半夏化感物質(zhì)浸提液對8種作物的化感效應

唐成林， 雷 強， 羅夫來， 趙 致， 杭 燁， 王華磊， 羅春麗， 陳松樹

(1.貴州省農(nóng)業(yè)展覽館， 貴州 貴陽 550001； 2.貴州大學 農(nóng)學院， 貴州 貴陽 550025)

半夏〔Pinellasternate(Thumb.)Breit.〕是天南星科多年生草本植物，以干燥塊莖入藥，被歷版《中國藥典》收載，具有燥濕化痰、降逆止嘔、消痞散結(jié)的功效[1-2]。藥材來源主要依靠人工栽培，主產(chǎn)于四川、遼寧、湖北、貴州等地[3-4]。由于耕地資源有限、經(jīng)濟利益驅(qū)動和種植條件苛刻等因素的限制，連作障礙引起的經(jīng)濟效益較低、藥農(nóng)種植積極性不高及臨床用藥安全無保障等問題越來越突出，嚴重制約半夏藥材產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[5]。因此，開展半夏連作障礙研究，對于促進藥農(nóng)增收、緩解半夏藥材市場供需矛盾及提高其出口創(chuàng)匯能力等具有積極意義。

連作障礙形成及加重是植物-土壤系統(tǒng)內(nèi)多種因素綜合作用的結(jié)果[6-7]。目前認為連作障礙產(chǎn)生的原因是土壤養(yǎng)分的消耗，土壤物理性狀的惡化，來自植物的有害物質(zhì)、土傳病害和線蟲的危害[8-9]。藥用植物會向環(huán)境釋放次生代謝產(chǎn)物來適應多變環(huán)境維持其生存，這類物質(zhì)相對分子質(zhì)量小，結(jié)構(gòu)簡單，容易釋放，當積累到一定濃度就會產(chǎn)生化感作用，是導致藥用植物連作障礙的主要因子之一[10-11]。很多研究者采用甲醇、丙酮、乙酸乙酯等有機試劑對植物不同部位進行提取，但提取到的物質(zhì)可能不是植物體釋放到環(huán)境中具有化感活性的物質(zhì)及種類[12-16]。在自然條件下，除水以外，不可能有其他溶劑將植物中的化感物質(zhì)淋溶出來。為探明半夏連作障礙的化感物質(zhì)釋放途徑和構(gòu)建高效的種植制度，以常用化感作用生物測試材料及其常見間作輪作作物為受試材料，研究半夏化感物質(zhì)的來源、作用濃度和耐化感脅迫的作物種類，以期明確半夏化感物質(zhì)的釋放途徑及其化感效應。

1 材料和方法

1.1 供試材料

生物測試材料：半夏〔Pinellasternate(Thumb.)Breit.〕、萵筍〔LactucasativaLinn. var. angustata Irish ex Bremer〕、生菜〔LactucasativaLinn. var. ramosa Hort.〕、小麥〔TriticumaestivumL.〕、油菜〔BrassicacampestrisL.〕、糯玉米〔ZeamaysL.〕、決明子〔CassiatoraL.〕、高粱〔Sorghumbicolor(Linn.) Moench〕，市購。供試材料：半夏根系分泌物浸提液、根際土壤浸提液和植株腐解液，實驗室自制。

1.2 方法

1.2.1 半夏水溶液提取物的制備 半夏根系分泌物浸提液(BG)：以滅菌的石英砂做基質(zhì)，盆栽半夏種莖，定期澆灌霍格蘭全素營養(yǎng)液培養(yǎng)。待半夏完全展葉，用5 L蒸餾水緩慢沖洗基質(zhì)，瀝干，將盆栽半夏接入水循環(huán)系統(tǒng)培養(yǎng)。15 d后分離半夏植株，殺酶，45℃風干，稱重；基質(zhì)用其3倍體積蒸餾水緩慢沖洗，洗脫液過濾，50℃減壓濃縮至體積低于100 mL，過微孔濾膜(0.45 μm)，根據(jù)半夏植株干質(zhì)量，配制濃度為0.04 g/mL的半夏根系分泌物浸提液(每mL含0.04 g半夏植株所產(chǎn)生的化感物質(zhì))，4℃冷藏備用[17]。

半夏根際土壤浸提液(BT)：將重茬1 a地種植的半夏整株挖出，抖掉根域土，細毛刷分離根際土和植株。植株洗凈，殺酶，45℃風干，稱重，打粉過4號藥篩備用。根據(jù)根際土與植株干質(zhì)量比(2.21∶1)，稱取37.81 g根際土，加入400 mL蒸餾水，150 r/min振蕩浸提24 h，靜置24 h，過微孔濾膜(0.45 μm)，即得0.04 g/mL半夏根際土壤浸提液，4 ℃冷藏備用。

半夏植株腐解液(BF)：采集半夏地空白土壤，同半夏根際土壤浸提液母液制備方法，制備1 000 mL空白土壤浸提液備用。取20 g半夏植株粉末，加入500 mL空白土壤浸提液避光振蕩培養(yǎng)15 d，浸提液過微孔濾膜(0.45 μm)，即得0.04 g/mL半夏植株腐解浸提液，4 ℃冷藏備用。

1.2.2 試驗設(shè)置 試驗共設(shè)13個處理，以蒸餾水為對照，BG、BT、BF均設(shè)4個濃度，分別為0.04 g/mL、0.02 g/mL、0.01 g/mL和0.005 g/mL，各處理3次重復。在鋪有2層濾紙的培養(yǎng)皿(9 cm)中，分別加入5 mL BG、BT、BF母液配制的濃度為0.04 g/mL、0.02 g/mL、0.01 g/mL、0.005 g/mL、0 g/mL的稀釋液，均勻置入經(jīng)75%乙醇滅菌處理的受試材料中(萵筍、生菜、高粱、決明子、小麥和油菜種子各50粒)；在鋪有2層濾紙的培養(yǎng)皿(直徑12 cm)中，分別加入9 mL上述半夏腐解液母液稀釋液，均勻置入經(jīng)75%乙醇滅菌處理的受試材料(半夏和玉米種子各30粒)。在溫度20℃、相對濕度60%、光照4 000 Lx的恒溫人工氣候箱中進行種子萌發(fā)和幼苗生長培養(yǎng)。

1.3 測定項目

萵筍、生菜、高粱、小麥、油菜種子培養(yǎng)7 d后，半夏、決明子、玉米種子培養(yǎng)14 d后，計算發(fā)芽率和發(fā)芽勢。每個重復隨機取5株幼苗(單個重復不足5株的記為0)，測定幼苗根長、根鮮質(zhì)量、根干質(zhì)量、芽長、芽鮮質(zhì)量和芽干質(zhì)量。

化感效應以化感效應指數(shù)(RI)衡量：RI=1-C/T(T≥C時)或RI=T/C-1(T 0時，表示促進作用；當RI< 0時表示抑制作用[18]。

參照馬瑞君等[19]的方法計算平均敏感指數(shù)：

式中，aj為各處理對應的化感效應指數(shù)(RI)；n表示a的個數(shù)；M表示平均敏感指數(shù)，含義與化感效應指數(shù)相同；R表示平均敏感指數(shù)的層級：R=1時，M1指示半夏化感物質(zhì)對受試材料各指標的化感效應；R=2時，M2指示半夏化感物質(zhì)對受試材料不同生育期的化感效應；R=3時，M3指示半夏化感物質(zhì)對受試材料的綜合化感效應。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和作圖，DPS 7.05進行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 8種作物對半夏化感物質(zhì)的敏感性

半夏化感物質(zhì)浸提液對8種受試材料總體表現(xiàn)為化感抑制，作用強度表現(xiàn)為玉米>生菜>萵筍>小麥>高粱>油菜>半夏>決明子(表2)。三級敏感指數(shù)顯示，半夏化感物質(zhì)浸提液對玉米和生菜有強烈的抑制作用，所受抑制作用強度分別是半夏自毒作用的6.4倍和5.6倍。從二級敏感指數(shù)看，半夏、生菜、萵筍、小麥、玉米幼苗生長期比種子萌發(fā)期對半夏化感物質(zhì)更敏感，但差異不明顯；半夏化感物質(zhì)對高粱和油菜種子萌發(fā)期的化感抑制作用強度分別是幼苗生長期的2.2倍和6.3倍。一級敏感指數(shù)顯示，半夏化感物質(zhì)對8種受試材料各測定指標整體為化感抑制，各測定指標綜合敏感度為幼苗根干質(zhì)量>幼苗根鮮質(zhì)量=幼苗根長>發(fā)芽勢>發(fā)芽率(測定指標綜合敏感度是指受體材料相同時測定指標絕對值的算術(shù)平均數(shù)，用于表示化感物質(zhì)對該指標的作用強度大小)。

由表1可知，不同濃度半夏水溶液提取液處理半夏、生菜、萵筍、高粱、決明子、小麥、油菜及玉米8種受式作物的種子萌發(fā)和幼苗生長情況。對表1數(shù)據(jù)進行分析得到8種作物對半夏化感物質(zhì)的敏感指數(shù)。

續(xù)表1

受試材料Tested material浸提液Extract浸提液濃度/(g/mL)Extract concentration發(fā)芽勢/%Germination vigor發(fā)芽率/%Germination rate幼苗長/cmSeedling bud length幼苗鮮質(zhì)量/gFresh weight of seedling 幼苗干質(zhì)量/gDry weight of seedling 幼苗根長/mmSeedling root length幼苗根鮮質(zhì)量/gFresh weight of seedling root幼苗根干質(zhì)量/gDry weight of seedling root0.0292.0095.3333.340.187 70.020 977.520.260 60.086 70.0482.0090.0037.580.204 50.023 181.290.248 70.087 0決明子CK-67.3376.6730.340.548 10.128 858.910.158 30.014 0 CassiaBT0.00558.0086.6752.890.676 80.134 674.710.197 60.019 60.0160.0083.3340.580.622 60.119 949.760.183 00.017 40.0260.0079.3333.640.589 60.117 852.710.216 90.021 70.0467.3390.6727.980.538 00.119 366.520.204 40.020 0BF0.00559.3354.0027.270.507 60.108 430.130.187 90.016 90.0154.6783.3315.360.507 10.134 844.070.238 80.027 20.022.0070.0013.720.473 90.123 731.730.219 30.021 90.040.0048.0025.950.582 00.125 535.750.242 00.023 5BG0.00558.6778.6733.640.606 80.125 462.420.276 10.024 20.0158.0080.0035.780.707 60.123 475.920.262 80.020 80.0274.0084.0025.480.557 70.130 162.040.248 50.022 70.0472.6785.3332.860.603 10.130 248.360.246 70.021 3小麥CK-45.0057.0053.450.225 50.025 452.330.139 20.024 6 WheatBT0.00544.0065.0056.730.263 20.030 578.530.142 70.028 20.0150.0069.3354.140.258 50.029 879.750.148 60.032 60.0249.3368.6758.570.280 70.031 295.270.129 40.028 90.0448.0062.0039.060.249 70.026 656.080.095 20.021 6BF0.00538.0064.6733.120.153 50.020 237.050.113 90.020 30.012.0044.0020.160.086 60.011 631.340.073 70.016 90.020.000.670.000.000 00.000 00.000.000 00.000 00.040.000.000.000.000 00.000 00.000.000 00.000 0BG0.00550.0053.3346.950.207 40.022 542.470.116 30.022 10.0144.0057.3347.390.231 90.025 250.360.146 30.026 50.0248.0058.0049.380.236 40.024 447.080.113 90.020 90.0444.6764.0059.930.277 30.030 661.250.116 80.022 5油菜CK-96.0098.0027.700.137 20.013 570.360.040 60.002 8 RapeBT0.00596.6796.6733.660.197 40.017 865.530.049 20.003 60.0196.6798.6732.280.165 40.014 274.870.043 80.003 80.0294.6796.6731.620.168 80.014 472.090.055 20.003 50.0497.3398.6733.490.177 00.015 477.310.042 70.003 9BF0.00594.0097.3324.830.151 70.014 665.230.055 40.003 80.0138.0089.3328.780.145 00.013 639.170.032 30.002 50.024.6720.007.250.080 50.017 44.480.016 10.000 90.040.000.000.000.000 00.000 00.000.000 00.000 0BG0.00598.0098.6732.370.156 20.013 856.550.043 70.003 30.0195.3398.0037.970.208 90.018 352.500.044 10.003 00.0294.6796.6736.850.188 60.014 544.490.041 30.002 20.0496.0098.6739.750.208 00.015 869.080.042 70.003 8玉米CK-22.2280.0053.430.839 10.089 065.960.570 30.077 9 CornBT0.00535.5580.0044.460.692 90.071 659.470.517 60.065 30.0136.6774.4445.210.726 40.075 555.380.502 80.063 50.0238.3473.3336.280.565 10.061 151.230.545 00.059 50.0421.6775.5543.790.738 80.075 770.020.545 50.076 6BF0.00512.2256.6732.640.543 10.064 637.910.464 30.061 90.012.2231.1115.590.240 50.030 423.220.304 10.041 60.024.4516.6719.170.239 60.024 024.850.283 30.035 50.040.0015.566.120.074 30.015 012.900.154 30.032 9BG0.00513.3370.0034.960.517 60.058 441.750.277 70.038 00.0141.6776.6736.840.580 40.062 634.930.243 50.032 00.0230.0053.3330.160.501 00.051 736.210.296 60.035 10.0411.1142.2227.180.374 90.039 831.310.223 40.028 4

注：表中幼苗及根的質(zhì)量均為5苗的統(tǒng)計量。

Note:The mass of seedlings and roots in the table were all five seedlings.

表2 8種受試材料對半夏化感物質(zhì)的敏感指數(shù)

2.2 半夏化感物質(zhì)釋放途徑及質(zhì)量濃度效應分析

2.2.1 3種來源半夏化感物質(zhì)浸提液的化感效應 在物種水平，3種浸提液化感作用強度為半夏植株腐解液>半夏根系分泌物浸提液>半夏根際土壤浸提液(圖1)。半夏根際土壤浸提液對8種受試材料無明顯化感作用。半夏植株腐解液對8種受試材料均有化感抑制作用，其中對生菜、萵筍、小麥、玉米的抑制作用強烈。半夏根系分泌物浸提液對玉米有強烈的化感抑制作用，對生菜等7種受試材料無明顯化感作用。

圖13種半夏化感物質(zhì)浸提液對8種作物的化感作用(M3)

Fig.1 Allelopathic effects of three kinds ofP.ternataallelochemical extracts on eight crops (M3)

由表3可知，除小麥外，半夏根際土壤浸提液對受試材料幼苗生長期的化感作用強度大部分大于種子萌發(fā)期，其對半夏、生菜、萵筍、高粱和玉米的幼苗生長有化感抑制作用，對決明子、小麥和油菜的幼苗生長有化感促進作用。半夏植株腐解液對半夏、生菜、萵筍和小麥的幼苗生長期的化感抑制作用大于種子萌發(fā)期，其中，對半夏幼苗生長期的抑制作用強度是種子萌發(fā)期的2.4倍；對高粱、決明子、油菜和玉米種子萌發(fā)期的化感抑制作用強度大于幼苗生長期，其中，對決明子種子萌發(fā)期的抑制作用強度是幼苗生長期的12.3倍。半夏根系分泌物浸提液對8種受試材料幼苗生長期的化感作用強度大部分大于種子萌發(fā)期，其對小麥、玉米的幼苗生長有化感抑制作用，對半夏、生菜、萵筍、高粱、決明子、油菜的幼苗生長有化感促進作用。

表33種半夏化感物質(zhì)浸提液對8種受試材料不同生長期的化感效應(M2)

Table 3 Allelopathic effects of three kinds ofP.ternataallelochemical extracts on different growth stages of eight tested materials (M2)

浸提液Extract生長期Growth stage半夏P. ternata生菜Romaine lettuce萵筍Asparagus lettuce高粱Sorghum決明子Cassia小麥Wheat油菜Rape玉米CornBT種子萌發(fā)期0.000.020.01-0.010.000.100.000.12幼苗生長期-0.13-0.13-0.03-0.030.120.100.15-0.15BF種子萌發(fā)期-0.12-0.85-0.66-0.63-0.37-0.65-0.56-0.71幼苗生長期-0.29-0.88-0.85-0.39-0.03-0.69-0.34-0.58BG種子萌發(fā)期0.000.010.02-0.030.020.030.00-0.14幼苗生長期0.240.170.000.120.16-0.040.09-0.46

2.2.2 8種受試材料對不同濃度半夏化感物質(zhì)浸提液的化感效應 把3種半夏化感物質(zhì)浸提液對受試材料的化感作用看成一個整體來綜合評價半夏化感物質(zhì)的濃度效應。從圖2所知，隨質(zhì)量濃度的增加，半夏化感物質(zhì)浸提液對受試材料的化感作用強度呈規(guī)律變化。在試驗設(shè)置濃度范圍內(nèi)，半夏化感物質(zhì)浸提液對決明子、半夏、油菜的化感作用與質(zhì)量濃度呈低促高抑的濃度效應，濃度大于等于0.02 g/mL時整體為化感抑制作用。半夏化感物質(zhì)浸提液的濃度越大，對高粱、小麥、萵筍、玉米的化感抑制作用強度越大。隨著濃度的增加，半夏化感物質(zhì)浸提液對生菜的化感抑制作用強度呈先增后平穩(wěn)，質(zhì)量濃度為0.01 g/mL的半夏化感物質(zhì)浸提液對生菜有較強的化感抑制作用，濃度高于0.01 g/mL后，其對生菜的抑制作用不再隨質(zhì)量濃度的增加而產(chǎn)生明顯變化。

由圖3可知，半夏化感物質(zhì)浸提液對半夏種子萌發(fā)和幼苗生長期的化感作用與質(zhì)量濃度呈低促高抑的趨勢，0.01 g/mL是臨界值。半夏化感物質(zhì)浸提液對生菜、萵筍、高粱、小麥和玉米的種子萌發(fā)和幼苗生長均為化感抑制，抑制作用強度總體隨半夏化感物質(zhì)濃度的增加而變大。半夏化感物質(zhì)浸提液對決明子種子萌發(fā)期為化感抑制，濃度大于0.01 g/mL后，濃度越大產(chǎn)生的抑制作用強度越大；其對決明子幼苗生長期為化感促進，濃度小于0.01 g/mL，其濃度越大產(chǎn)生的促進作用強度越小。半夏化感物質(zhì)浸提液對油菜種子萌發(fā)期為化感抑制，濃度越大，產(chǎn)生的抑制作用強度越大；其對油菜幼苗生長期的化感作用與質(zhì)量濃度呈低促高抑的濃度效應。研究還發(fā)現(xiàn)，相同濃度的半夏化感物質(zhì)浸提液對生菜、小麥的種子萌發(fā)期和幼苗生長期的化感作用差異不明顯，但相同濃度的半夏化感物質(zhì)浸提液對萵筍幼苗生長期的化感抑制作用強度明顯大于種子萌發(fā)期。相同濃度的半夏化感物質(zhì)浸提液對高粱種子萌發(fā)期的化感作用強度大于幼苗生長期，但其對玉米不同生長期的化感作用整體表現(xiàn)正好相反，濃度為0.04 g/mL時，對玉米種子萌發(fā)期和幼苗生長期的化感抑制作用強度相同。

圖2不同濃度半夏化感物質(zhì)浸提液對8種作物的化感作用(M3)

Fig.2 Allelopathic effects of different concentrations ofP.ternataallelochemical extracts on eight crops (M3)

圖3 不同濃度半夏化感物質(zhì)浸提液對8種作物不同生長期的化感效應(M2)

Fig.3 Allelopathic effects of different concentrations ofP.ternataallelochemical extracts on different growth stages of eight crops (M2)

3 結(jié)論與討論

生物測試是研究化感作用的有效手段，測定的指標從各方面定性反應了化感物質(zhì)對受試材料的化感效應，但單一指標指示化感作用往往具有片面性[20]。研究通過計算平均敏感指數(shù)綜合反應受試材料對化感物質(zhì)的敏感性，不同作物對半夏不同類型浸提液化感物質(zhì)的敏感性存在差異，生菜對半夏植株腐解液浸提液中的化感物質(zhì)的敏感性最強；小麥對根際土壤浸提液和植株腐解液中的化感物質(zhì)敏感性明顯，對根系分泌物的浸提液化感物質(zhì)敏感性不明顯；根系分泌物浸提液對半夏有明顯的化感促進作用，對玉米有強烈的化感抑制作用，但對另外6種受試材料化感作用不明顯。說明半夏化感物質(zhì)具有一定范圍的作用譜，即化感作用與受體植物種類和化感物質(zhì)的活性有關(guān)，在辣椒、胡桃酮、油菜等的研究中得到了相似的結(jié)論[21]。在人參、丹參、白三葉、玉米、大蒜等植物的化感作用研究中，均證實植株腐解物中含有化感活性物質(zhì)[22-26]。三種浸提液化感作用強度為半夏植株腐解液>半夏根系分泌物浸提液>半夏根際土壤浸提液，說明半夏植株腐解物水浸提液含有豐富的化感物質(zhì)，可能是半夏連作障礙發(fā)生的主要原因之一。半夏根際土壤浸提液對受試材料化感作用不明顯，可能是試驗設(shè)置濃度偏低，沒有達到有效作用閾值的原因。半夏化感物質(zhì)浸提液對受試材料總的化感抑制作用強度為玉米>生菜>萵筍>小麥>油菜>半夏>決明子，說明半夏不宜與玉米間作，這與大田生產(chǎn)實際不相符合，可能是雨水沖刷使得化感物質(zhì)未達到有效濃度，也有可能是育苗移栽避開了玉米化感作用敏感期，移栽時玉米種苗帶有營養(yǎng)塊，中后期生物量較大、抗逆能力增強等因素導致了試驗條件下的結(jié)果與實際情況不一致。試驗還發(fā)現(xiàn)，半夏化感物質(zhì)能促進決明子幼苗生長，說明決明子可用于半夏高效種植體系，并且決明子植株不僅能為半夏的生長提供適宜遮陰，減少因高溫而出現(xiàn)的半夏倒苗次數(shù)，緩解殘體腐解物在土壤中的積累，而且豆科植物特有的固氮能力還能提高土壤肥力。

植物在多變的環(huán)境條件下，通過物理手段獲得資源的能力大大降低，植物就會采用化學方法來增強其競爭能力，適應多變的環(huán)境維持生存[10]。研究發(fā)現(xiàn)，化感物質(zhì)一旦釋放就必然與生物和非生物因子發(fā)生相互作用，并以有效濃度引起化感作用現(xiàn)象。試驗結(jié)果表明，當半夏化感物質(zhì)質(zhì)量濃度大于0.02 g/mL，對生菜、萵筍、小麥和玉米等受試材料幼苗生長期的化感作用強度明顯大于種子萌發(fā)期，說明在半夏高效種植體系構(gòu)建中應注意半夏化感物質(zhì)對間作和輪作作物幼苗的毒害作用。曾任森[27]研究香茅、勝紅薊和三葉鬼針草的水提取物的化感作用發(fā)現(xiàn)，作物幼苗生長期比種子萌發(fā)期對化感物質(zhì)更敏感，與本試驗結(jié)果一致。此外，試驗中半夏化感物質(zhì)的自毒作用存在低促高抑的濃度效應，從種子萌發(fā)到幼苗生長呈低促高抑制的趨勢，質(zhì)量濃度低于0.01 g/mL有微弱的化感促進作用，質(zhì)量濃度高于等于0.02 g/mL就會產(chǎn)生強烈的自毒作用，至于具體是何種活性物質(zhì)導致了半夏自毒作用，有待進一步研究。

半夏化感物質(zhì)抑制作用具有廣譜性，作用強度與質(zhì)量濃度呈正相關(guān)，可能是導致半夏連作障礙的主要原因之一。植株腐解液中含有豐富的化感物質(zhì)，能引起強烈的化感和他感作用，是半夏化感物質(zhì)的主要來源之一，對其活性物質(zhì)的分離鑒定及其作用機理的研究，能為緩解并解除半夏連作障礙提供可靠的理論依據(jù)。