燕麥種子不同部位浸提液對(duì)油菜的化感效應(yīng)

黎 蓉， 慕 平， 趙桂琴， 柴繼寬， 金小雯， 茍智強(qiáng)， 李娟寧， 孫浩洋

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室/甘肅省草業(yè)工程試驗(yàn)室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心， 甘肅 蘭州730070；2. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070)

燕麥(Avenasativa)廣泛種植于我國北方地區(qū)，是主要的一年生糧飼兼用作物[1]，但其長期單一的種植結(jié)構(gòu)，已經(jīng)嚴(yán)重影響到燕麥的品質(zhì)和產(chǎn)量，造成連作困難。因此農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中通常將燕麥與油菜(Brassicanapus)、馬鈴薯(Solanumtuberosum)等作物輪作或倒茬種植來減少損失。但油菜在成熟和收獲過程中容易裂莢，種子落入土壤長出的自生苗容易成為下茬燕麥田間的優(yōu)勢(shì)雜草，通過與燕麥競(jìng)爭(zhēng)光照、水分、養(yǎng)料和地上地下空間，成為限制燕麥產(chǎn)量和品質(zhì)的主要因子。因此研究燕麥與油菜之間的生物化學(xué)作用，對(duì)燕麥的生產(chǎn)具有重要意義。

化感作用是指活體植物或植物組織通過向環(huán)境中釋放能直接或間接影響同種或者異種植物種子萌發(fā)和幼苗生長的特定物質(zhì)，并產(chǎn)生促進(jìn)或抑制的作用，但在大多情況下表現(xiàn)抑制作用[2]。研究發(fā)現(xiàn)，一些有性繁殖的植物種子在其萌發(fā)階段能釋放出大量影響鄰近環(huán)境中微生物或者其他植物的物質(zhì)[3]。貓爪草(RadixRanunculi)種子浸提液對(duì)小麥(Triticumaestivum)種子萌發(fā)表現(xiàn)出低濃度促進(jìn)高濃度抑制的效應(yīng)，對(duì)蘇丹草(Sorghumsudanense)表現(xiàn)促進(jìn)效應(yīng)，對(duì)野大豆(Glycinesoja)為抑制效應(yīng)[4]。另有研究顯示，寬葉羌活(Notopterygiumforbesii)、唐古特白刺(Nitrariatangutorum)和南方紅豆杉(Taxuschinensis)等種子釋放的化感物質(zhì)也均具有抑制其他植物種子萌發(fā)的特性[5-7]。此外，一些禾本科植物種子的穎殼中也具有能抑制雜草種子萌發(fā)的化感物質(zhì)，如：水稻(Oryzasativa)穎殼中的關(guān)鍵化感物質(zhì)稻殼酮B，能顯著抑制雜草種子萌發(fā)[8]。早在上世紀(jì)60年代中旬，就有相關(guān)研究證實(shí)一些燕麥也具有化感潛力，Guenzi等[9]在燕麥殘茬中發(fā)現(xiàn)了能抑制鄰近植物地上部分的生長酚酸類物質(zhì)。Duke[10]研究表明這些酚酸類物質(zhì)被作為不同植物生理和生化過程的抑制劑。也有研究發(fā)現(xiàn)一些燕麥種子中也含有某些能影響植物生長發(fā)育的化合物，如80%乙醇浸提液對(duì)高羊茅(Festucaelata)、多年生黑麥草(Loliumperenne)和白三葉(Trifoliumrepens)種子萌發(fā)表現(xiàn)出低濃度促進(jìn)、高濃度抑制的效應(yīng)[11]，但關(guān)于其去殼種子和穎殼的化感作用未見針對(duì)性報(bào)道。

鑒于此，本文以隴燕3號(hào)的完整種子、去殼種子、穎殼為供體材料，研究其水浸提液對(duì)油菜種子萌發(fā)和幼苗生長的影響，明確燕麥種子不同部位水浸提液的化感作用機(jī)制，為燕麥在該領(lǐng)域的研究提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所用燕麥品種為隴燕3號(hào)皮燕麥(Avenasativa‘Longyan No.3’)，受試材料為油菜，均由甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院提供。

1.2 試驗(yàn)方法

浸提液制備：參照董林林等[12]的方法，采用水浸提法，在前期燕麥種子浸提液濃度預(yù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確稱取32 g用2%次氯酸鈉已消毒的燕麥種子兩份，取其中一份將穎殼剝下，稱重為10 g。然后將完整種子、去殼種子和穎殼粉碎并分別裝入三角瓶，加100 mL無菌水，先用超聲波(40 kHz，150 W，30 min)輔助浸提，然后置于室溫下浸提24 h，浸提期間手搖6～7次。浸提結(jié)束后用兩層紗布過濾，再將濾液進(jìn)行二次抽濾，即得到質(zhì)量濃度分別為320 mg·mL-1，220 mg·mL-1和100 mg·mL-1的完整種子、去殼種子以及穎殼浸提液。將3種浸提液分別用無菌水對(duì)半稀釋，共稀釋5次，即分別得到濃度依次為160 mg·mL-1，80 mg·mL-1，40 mg·mL-1，20 mg·mL-1和10 mg·mL-1的完整種子浸提液，110 mg·mL-1，55 mg·mL-1，27.5 mg·mL-1，13.75 mg·mL-1和6.88 mg·mL-1的去殼種子浸提液，以及50 mg·mL-1，25 mg·mL-1，12.5 mg·mL-1，6.25 mg·mL-1和3.12 mg·mL-1的穎殼浸提液。4℃儲(chǔ)存?zhèn)溆谩?/p>

浸提液生物活性測(cè)定：將油菜種子用2%次氯酸鈉消毒15 min，再用無菌水反復(fù)沖洗5～6次，晾干備用。采用培養(yǎng)皿(直徑9 cm)濾紙發(fā)芽法，于培養(yǎng)皿中鋪入兩層濾紙，分別加入5 mL不同濃度的浸提液，對(duì)照加5 mL無菌水，各處理均重復(fù)3次。然后均勻放置50粒油菜種子，置于智能光照培養(yǎng)箱中(溫度25℃±1℃，濕度50%，16 h/8 h光暗周期)。每天同一時(shí)間統(tǒng)計(jì)油菜種子發(fā)芽數(shù)(種子發(fā)芽以胚根長≥1 mm為標(biāo)準(zhǔn))，每隔3 d補(bǔ)加2 mL的浸提液或無菌水。7 d結(jié)束發(fā)芽，每皿隨機(jī)拔出10株完整油菜幼苗，采用精確度為0.01的游標(biāo)卡尺測(cè)定其根長和芽長。

1.3 燕麥種子水浸提液化感潛力評(píng)價(jià)

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

參照田迎迎[13]和劉艷等[14]方法，采用萌發(fā)速度指數(shù)(I)對(duì)油菜種子萌發(fā)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(I)= 2×(7X1+6X2+5X3+4X4+3X5+2X6+X7)

I：萌發(fā)速度指數(shù)；X：每隔24 h雜草種子發(fā)芽數(shù)。

化感效應(yīng)指數(shù)：參照Williamson等[15]對(duì)化感效應(yīng)的評(píng)價(jià)方法對(duì)燕麥完整種子、去殼種子、穎殼水浸提液的化感潛力進(jìn)行評(píng)價(jià)，用化感作用效應(yīng)指數(shù)(Response index，RI)評(píng)價(jià)化感作用的強(qiáng)弱。

RI=1-C/T，T≥C；RI=T/C-1，T

當(dāng)RI≥0時(shí)，為促進(jìn)作用；當(dāng)RI<0時(shí)，為抑制作用，RI絕對(duì)值的大小與作用強(qiáng)度一致。式中，C為對(duì)照值，T為處理值。

綜合效應(yīng)(Synthetical effect，SE)：是供體對(duì)同一受體各項(xiàng)指標(biāo)(油菜種子發(fā)芽率、萌發(fā)速度指數(shù)、幼苗根長、芽長)RI值的算數(shù)平均值，用SE絕對(duì)值大小綜合評(píng)價(jià)化感作用強(qiáng)度。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，用SPSS 19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 燕麥種子不同部位浸提液對(duì)油菜種子萌發(fā)及幼苗生長的影響

種子萌發(fā)是植物生命周期中的關(guān)鍵階段，對(duì)植物生長發(fā)育至關(guān)重要。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，種子萌發(fā)率和萌發(fā)速度指數(shù)降低，以及幼苗非正常生長都會(huì)導(dǎo)致作物有效株數(shù)下降,進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)量降低[16]。表1表明，完整種子浸提液對(duì)油菜種子萌發(fā)和幼苗生長產(chǎn)生顯著影響。10 mg·mL-1時(shí)對(duì)其發(fā)芽率無明顯影響，但其萌發(fā)速度指數(shù)、根長和芽長均受到明顯促進(jìn)作用。20 mg·mL-1和 40 mg·mL-1時(shí)對(duì)其萌發(fā)速度指數(shù)和芽長為促進(jìn)作用，對(duì)發(fā)芽率和根長為抑制作用，出現(xiàn)“根短芽長”的現(xiàn)象。80 mg·mL-1和160 mg·mL-1時(shí)對(duì)其發(fā)芽率、萌發(fā)速度指數(shù)和根的生長均表現(xiàn)出顯著抑制作用，對(duì)其芽長表現(xiàn)為促進(jìn)作用，但較20 mg·mL-1和 40 mg·mL-1時(shí)有所減弱。320 mg·mL-1時(shí)發(fā)芽率、萌發(fā)速度指數(shù)、根長和芽長均受到顯著抑制作用，分別較對(duì)照降低97.66%，98.91%，84.19%和43.55%。

去殼種子浸提液對(duì)油菜萌發(fā)指標(biāo)的影響各異(表2)，浸提液濃度為6.88 mg·mL-1時(shí)根長較對(duì)照增加2.24%；13.75 mg·mL-1時(shí)芽長較對(duì)照增加24.21%，其他指標(biāo)沒有受到顯著影響；27.5 mg·mL-1時(shí)，其發(fā)芽率沒有受到顯著影響，萌發(fā)速度指數(shù)和根長均被抑制，分別較對(duì)照降低7.58%和3.80%，其芽長則較對(duì)照增加26.46%。55～220 mg·mL-1浸提液濃度下，其種子萌發(fā)和幼苗根長均受到顯著抑制，并隨浸提液濃度增加抑制作用增強(qiáng)；對(duì)芽長為促進(jìn)作用，且出現(xiàn)“根短芽長”的現(xiàn)象。

表1 完整種子浸提液對(duì)油菜種子萌發(fā)和幼苗生長的影響Table1 Effect of whole seed extract on the seed germination and seedling growth of rapeseed

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同

Note:Different lowercase letters in the same column indicate significant difference at the 0.05 level, The same as below

表2 去殼種子浸提液對(duì)油菜種子萌發(fā)和幼苗生長的影響Table 2 Effect of dehulled seed extract on the seed germination and seedling growth of rapeseed

不同濃度穎殼浸提液處理均顯著影響油菜各萌發(fā)指標(biāo)(表3)。發(fā)芽率、萌發(fā)速度指數(shù)、根長均被抑制，且隨著浸提液濃度增加抑制作用增強(qiáng)；芽的生長則隨浸提液濃度的增加而增長，也出現(xiàn)“根短芽長”的現(xiàn)象。100 mg·mL-1穎殼浸提液對(duì)各指標(biāo)的影響均最大，發(fā)芽率、萌發(fā)速度指數(shù)、根長分別較對(duì)照降低37.50%，50.66%和47.29%；芽長則較對(duì)照增加66.26%。

表3 穎殼浸提液對(duì)油菜種子萌發(fā)和幼苗生長的影響Table 3 Effect of hull extract on the seed germination and seedling growth of rapeseed

2.2 燕麥種子不同部位浸提液對(duì)油菜的化感綜合效應(yīng)

燕麥種子不同部位浸提液及其濃度對(duì)油菜的化感強(qiáng)度差異顯著(表4)。不同濃度的完整種子浸提液對(duì)油菜種子發(fā)芽率、萌發(fā)速度指數(shù)、根長和芽長的化感效應(yīng)指數(shù)均呈現(xiàn)隨浸提液濃度的增大而減小的趨勢(shì)，其綜合效應(yīng)也隨之減小(表5)。在完整種子浸提液處理下，油菜種子發(fā)芽率和萌發(fā)速度指數(shù)的化感效應(yīng)在低濃度(10～40 mg·mL-1)浸提液處理下為正值，表現(xiàn)為促進(jìn)作用；高濃度(80～320 mg·mL-1)處理下則表現(xiàn)抑制作用；且抑制強(qiáng)度大于促進(jìn)強(qiáng)度，其對(duì)油菜幼苗芽長的影響也具有低濃度促進(jìn)高濃度抑制的濃度效應(yīng)。在20～160 mg·mL-1范圍內(nèi)，其對(duì)油菜根長的化感效應(yīng)指數(shù)為負(fù)值，表現(xiàn)為抑制作用，而對(duì)芽長化感效應(yīng)指數(shù)為正值，表現(xiàn)為促進(jìn)作用。不同濃度完整種子浸提液對(duì)油菜的綜合效應(yīng)在濃度為10～40 mg·mL-1范圍內(nèi)均為正值；在80～320 mg·mL-1范圍內(nèi)則為負(fù)值，表現(xiàn)為低濃度促進(jìn)高濃度抑制的雙重效應(yīng)。

表4 燕麥種子不同部位浸提液及其濃度的方差分析(ANOVA)Table 4 Analysis of variance (ANOVA) of extracts from different parts of oat seeds and their concentrations

注：A因子：燕麥種子不同部位浸提液；B因子：浸提液濃度

Note:Factor A:extract of different parts of oat seeds;factor B:concentration of extract

表5 完整種子浸提液對(duì)油菜的化感綜合效應(yīng)Table 5 Allelopathic synthetical effects of whole seed extract on rapeseed

由表6可知，不同濃度去殼種子浸提液對(duì)油菜種子萌發(fā)也具有顯著影響。油菜種子發(fā)芽率、萌發(fā)速度指數(shù)、根長的化感效應(yīng)指數(shù)隨浸提液濃度的增加總體呈下降趨勢(shì)，濃度最大(220 mg·mL-1)時(shí)化感效應(yīng)指數(shù)最小(分別為-0.53，-0.69和-0.54)。但芽長的化感效應(yīng)指數(shù)變化趨勢(shì)不同，其化感效應(yīng)指數(shù)均為正值，且隨浸提液濃度的增加表現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì)，濃度為55 mg·mL-1時(shí)對(duì)幼苗芽長的化感效應(yīng)指數(shù)最大，為0.34，隨后下降。綜合效應(yīng)指數(shù)隨浸提液濃度升高呈先升后降的趨勢(shì)，在濃度為13.75 mg·mL-1時(shí)達(dá)到最大，隨后下降，最小為-0.42。

表6 去殼種子浸提液對(duì)油菜的化感綜合效應(yīng)Table 6 Allelopathic synthetical effects of dehulled seed extract on rapeseed

表7 穎殼浸提液對(duì)油菜的化感綜合效應(yīng)Table 7 Allelopathic synthetical effects of hull extract on rapeseed

不同濃度穎殼浸提液對(duì)油菜的化感綜合效應(yīng)也存在顯著差異(表7)。與去殼種子的化感效應(yīng)相似，隨著燕麥穎殼浸提液濃度逐漸增加，油菜種子發(fā)芽率、萌發(fā)速度指數(shù)和根長的化感效應(yīng)指數(shù)也呈明顯下降趨勢(shì)。在濃度為100 mg·mL-1時(shí)化感效應(yīng)指數(shù)最小，分別為-0.38,-0.51和-0.47。芽長的化感效應(yīng)指數(shù)均為正值，表現(xiàn)促進(jìn)作用，而且這一作用隨燕麥穎殼浸提液濃度的增加而增大，最大濃度下化感效應(yīng)指數(shù)為0.40。綜合效應(yīng)隨浸提液濃度增加總體呈下降趨勢(shì)，最大濃度時(shí)綜合效應(yīng)指數(shù)為-0.24。

3 討論

自然界中植物的各個(gè)組織器官(根系、莖葉、種子和花粉等)都具有向環(huán)境釋放化感物質(zhì)的潛力，這些物質(zhì)主要為其自身的次生代謝物質(zhì)，可通過雨霧淋溶、莖葉表面揮發(fā)、根系分泌和殘株分解等方式進(jìn)入環(huán)境[17]，因此常溫下用水作為浸提劑最能反應(yīng)植物化感物質(zhì)進(jìn)入環(huán)境的真實(shí)情況。鑒于此，本研究采用常溫下水浸提法分別提取燕麥完整種子、去殼種子和穎殼中的化感潛力物質(zhì)，研究不同濃度浸提液對(duì)油菜種子萌發(fā)的化感作用。結(jié)果表明，完整燕麥種子水浸提液對(duì)油菜有強(qiáng)烈的化感作用，而去殼種子和穎殼水浸提液的化感活性較弱，這可能是由于化感作用具有加合效應(yīng)所致，當(dāng)燕麥種子和穎殼中的化感物質(zhì)共存時(shí)對(duì)油菜種子萌發(fā)和幼苗生長的抑制會(huì)增強(qiáng)，但當(dāng)兩者分別作用油菜時(shí)抑制作用減弱。一些研究也有同樣的發(fā)現(xiàn)，番茄(Lycopersiconesculentum)的化感物質(zhì)鄰苯二甲酸二丁酯和水楊酸甲酯分開作用蘿卜(Raphanussativus)、白菜(Brassicapekinensis)和生菜(Lactucasativa)時(shí)，其化感效應(yīng)不顯著，但當(dāng)兩者混合時(shí)化感效應(yīng)較強(qiáng)[18]?；形镔|(zhì)鄰苯三酸和咖啡酸抑制銅綠微囊藻的協(xié)同效應(yīng)強(qiáng)于其單獨(dú)作用[19]。佛手內(nèi)酯和花椒毒素同時(shí)存在時(shí)，對(duì)甜菜夜蛾的抑制表現(xiàn)為加合效應(yīng)，但其分別與補(bǔ)骨脂素共用或是三者同時(shí)存在時(shí)則表現(xiàn)為拮抗效應(yīng)[20]。

本研結(jié)果表明，3種浸提液均對(duì)油菜種子的萌發(fā)具有抑制作用，這可能是由于其浸提液中的一些化感潛力物質(zhì)抑制了油菜種胚的生長，導(dǎo)致其細(xì)胞結(jié)構(gòu)被破壞，從而使其萌發(fā)受阻[21]。根的生長也受到了強(qiáng)烈地抑制作用，這可能是因?yàn)檠帑溁形镔|(zhì)阻礙了油菜胚根頂端分生組織細(xì)胞的增殖，從而導(dǎo)致根的生長被抑制[22]，也可能是因?yàn)橛筒擞酌绲母鶎?duì)燕麥化感物質(zhì)較為敏感，在受到刺激后產(chǎn)生躲避效應(yīng)，從而減緩了生長[23]。本研究發(fā)現(xiàn)完整種子浸提液對(duì)油菜芽的生長表現(xiàn)低濃度促進(jìn)高濃度抑制的作用，而去殼種子和穎殼浸提液在所有濃度下均促進(jìn)其芽的生長，這可能是因?yàn)橛筒擞酌绺纳L受限后營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到芽，進(jìn)而促進(jìn)了芽生長[24]，表明不同部位浸提液中的化感物質(zhì)對(duì)油菜種子萌發(fā)的化感作用不同。

本研究發(fā)現(xiàn)燕麥穎殼水浸提液能抑制油菜種子萌發(fā)和幼苗根的生長，證明燕麥穎殼中含有能抑制油菜的化感潛力物質(zhì)。同樣的結(jié)果在其他禾本科植物中已有報(bào)道，如水稻穎殼中含有大量能抑制種子萌發(fā)的物質(zhì)[25]；Kato-Noguchi等[26]從水稻穎殼中分離出了化感物質(zhì)稻殼酮A和稻殼酮B，并證明其可以抑制其他植物種子的萌發(fā)，這表明一些帶穎殼的禾本科植物種子幼苗萌發(fā)破土后，殘留的穎殼腐解物可能會(huì)影響鄰近植物的生長。此外，去殼種子浸提液對(duì)油菜也具有一定化感活性，表明皮燕麥的去殼種子和穎殼中均含有對(duì)油菜具有化感活性的物質(zhì)。

本研究中不同部位、不同濃度的浸提液對(duì)油菜種子的化感綜合效應(yīng)差異顯著(P<0.05)。燕麥完整種子浸提液對(duì)油菜的綜合效應(yīng)表現(xiàn)為低濃度促進(jìn)，高濃度抑制的雙重效應(yīng)，這一現(xiàn)象在其他植物上也有報(bào)道，紫莖澤蘭(Eupatoriumadenophorum)葉片水浸提液對(duì)無芒虎尾草(Chlorisgayana)、紫花大翼豆(Macroptiliumatropurpureum)、細(xì)葉苦荬(Ixerisgracilias)和金盞銀盤(Bidensbiternata)等10種植物均具有化感作用，且化感強(qiáng)度隨其浸提液濃度的增加而加強(qiáng)[27]；金銀忍冬(Loniceramaackii)葉片和根的水浸提液對(duì)蔥芥(Alliariapetiolata)和擬南芥(Arabidopsisthaliana)種子的萌發(fā)均具抑制作用，且隨濃度的增加而加強(qiáng)[28]；鐵桿蒿(Artemisiasacrorum)枯落物提取液對(duì)紅豆草(Onobrychisviciifolia)、沙打旺(AstragalusadsurgensPall.)、百脈根(Lotuscorniculatus)和紫花苜蓿(Medicagosativa)種子萌發(fā)的化感效應(yīng)總體上也呈現(xiàn)“低促高抑”的規(guī)律[29]。本研究中，低濃度的燕麥去殼種子和穎殼浸提液對(duì)油菜的化感活性較弱，但在高濃度時(shí)表現(xiàn)較強(qiáng)抑制作用，可能是因?yàn)槿しN子和穎殼中所含化感物質(zhì)的種類和數(shù)量不同所致，一些研究也有類似的發(fā)現(xiàn)，同一植物不同部位化感物質(zhì)對(duì)受試植物的化感作用存在一定的差異，如加拿大一枝黃花(Solidagocanadensis)地上部的水浸提液能顯著抑制萵苣(Lactucasativa)和蘿卜種子的萌發(fā)，但其根部浸提液的抑制作用不明顯[30]。生姜(Zingiberofficinale)莖和葉的水浸提液均能抑制大豆(Glycinemax)及北蔥(Alliumschoenoprasum)種子萌發(fā)，但不同部位的水浸提液對(duì)兩種植物種子的抑制作用差異顯著[31]，這表明各浸提液對(duì)油菜種子萌發(fā)的化感活性與其自身濃度和組織部位有關(guān)。

4 結(jié)論

燕麥種子不同部位均含有能夠抑制油菜種子萌發(fā)和幼苗生長的化感物質(zhì)。完整種子、去殼種子和穎殼浸提液原液對(duì)油菜的綜合效應(yīng)均為負(fù)值，表現(xiàn)為抑制作用。燕麥完整種子的水浸提液對(duì)油菜的綜合效應(yīng)表現(xiàn)為低濃度促進(jìn)高濃度抑制的效應(yīng)，去殼種子和穎殼的水浸提液對(duì)油菜幼苗根的生長表現(xiàn)為抑制作用，對(duì)芽表現(xiàn)為促進(jìn)作用。