燕麥地上部分提取物對(duì)油菜的化感作用研究

黎 蓉，趙桂琴，劉 歡，柴繼寬，琚澤亮，茍智強(qiáng)，金小雯，孫浩洋

(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)實(shí)驗(yàn)室/甘肅省草業(yè)工程實(shí)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)

雜草是影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因素，但化學(xué)除草劑在控制雜草的同時(shí)，不僅會(huì)引起藥害問(wèn)題，而且導(dǎo)致雜草產(chǎn)生抗藥性[1-2]，如何在生態(tài)安全的前提下實(shí)現(xiàn)雜草的可持續(xù)治理，已成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)，尤其是利用作物本身潛在的化感作用防除雜草越來(lái)越受到科學(xué)家們的重視[3-5]?；凶饔檬侵钢参镌谏L(zhǎng)過(guò)程中通過(guò)淋溶、揮發(fā)、根系分泌、殘株和凋落物降解等途徑向環(huán)境釋放一些影響鄰近生物生長(zhǎng)發(fā)育，行為和種群生物學(xué)的化學(xué)物質(zhì)，而這些物質(zhì)會(huì)對(duì)鄰近植物產(chǎn)生直接或間接的有害或有益作用，稱為化感作用[6]。植物間的化感作用普遍存在于整個(gè)生態(tài)環(huán)境中，主要以化感物質(zhì)為媒介對(duì)鄰近植物產(chǎn)生化感效應(yīng)[7]。

作物化感作用的研究從現(xiàn)象的描述深入到對(duì)其化感物質(zhì)的研究上。研究報(bào)道一些作物自身也能釋放“除草劑”限制雜草種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)，進(jìn)而降低雜草在群落中的多樣性，保證自身的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，如小麥(Triticumaestivum)、水稻(Oryzasativa)、紅薯(Ipomoeabatatas)等[8-10]。油菜(Brassicajuncea)為十字花科一年生油料作物[11]，在北方農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中通常與燕麥(Avenasativa)、馬鈴薯(Solanumtuberosum)等作物輪作，但油菜在成熟和收獲過(guò)程中容易裂莢，種子落入土壤長(zhǎng)出的自生苗經(jīng)常成為下茬作物田的優(yōu)勢(shì)雜草。燕麥具有抗寒耐瘠薄、適應(yīng)性強(qiáng)、產(chǎn)草量高、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高等特點(diǎn)，是世界范圍廣泛種植的飼、糧兼用作物。20世紀(jì)60年代，就有相關(guān)報(bào)道證實(shí)燕麥的一些品種中也存在化感潛力物質(zhì)，Duke等[12]在盆栽試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)燕麥分泌的化感物質(zhì)東莨菪亭能強(qiáng)烈抑制野薺菜(Raphanusraphanistrum)根的生長(zhǎng)。Guenzi和Mccalla[13]在燕麥殘茬中分離并鑒定出了5 種能抑制植物生理生化過(guò)程的酚酸，分別為對(duì)香豆酸、阿魏酸、對(duì)羥基苯甲酸、香草酸和丁香酸；Tsuzuki[14]進(jìn)一步證實(shí)了這些酚酸類物質(zhì)具有化感活性。Gfeller等[15]發(fā)現(xiàn)黑燕麥(Avenastrigosa)對(duì)反枝莧(Amaranthusretroflexus)具有明顯的化感作用，其化感效應(yīng)可達(dá)0.97。因此，針對(duì)以燕麥和油菜輪作的生產(chǎn)方式，以燕麥品種百綠1號(hào)為供體，油菜為受體，分析物種間的相互作用關(guān)系與規(guī)律，為燕麥田間油菜等雜草的管理提供一定參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試燕麥品種為百綠1號(hào)，2017年4月中旬在甘肅省定西市香泉鎮(zhèn)種植，6月上旬在燕麥分蘗期采集地上部分并帶回實(shí)驗(yàn)室陰干、粉碎、備用。試驗(yàn)所用燕麥種子和油菜種子由甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院提供。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 不同提取劑及溫度下燕麥浸提液對(duì)油菜的化感效應(yīng) 選用極性不同的溶劑石油醚、80%乙醇、乙腈、甲醇和無(wú)菌水作為提取劑，分別在4℃，15℃和25℃條件下對(duì)燕麥地上部分以料∶液=1∶10的比例提取24 h，期間手搖5～6次。提取結(jié)束后先用紗布過(guò)濾，再將濾液進(jìn)行二次抽濾。即得到不同提取條件下質(zhì)量濃度為100 mg/mL的浸提液。

1.2.2 燕麥地上部分提取物化感活性測(cè)定 油菜種子用2 %次氯酸鈉溶液消毒15 min，再用無(wú)菌水反復(fù)沖洗5～6 次，晾干備用。采用培養(yǎng)皿(9 cm)濾紙發(fā)芽試驗(yàn)法，每皿分別加5 mL不同提取劑和溫度條件下的燕麥地上部分浸提液，對(duì)照加5 mL相應(yīng)的純?nèi)軇?，鋪?層濾紙，各處理均3次重復(fù)，待所有溶劑揮發(fā)后，于每個(gè)培養(yǎng)皿加入5 mL無(wú)菌水，為反映有機(jī)溶劑對(duì)油菜的種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響，設(shè)置5 mL無(wú)菌水空白對(duì)照。然后每皿均勻播入30粒油菜種子，所有處理置于智能光照培養(yǎng)箱中(溫度28±1℃，相對(duì)濕度70 %，光照時(shí)間14 h/d)。每隔24 h觀察并記錄一次油菜種子發(fā)芽數(shù)(種子發(fā)芽均以胚根長(zhǎng)≥1 mm為標(biāo)準(zhǔn))，每皿在第3 d補(bǔ)加2 mL無(wú)菌水以保證油菜正常生長(zhǎng)。7 d結(jié)束發(fā)芽，每皿隨機(jī)拔取10株完整油菜幼苗，采用精度為0.01的游標(biāo)卡尺測(cè)定其根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)，并稱量鮮重。

1.3 燕麥地上部分化感潛力綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

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

發(fā)芽勢(shì)=(規(guī)定天數(shù)發(fā)芽的種子數(shù)/供試種子數(shù))×100 %(這里規(guī)定為第2 d)

萌發(fā)速度指數(shù)(I)= 2×(7X1+6X2+5X3+4X4+3X5+2X6+X7)。

X為每隔24 h種子萌發(fā)個(gè)數(shù)。

化感效應(yīng)指數(shù) 參照Williamson等[16]對(duì)化感效應(yīng)的評(píng)價(jià)方法對(duì)燕麥地上部分浸提液的化感效應(yīng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，用化感效應(yīng)指數(shù)(RI)評(píng)價(jià)化感作用的強(qiáng)弱。

T≥C時(shí)，RI=1-C/T，RI越大，促進(jìn)作用越強(qiáng)；

T

式中：C為對(duì)照值，T為處理值。

綜合化感效應(yīng)(SE)是供體對(duì)同一受體各項(xiàng)指標(biāo)(發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、種子萌發(fā)速度指數(shù)、根長(zhǎng)、芽長(zhǎng))RI值的算數(shù)平均值，用SE絕對(duì)值的大小來(lái)綜合評(píng)價(jià)化感綜合作用強(qiáng)度。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用Excel 2007輸入，通過(guò)SPSS 19.0對(duì)各測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析以及顯著性檢驗(yàn)(LSD和Duncan)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同提取條件下燕麥的地上部分提取物對(duì)油菜種子萌發(fā)及幼苗的影響

提取劑和溫度交互作用下對(duì)燕麥地上部分進(jìn)行提取，研究提取物對(duì)油菜種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響。方差分析表明，提取劑、提取溫度及其互作對(duì)油菜種子萌發(fā)各項(xiàng)指標(biāo)有顯著影響。提取劑、提取溫度、提取劑與溫度的互作對(duì)油菜種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)各指標(biāo)的影響均達(dá)極顯著水平(P<0.01)(表1)。

表1 提取劑、提取溫度及其交互作用下油菜種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)各指標(biāo)的P值

2.1.1 不同提取條件下的燕麥地上部分提取物對(duì)油菜種子萌發(fā)的影響 5種不同溶劑提取物對(duì)油菜種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、萌發(fā)速度指數(shù)均表現(xiàn)抑制作用。3個(gè)溫度的水提取物處理下，油菜種子發(fā)芽率，發(fā)芽勢(shì)和萌發(fā)速度指數(shù)均顯著降低，其中，油菜的發(fā)芽率受4℃的水提取物的影響最大，較對(duì)照降低了70.37%，其發(fā)芽勢(shì)和萌發(fā)速度指數(shù)均受25℃的水提取物的影響最大，分別較對(duì)照降低了76.11%和75.15%。80%乙醇提取物處理下，油菜種子萌發(fā)也受到顯著抑制，其發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)和萌發(fā)速度指數(shù)均受15℃下提取物的抑制最強(qiáng)，抑制率分別為90.14%、96.50%和93.59%。3個(gè)溫度的甲醇提取物對(duì)油菜種子萌發(fā)也有顯著抑制作用，其中，25℃下提取物對(duì)油菜種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)和萌發(fā)速度指數(shù)的抑制最強(qiáng)，其抑制率分別達(dá)到89.66%，97.50%和94.17%。3個(gè)溫度的乙腈提取物和石油醚提取物對(duì)油菜種子萌發(fā)的抑制較弱，其中乙腈提取物的抑制作用最弱(表2)。

表2 不同提取條件下燕麥地上部分提取物對(duì)油菜種子萌發(fā)的影響

注：同一項(xiàng)目同列不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)，下同

2.1.2 不同提取條件下的燕麥地上部分提取物對(duì)油菜幼苗生長(zhǎng)的影響 不同提取條件下燕麥地上部分提取物對(duì)油菜幼苗生長(zhǎng)表現(xiàn)抑制作用，且對(duì)油菜幼苗根的抑制作用強(qiáng)于芽(表3)。各溫度下5種不同溶劑提取物對(duì)油菜幼苗根的生長(zhǎng)均有抑制作用，但化感強(qiáng)度各異，油菜根長(zhǎng)受80%乙醇提取物的抑制作用最強(qiáng)，4℃，15℃和25℃下其提取物對(duì)油菜根長(zhǎng)的抑制率分別為80.23%，78.91%和80.03%；油菜幼苗根長(zhǎng)受乙腈提取物的抑制最弱，4℃，15℃和25℃下其提取物的抑制率分別為14.26%，14.95%和1.27%。各提取條件下的燕麥地上部分提取物對(duì)油菜幼苗芽的化感作用不盡相同。其中，乙腈提取物和石油醚提取物對(duì)油菜芽長(zhǎng)均表現(xiàn)為抑制作用；80%乙醇提取物對(duì)其芽長(zhǎng)表現(xiàn)為促進(jìn)作用；而水提取物和甲醇提取物對(duì)其表現(xiàn)促進(jìn)和抑制雙重作用，4℃下的水提取物和25℃甲醇提取物對(duì)油菜芽的生長(zhǎng)表現(xiàn)為抑制作用，其抑制率分別為9.31%和4.57%，其余處理均促進(jìn)了油菜芽的生長(zhǎng)。

表3 不同提取條件下燕麥地上部分提取物對(duì)油菜幼苗生長(zhǎng)的影響

2.2 不同提取條件下的提取物對(duì)油菜的化感效應(yīng)

化感效應(yīng)指數(shù)是用來(lái)衡量化感作用的類型和強(qiáng)度的重要指標(biāo)[16]，不同提取條件下燕麥地上部分提取物對(duì)油菜種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的化感效應(yīng)的影響各不相同(表4)。3個(gè)溫度下各溶劑提取物處理，油菜的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、萌發(fā)速度指數(shù)和根長(zhǎng)的化感效應(yīng)指數(shù)均為負(fù)值，即表現(xiàn)化感負(fù)效應(yīng)。但對(duì)油菜芽長(zhǎng)的化感效應(yīng)較弱，乙腈提取物和石油醚提取物均對(duì)其芽長(zhǎng)表現(xiàn)為化感負(fù)效應(yīng)，而80%乙醇提取物則表現(xiàn)為化感正效應(yīng)。其中對(duì)油菜化感作用最強(qiáng)的是25℃下的甲醇提取物，該處理下油菜發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、萌發(fā)速度指數(shù)、根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)的化感效應(yīng)指數(shù)分別為-0.90、-0.98、-0.94、-0.81和-0.05；其次為3種溫度下的80%乙醇提取物，4℃下的其提取物處理下，油菜發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、萌發(fā)速度指數(shù)、根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)化感效應(yīng)指數(shù)分別為-0.84、-0.79、-0.86、-0.80和0.11，15℃下的其提取物處理下，上述各指標(biāo)的化感效應(yīng)指數(shù)分別為-0.89、-0.96、-0.94、-0.79和0.15，25℃下的提取物處理下，各指標(biāo)的化感效應(yīng)指數(shù)分別為-0.85、-0.94、-0.91、-0.80和-0.07。各溫度下的乙腈提取物對(duì)油菜發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、萌發(fā)速度指數(shù)和根長(zhǎng)的化感作用較弱，但對(duì)其芽長(zhǎng)具有較明顯化感負(fù)效應(yīng)。

表4 不同提取條件下燕麥地上部分提取物對(duì)油菜的化感效應(yīng)

各處理對(duì)油菜的綜合化感效應(yīng)均為負(fù)值，表現(xiàn)為抑制作用。其中，25℃的甲醇提取物對(duì)油菜的綜合化感效應(yīng)最小，為-0.74，即對(duì)油菜的化感作用最強(qiáng)；其次為15℃下80%乙醇提取物，綜合化感效應(yīng)為-0.69；25℃乙腈提取物化感作用最弱(圖1)。

3 討論

化感物質(zhì)存在于植物的根、莖、葉和種子等組織器官中，可抑制一些特定物種種子的萌發(fā)，并因其本身特性，溶解性也不同[17-19]。研究采用無(wú)菌水、乙醇、甲醇、乙腈、石油醚為提取劑，分別在4℃，15℃和25℃條件下對(duì)燕麥地上部分化感物質(zhì)進(jìn)行提取[20]，以油菜為受體對(duì)其化感潛力研究表明不同提取條件下的燕麥地上部分提取物對(duì)油菜種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、萌發(fā)速度指數(shù)具有顯著抑制作用，說(shuō)明燕麥地上部分提取物對(duì)油菜種子萌發(fā)具有強(qiáng)烈化感作用。但王霞霞等[21]研究報(bào)道(Lagenariasiceraria)、四季豆(Phaseolusvulgaris)、大豆(Glycinemax)、紫花苜蓿(Medicagosativa)、燕麥(Avenasativa)莖葉提取物對(duì)紫莖澤蘭的化感作用結(jié)果表明，燕麥莖葉提取物對(duì)紫莖澤蘭表現(xiàn)較弱化感作用，這與此次研究結(jié)果不一樣。這是因?yàn)槭荏w植物種類不同，對(duì)化感物質(zhì)的耐受性不同所致[22]。此外，同一作物的不同品種所具有的化感能力也有一定差異，有研究發(fā)現(xiàn)700 個(gè)水稻種質(zhì)資源中，僅有35 個(gè)品種能抑制白菜(Brassicapekinensis)生長(zhǎng)[23]，參試燕麥品種不同也是導(dǎo)致其化感作用強(qiáng)度存在差異的另一個(gè)原因。

圖1 不同提取條件對(duì)油菜的綜合化感效應(yīng)Fig.1 The comprehensive allelopathic effects of extracts from oat aboveground part under different extraction conditions on rapeseed

各提取條件下的燕麥地上部分提取物均能抑制油菜根的生長(zhǎng)；15℃和25 ℃下水提取物、3個(gè)溫度下的80%乙醇提取物和15 ℃下的甲醇提取物卻對(duì)油菜芽的生長(zhǎng)表現(xiàn)為促進(jìn)作用。這是由于油菜固著生長(zhǎng)，無(wú)法通過(guò)移動(dòng)來(lái)逃避燕麥地上部分提取物的化感作用，只能通過(guò)改變自身的形態(tài)結(jié)構(gòu)(根生長(zhǎng)減緩)以及生理生化反應(yīng)來(lái)適應(yīng)環(huán)境[24]；在油菜幼苗根的生長(zhǎng)減緩后營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到芽，促進(jìn)了芽的生長(zhǎng)[25]。但各溫度下的乙腈和石油醚提取物對(duì)油菜的芽的生長(zhǎng)表現(xiàn)為抑制作用。類似的報(bào)道也發(fā)現(xiàn)提取劑種類不同，所提取到的化感物質(zhì)的種類和數(shù)量也不同，對(duì)植物化感作用的強(qiáng)度和類型也存在差異[26]。

化感效應(yīng)指數(shù)用來(lái)反應(yīng)供體植物對(duì)受體植物某一項(xiàng)指標(biāo)的化感作用強(qiáng)度和類型的重要指標(biāo)，綜合化感效應(yīng)指數(shù)從整體衡量供體植物對(duì)受體植物的綜合化感作用強(qiáng)度[16,27-29]。25℃甲醇提取物對(duì)油菜種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)和種子萌發(fā)速度指數(shù)的化感效應(yīng)指數(shù)分別為-0.90，-0.98和-0.94，顯著抑制了油菜種子的萌發(fā)。即使25℃甲醇提取物對(duì)少數(shù)已發(fā)芽的油菜幼苗生長(zhǎng)也具有抑制作用，且對(duì)油菜根的抑制最顯著，其化感效應(yīng)指數(shù)為-0.81；但對(duì)其芽的化感效應(yīng)指數(shù)為-0.05，化感作用不明顯，因此導(dǎo)致綜合化感作用強(qiáng)度降低。3個(gè)溫度下的水提取物也對(duì)油菜化感作用強(qiáng)烈，但其對(duì)油菜種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的化感作用強(qiáng)度均不及25℃下的甲醇提取物，表明25℃下的百綠1號(hào)燕麥地上部分的甲醇提取物中含有大量能抑制油菜種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的化感潛力物質(zhì)，因此，在25℃下用甲醇提取可增加其化感物質(zhì)的提取率。

由于提取劑種類和性質(zhì)不同，提取到的化感物質(zhì)濃度和種類也不盡相同，且植物化感作用是由幾種或多種化感物質(zhì)共同作用的結(jié)果[30]。試驗(yàn)中用石油醚和乙腈作為提取劑時(shí)，其浸提液對(duì)油菜的化感強(qiáng)度較弱，一方面是因?yàn)檠帑溁形镔|(zhì)只有一小部分被提取出來(lái)，表現(xiàn)較弱化感活性[31]；再者，由于植物化感物質(zhì)對(duì)受體植物的化感作用具有選擇性特點(diǎn)，石油醚和乙腈提取物中沒(méi)有能對(duì)油菜具有化感作用的物質(zhì)[32]。3種溫度下到的水提取物、甲醇提取物和80%乙醇提取物對(duì)油菜化感作用強(qiáng)烈，說(shuō)明燕麥中的化感物質(zhì)易溶于水和親水性的溶劑中[33]。也表明了自然狀態(tài)下，百綠1號(hào)燕麥地上部分中的化感物質(zhì)主要是通過(guò)雨霧淋溶的途徑進(jìn)入環(huán)境，從而影響鄰近植物的生長(zhǎng)。在提取劑和溫度互作對(duì)植物化感物質(zhì)的提取率和作用效果也不同[34]。各提取條件下，燕麥地上部分提取物均能對(duì)油菜表現(xiàn)化感作用，但作用強(qiáng)度不同，其中甲醇在25℃下的提取物對(duì)油菜的綜合化感效應(yīng)指數(shù)最小為-0.64，表明25℃下用甲醇能最大可能地提取到燕麥地上部分化感物質(zhì)。

4 結(jié)論

不同提取劑和溫度下的燕麥地上部分浸提物對(duì)油菜種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響有差異。各處理均能顯著抑制油菜種子萌發(fā)和幼苗根的生長(zhǎng)，對(duì)其芽長(zhǎng)的化感效應(yīng)指數(shù)在-0.39 ～ 0.15，既有抑制作用也有促進(jìn)作用。其中不同溫度下的水提取物、80%乙醇提取物和甲醇提取物均對(duì)油菜化感作用強(qiáng)烈，而石油醚提取物和乙腈提取物化感作用則較弱。和有機(jī)溶劑相比，雖然水提取物對(duì)油菜也有較強(qiáng)化感作用，但各溫度下其提取物對(duì)油菜種子發(fā)芽率，發(fā)芽勢(shì)和種子萌發(fā)速度指數(shù)的作用強(qiáng)度均不及25℃甲醇提取物。