玉米幼苗的生長(zhǎng)具有促進(jìn)生長(zhǎng)的研究結(jié)果類(lèi)似；而用馬鈴薯根系分泌物澆馬鈴薯則對(duì)地下根系和塊莖膨大產(chǎn)生了抑制作用，這一結(jié)果與萬(wàn)年鑫等人[30]利用馬鈴薯根、莖、葉不同部位浸提液澆馬鈴薯具有自毒效應(yīng)及對(duì)根系生長(zhǎng)產(chǎn)生了抑制作用的結(jié)論一致。

本試驗(yàn)為了更好地說(shuō)明供體根系分泌物的化感效應(yīng)，采用單株盆栽種植，以避免密度或種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)生效應(yīng)的影響；同時(shí)用無(wú)離子水通過(guò)溶液培養(yǎng)法收集根系分泌物原液直接進(jìn)行澆灌，并隨著植物生長(zhǎng)而增加澆灌量，以增加受體對(duì)根系分泌物的吸收量，使試驗(yàn)更能說(shuō)明供體與受體之間的化感程度。結(jié)果表明，供體玉米根系分泌對(duì)受體馬鈴薯的影響，無(wú)論對(duì)地上部分的莖葉生長(zhǎng)，還是對(duì)地下部分的根系及塊莖生長(zhǎng)，化感效應(yīng)指數(shù)RI>0，均為顯著的促進(jìn)作用(表2和圖2)，特別是對(duì)地下根系和塊莖的形成尤為突出(圖1)；而供體馬鈴薯根系分泌物對(duì)同種馬鈴薯的影響較為復(fù)雜，除對(duì)根系生長(zhǎng)始終具有抑制作用外，對(duì)塊莖和葉片的影響，盛花期前表現(xiàn)為促進(jìn)作用，成熟期表現(xiàn)為抑制作用，對(duì)莖稈基本表現(xiàn)為抑制作用(圖1、圖2)。由此說(shuō)明，玉米根系分泌物對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)發(fā)育具有促進(jìn)作用，而馬鈴薯根系分泌物對(duì)馬鈴薯地上莖葉和地下根系及塊莖生長(zhǎng)具有抑制作用，這種促進(jìn)和抑制的化感效應(yīng)正是玉米馬鈴薯間套作高產(chǎn)的基礎(chǔ)之一。

綜上所述，玉米根系分泌物對(duì)馬鈴薯地上、地下部生長(zhǎng)均具有促進(jìn)作用，對(duì)地下根系和塊莖生長(zhǎng)的促進(jìn)作用更明顯，而馬鈴薯根系分泌物則表現(xiàn)為抑制作用，對(duì)地下部生長(zhǎng)的抑制作用更突出，這為揭示玉米馬鈴薯間作體系增產(chǎn)機(jī)制提供了一定的理論參考。