不同外源酚酸化感物質(zhì)組合對棉花種子萌發(fā)和幼苗生長的化感效應

李琳琳, 劉建國, 燕鵬, 唐榕, 白志貴, 劉文亮

不同外源酚酸化感物質(zhì)組合對棉花種子萌發(fā)和幼苗生長的化感效應

李琳琳, 劉建國*, 燕鵬, 唐榕, 白志貴, 劉文亮

石河子大學農(nóng)學院, 新疆石河子 832003

為闡明不同外源酚酸類化感物質(zhì)組合對棉花種子萌發(fā)及幼苗生長發(fā)育的化感效應,選擇在棉花連作30年土壤中檢測到的對-羥基苯甲酸(P-HA)、香草醛(VA)、阿魏酸(FA)3種酚酸類化感物質(zhì), 以田間自然狀態(tài)下含量為處理濃度研究對棉花種子萌發(fā)和幼苗生長的影響。結(jié)果表明: 3種酚酸化感物質(zhì)對棉花種子萌發(fā)和幼苗生長有顯著影響。對種子萌發(fā)有促進作用, 對幼苗生長有抑制作用,對幼苗生理酶活性有著不利影響。兩種或兩種以上化感物質(zhì)混合時比一種酚酸化感物質(zhì)對棉花的作用效果小, 說明對羥基苯甲酸、香草醛和阿魏酸三者之間存在拮抗效應。P-HA對VA和FA存在著抵消作用, 3種化感物質(zhì)組合之間的拮抗效應與化感物質(zhì)的濃度和作用效果密切相關。

酚酸; 化感物質(zhì); 棉花; 互作效應

0 前言

新疆棉區(qū)棉花種植面積不斷增加, 連作障礙問題日益嚴重, 造成棉田生態(tài)環(huán)境惡化、病蟲害加重、棉花減產(chǎn)[1-2]。由化感物質(zhì)引起的自毒作用是造成棉花連作障礙的原因之一[3], 謝利[4]等認為棉花根系分泌物有較強自毒作用, 自毒作用會抑制種子萌發(fā)和植株的生長發(fā)育; 隨著棉花連作年限增加自毒效應增強, 自毒物質(zhì)通過影響作物的生理生化過程進而抑制棉花生長和造成減產(chǎn)[5-6]。

酚酸類次生代謝物質(zhì)是化感活性較強的一類化感物質(zhì), 也是目前研究最多的一類化感物質(zhì)[7]。劉建國[8]在棉花秸稈、根系分泌物和不同連作年限棉田土壤中檢測出對羥基苯甲酸、阿魏酸、沒食子酸和香草醛4種酚類化感物質(zhì), 并且4種酚酸類化感物質(zhì)對棉花幼苗的根長、苗高和鮮重均有一定的抑制作用; 郭修武[9]等利用LC-MS檢測出葡萄根系分泌物中含有對羥基苯甲酸和水楊酸兩種酚酸類物質(zhì), 且對羥基苯甲酸和水楊酸對葡萄具有顯著的化感抑制作用; Zhou[10]研究表明, 酚酸類物質(zhì)在黃瓜連作栽培中直接抑制了黃瓜幼苗的生長。然而, 植物化感作用具有復合效應, 植物化感作用是眾多化感物質(zhì)共同作用的結(jié)果。Einhellig[11]研究認為, 幾乎所有植物的化感作用潛力都是由2種或2種以上的化合物互作引起的; 張付斗[12]等研究表明, 阿魏酸、對羥基苯甲酸和水楊酸與丁草胺混用時表現(xiàn)增效作用, 而香豆酸與丁草胺混用則為加成作用。楊小燕[13]等研究表明, 同等濃度下苯甲酸型混合酚酸對萵苣根長的抑制率比單一酚酸強。因此, 研究不同化感物質(zhì)組合對植物的化感效應具有重要意義。單一外源的酚酸化感物質(zhì)對棉花種子萌發(fā)及幼苗生長的影響已有相關報道, 但對化感物質(zhì)不同組合間對棉花生長影響的機制尚不明確。本研究以棉花種子為受體材料, 研究對羥基苯甲酸、香草醛和阿魏酸3種酚酸類化感物質(zhì)以及不同組合對棉花種子萌發(fā)和幼苗生長的影響, 明確其化感效應強度以及不同化感物質(zhì)組合之間的互作關系, 以期深入理解棉花化感作用機理, 為棉花連作障礙的生物修復提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試棉花品種為“新陸早42號”, 對-羥基苯甲酸(P-HA)、香草醛(VA)、阿魏酸(FA)均為Sigma公司產(chǎn)品。

1.2 試驗方法

對-羥基苯甲酸(p-HA), 阿魏酸(VA)和香草醛(FA)三種酚酸類物質(zhì)以及兩兩組合和三種酚類物質(zhì)混合處理, 以蒸餾水為對照, 共8個處理, 即CK, p-HA, VA, FA, p-HA+VA, p-HA+FA, VA+FA, p-HA+ VA+FA。3種化感物質(zhì)的濃度采用石河子大學農(nóng)學院實驗站長期連作定位試驗田連作30年棉田土壤的化感物質(zhì)含量。對-羥基苯甲酸,阿魏酸和香草醛三種酚類物質(zhì)濃度分別為22.4 mg·L-1, 8.4 mg·L-1, 6.6 mg·L-1, 不用組合濃度是幾種物質(zhì)各自濃度等量混合。

1.2.1 種子萌發(fā)試驗: 每個處理挑選50粒大小、成熟度一致的棉花種子用體積分數(shù)20%的H2O2消毒20 min, 放置于鋪有200 mL蛭石的發(fā)芽盒中, 分別加入不同質(zhì)量濃度的處理液100 mL, 3次重復。將發(fā)芽盒放入人工氣候箱中培養(yǎng), 晝夜溫度28 ℃, 相對濕度50%, 黑暗條件下培養(yǎng)7 d。

1.2.2 幼苗生長試驗: 將經(jīng)過1.5 d催芽處理的棉花種子轉(zhuǎn)移到含有900 ｍＬ蛭石直徑10 cｍ, 高20 cm的栽培裝置內(nèi), 每個裝置內(nèi)種15株棉花幼苗, 分別澆400 mL的不同質(zhì)量濃度的處理液。培養(yǎng)條件: 晝夜溫度28 ℃, 相對濕度50%, 每天光照10 h。每３d澆100 mL的蒸餾水, 澆水3次, 于培養(yǎng)后第12天選取10株進行測量苗高、根長、重量及生理指標。

1.3 測定指標

每天統(tǒng)計棉花種子發(fā)芽數(shù), 并于第7天測定, 計算種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)。計算公式為:

發(fā)芽勢=3 d內(nèi)發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%;

發(fā)芽率=7 d內(nèi)發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%;

發(fā)芽指數(shù)=(/), 式中為發(fā)芽時間,為與相對應的每天發(fā)芽種子數(shù)。

根系活力(RV)采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法測定, 丙二醛(MDA)采用硫代巴比妥酸(TBA)法測定, 抗氧化酶中超氧化物酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)活性采用李合生[14]的方法測定。

計算化感效應指數(shù)(), 當≧時,=1-/;當＜時,=/-1; 式中是對照值,是處理值;＞0時表示促進作用, 當＜0時表示抑制作用,的絕對值代表作用強度。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)用SPSS19.0進行單因素方差分析(ANOVA), 并用Duncan法進行差異顯著性分析。表中數(shù)據(jù)表示為平均值±標準誤。

2 結(jié)果與分析

2.1 供試化感物質(zhì)對棉花發(fā)芽的影響

由表1可知, 3種化感物質(zhì)及不同組合對棉花種子的萌發(fā)均有一定的化感效應, 對棉花種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)表現(xiàn)為促進效應。對羥基本甲酸、香草醛、阿魏酸3種化感物質(zhì)與對照相比發(fā)芽率分別增加了21%、25.7%和26.1%, 都表現(xiàn)了明顯的促進作用。兩種化感物質(zhì)組合時, 對羥基本甲酸和香草醛組合與對照相比發(fā)芽率增加了11.4%, 但小于這兩種單一化感物質(zhì)對棉花種子萌發(fā)的化感效應, 表現(xiàn)為拮抗效應。對羥基本甲酸和阿魏酸醛、香草醛和阿魏酸這2個組合與對照相比發(fā)芽率分別增加了26.7%和31.4, 且這2種組合對棉花種子萌發(fā)的化感效應均比單一化感物質(zhì)高, 表現(xiàn)為協(xié)同效應。3種化感物質(zhì)同時組合作用時, 對棉花種子萌發(fā)的影響均比單一化感物質(zhì)低, 表現(xiàn)為拮抗效應。

2.2 供試化感物質(zhì)對棉花幼苗生長的影響

3種化感物質(zhì)及不同組合對棉花幼苗生長的化感效應見表2, 所有處理對棉花幼苗主根的伸長和苗高都表現(xiàn)為抑制作用。與對照相比, 對羥基苯甲酸(P-HA)和阿魏酸(FA)對棉花幼苗根長和苗高的抑制效果不顯著, 香草醛(VA)對主根的伸長和苗高的抑制效果達顯著水平, 其化感指數(shù)分別為-0.54和-0.31。對于苗鮮重來說, P-HA、VA、VA+FA對苗鮮質(zhì)量有化感抑制作用, 其余皆為促進作用, 但促進效果對照相比都不顯著。在兩種不同化感物質(zhì)組合中, 與單一化感物質(zhì)作用相比, 所有組合對棉花幼苗根長和苗高的抑制作用減小, 表現(xiàn)為拮抗效應。與對照相比, 3種化感物質(zhì)及不同組合對棉花根鮮重起到化感促進作用, FA對根鮮重的促進效應最大, 化感指數(shù)為0.52, VA次之, 化感指數(shù)為0.4, 兩種或兩種以上化感物質(zhì)組合時均比一種化感物質(zhì)的促進效應降低, 表現(xiàn)為拮抗效應。

2.3 供試化感物質(zhì)對棉花幼苗生理活性的影響

表3表明, 與對照相比, 3種化感物質(zhì)及不同組合處理對棉花幼苗根系活力、幼葉SOD和CAT活性均有一定的化感抑制效應, 對POD活性有一定的化感促進效應。從各個生理指標綜合來看, 對羥基本甲酸、香草醛和阿魏酸3種化感物質(zhì)單獨作用時, 對棉花幼苗生理活性的影響從大到小依次為香草醛＞阿魏酸＞對羥基本甲酸。對根系活力來說, 與對照相比, 所有處理對根系活力的抑制效果達顯著水平, 在兩種化感物質(zhì)組合中, 與單一化感物質(zhì)作用相比, 除香草醛和阿魏酸組合對根系活力的抑制作用比單一化感物質(zhì)大外, 其余兩組合均比單一化感物質(zhì)作用效果小, 表現(xiàn)為拮抗效應。對SOD酶活性來說, 香草醛和阿魏酸對SOD酶活性的抑制效應最大, 其化感指數(shù)為0.33。對MDA含量、POD和CAT酶活性來說, 2種化感物質(zhì)組合作用時, 均比單一化感物質(zhì)作用效果小, 表現(xiàn)為拮抗效應。3種化感物質(zhì)同時混合時, 對所有生理指標的化感效應均比單一化感物質(zhì)小, 表現(xiàn)為拮抗效應。

表1 供試化感物質(zhì)對棉花種子萌發(fā)的影響(X±S)

注： 同列中不同字母表示差異顯著(<0.05), 下同。

表2 供試化感物質(zhì)對棉花幼苗形態(tài)指標的影響(X±S)

表3 供試化感物質(zhì)對棉花幼苗生理指標的影響(X±S)

注： RV為根系活力。

3 討論

自然環(huán)境中植物最終表現(xiàn)出的化感活性, 不僅與具有化感潛力的單體物質(zhì)有關, 各物質(zhì)間的互作效應也是影響植物化感活性的重要因素[15]。因此研究不同化感物質(zhì)組合對緩解棉花連作障礙具有重要意義。本試驗通過對3種酚酸類物質(zhì)及不同組合對棉花種子及幼苗進行處理, 研究其對棉花種子萌發(fā)和幼苗生長的影響。

P-HA, VA, FA, 3種酚酸類化感物質(zhì)及同組合處理對棉花種子萌發(fā)和幼苗生長有顯著影響, 不同的化感物質(zhì)及組合對棉花的種子萌發(fā)和幼苗生長影響效果不同。對于棉花種子萌發(fā)而言, 在特定濃度下3種化感物質(zhì)對棉花種子萌發(fā)有著促進作用, 化感物質(zhì)兩兩組合時, P-HA+VA組合表現(xiàn)為拮抗作用, 3種化感物質(zhì)同時作用時對于種子萌發(fā)的促進效果比任何一種酚酸化感物質(zhì)相比都要小, 說明3種物質(zhì)之間存在拮抗效應, 與單一化感物質(zhì)作用效果不同, 表明植物化感作用是眾多化感物質(zhì)共同作用的結(jié)果[16]。Lyu 等[17]在探討阿魏酸、香草酸和對香豆酸間的協(xié)同作用對黃瓜苗P吸收特性的影響時發(fā)現(xiàn), 一種物質(zhì)會降低另一種物質(zhì)的作用效果(即拮抗作用)。但王璞[18]研究認為對羥基苯甲酸、阿魏酸、香草酸 3種化感物質(zhì)對棉花發(fā)芽及幼苗根生長影響的表現(xiàn)為明顯的協(xié)同作用, 與本研究結(jié)論相反, 可能是本研究處理的外源化感物質(zhì)濃度是以棉花連作30年土壤中對-羥基苯甲酸, 阿魏酸和香草醛三種酚類物質(zhì)的自然濃度, 其濃度分別為22.4 mg·L-1, 8.4 mg·L-1, 6.6 mg·L-1, 遠低于王璞的試驗處理濃度, 對-羥基苯甲酸,阿魏酸和香草酸三種酚類物質(zhì)濃度均為250 mg·L-1。

對于棉花幼苗生長來說, 根系是最早感受環(huán)境信號, 并產(chǎn)生相應的生理反應, 繼而影響地上部生長。與對照相比, 所有處理主根長和苗高受抑制, 根系活力下降, 說明P-HA、VA和FA 3種化感物質(zhì)對棉花幼苗生長有著抑制作用。VA對主根長和苗高的抑制作用最大, FA次之, 這與王璞[18]研究的結(jié)果基本一致?；形镔|(zhì)雖然抑制了棉花幼苗主根的伸長, 但增加了苗鮮質(zhì)量, 這與觀察中的化感物質(zhì)增加了側(cè)根數(shù)和促進側(cè)根數(shù)的生長的事實一致。這與劉瑞顯[19]小麥秸稈浸提液和腐解液處理下棉花幼苗主根長顯著降低, 但平均根直徑顯著增加結(jié)果一致。棉花幼苗的SOD、CAT酶活性降低, POD酶增加, 可能是因為棉花幼苗對外界環(huán)境化感脅迫而啟動的一種應激機制[20]。植株受到外來脅迫時通常會調(diào)動保護酶活性, 增強其清除氧自由基的能力, 保持細胞膜的穩(wěn)定性, 抵抗外界脅迫的不良影響[21], 但隨著脅迫時間的延長和脅迫程度的加重, 活性氧清除系統(tǒng)的功能逐漸降低, 活性氧積累的越來越多, 使細胞膜流動性下降, MDA含量降低。

本試驗3種化感物質(zhì)含量是以連作30年棉田土壤為基準, 從各個指標綜合的綜合效果來說, 三種化感物質(zhì)及不同組合對棉花有著不利影響, 張重義[16]等認為植物的連作障礙更為主要成因可能是自毒物質(zhì)對植株產(chǎn)生的生理生化效應。由此可見, 酚酸化感物質(zhì)對棉花的生長所產(chǎn)生的影響是造成棉花連作障礙的原因之一。3種化感物質(zhì)混合時比一種酚酸化感物質(zhì)對棉花的作用效果小, 表現(xiàn)為拮抗作用, 說明3種化感物質(zhì)之間存在相互抵消彼此毒害或抑制的作用。兩種化感物質(zhì)組合時, P-HA+VA和P-HA+ FA組合的作用效果小于VA+FA組合, 說明P-HA對VA和FA存在著抵消作用, 由于P-HA對棉花種子萌發(fā)和幼苗生長的作用效果最小, 表明3種化感物質(zhì)組合之間的拮抗效應與化感物質(zhì)的濃度和效果密切相關, 與何華勤等[22]結(jié)論基本一致。

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Allelopathic effects of different combinations of phenolic acid allelochemicals on cotton seed germination and seedling growth

LI Linlin, LIU Jianguo*, YAN Peng, TANG Rong, BAI Zhigui, LIU Wenliang

College of agriculture, Shihezi University, Shihezi 832003, China

In order to elucidate the allelopathic effect of exogenous phenolic acid allelochemicals on cotton seed germination and seedling growth and development, three phenolic acid allelochemicals, p-hydroxybenzoic acid (P-HA), vanillin (VA), ferulic acid (FA), were detected in the soil of cotton continuous cropping for 30 years in the field natural state on the cotton seed germination and seedling growth.The results showed that the three phenolic acid-sensing substances had significant effects on cotton seed germination and seedling growth,and had an adverse effect on the physiological enzyme activities of seedlings.When two or more allelochemicals were mixed, the effect of phenolic acid allelochemicals on cotton was less than that of phenolic acid allelochemicals, indicating that there were antagonistic effects among p-hydroxybenzoic acid, vanillin and ferulic acid.P-HA had a counteracting effect on VA and FA. The antagonistic effect of three allelochemicals combination was closely related to the concentration and effect of allelochemicals.

phenolic; allelochemicals; cotton; interactive effect

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.06.016

S344.3

A

1008-8873(2019)06-115-05

2018-11-18;

2019-02-19

國家自然科學基金(31560375)

李琳琳(1994—), 男, 碩士研究生, 從事綠洲生態(tài)環(huán)境研究, E-mail:1506269652@qq.com

劉建國(1968—), 男, 博士, 教授, 主要從事農(nóng)田生態(tài)環(huán)境研究, E-mail:l-jianguo@126.com

李琳琳, 劉建國, 燕鵬, 等. 不同外源酚酸化感物質(zhì)組合對棉花種子萌發(fā)和幼苗生長的化感效應[J]. 生態(tài)科學, 2019, 38(6): 115-119.

LI Linlin, LIU Jianguo, YAN Peng, et al. Allelopathic effects of different combinations of phenolic acid allelochemicals on cotton seed germination and seedling growth[J]. Ecological Science, 2019, 38(6): 115-119.