稗草種植液誘導(dǎo)對(duì)不同化感潛力水稻生長(zhǎng)和土壤酶活性的影響

張 奇, 張清旭, 汪 鵬, 林舜賢, 陳 堯, 李家玉, 何海斌

(1.武夷學(xué)院茶與食品學(xué)院，福建 武夷山 354300;2.福建農(nóng)林大學(xué)福建省農(nóng)業(yè)生態(tài)過(guò)程與安全監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350002;3.福建農(nóng)林大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350002)

雜草危害是影響水稻產(chǎn)量的重要因素.利用化感控制田間雜草是重要的研究領(lǐng)域[1-5].利用水稻自身化感作用控制稻田雜草不僅可以減少除草劑的使用，而且保護(hù)生態(tài)環(huán)境，維護(hù)稻田生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性，符合低碳生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展方向，也是當(dāng)前農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)與焦點(diǎn)之一[6].

Dilday et al[7]首次在田間試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)對(duì)鴨跖草(Heterantheralimosa)具有化感作用的水稻(OryzasativaL.).然而，在過(guò)去的三十多年里，未有化感水稻品種被成功地用于水稻生產(chǎn)，一方面是因?yàn)樗净凶饔檬菙?shù)量遺傳，與水稻化感作用相關(guān)基因的定位結(jié)果不一致[8-10]，另一方面是，水稻化感受多基因遺傳控制，在氮、磷、鉀脅迫和水脅迫、UV-B脅迫、雜草脅迫等脅迫下都能提高水稻化感作用[11-14]，但這些都不能應(yīng)用于實(shí)際的田間生產(chǎn)中.水稻化感具有化學(xué)誘導(dǎo)響應(yīng)機(jī)制，在外源化學(xué)物質(zhì)誘導(dǎo)下可以誘導(dǎo)提高水稻化感作用[15-17].之前的研究證實(shí)，在水培系統(tǒng)中，不同化感潛力水稻使用稗草種植液誘導(dǎo)都可以有效地誘導(dǎo)提高水稻化感潛力[18,19].利用誘導(dǎo)技術(shù)來(lái)增強(qiáng)水稻的化感作用，特別是在常規(guī)水稻品種中，可能是一種更加實(shí)用和有價(jià)值的方法.然而，Olofsdotter[20]提出關(guān)于化感作用的生理成本問(wèn)題，即化感物質(zhì)的生產(chǎn)可能需要消耗原本用于植物生長(zhǎng)和生產(chǎn)的物質(zhì)和能量.雖然未有研究表明化感作用可引起產(chǎn)量損失，但這種可能性需要試驗(yàn)驗(yàn)證.

土壤酶的活性對(duì)土壤環(huán)境的變化十分敏感[21,22].水稻的生長(zhǎng)伴隨著根系的生長(zhǎng)，根系向根際釋放一系列有機(jī)化合物，干擾或促進(jìn)水稻土壤中的微生物種群和酶活性[23].林瑞余等[24]研究表明，化感水稻分泌化感物質(zhì)會(huì)抑制一部分酶的活性，如：脫氫酶、過(guò)氧化物酶、多酚氧化酶和纖維素分解酶的活性，同時(shí)，也會(huì)提高一部分酶的活性，如：酸性磷酸酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶和過(guò)氧化氫酶活性.Gu et al[25]研究表明，化感水稻PI312777分泌黃酮類物質(zhì)可以誘導(dǎo)提高水稻根際土壤脲酶、蔗糖酶、脫氫酶和多酚氧化酶活性.張奇等[26]利用不同田間管理模式，研究不同化感潛力水稻根際土壤酶活性變，結(jié)果表明，化感水稻PI312777根際土壤脲酶、蛋白酶和蔗糖酶活性要高于非化感水稻Lemont，且在雜草脅迫下，化感水稻PI312777根際土壤脲酶、蛋白酶和蔗糖酶活性都得到提高.但直接 利用稗草種植液誘導(dǎo)水稻提高化感作用，這對(duì)水稻根際土壤酶活的影響還未有相關(guān)報(bào)道.本研究旨在探討在土培種植條件下，稗草種植液誘導(dǎo)對(duì)水稻化感潛力、水稻生長(zhǎng)和根際土壤酶活性的影響，以及誘導(dǎo)化感潛力的變化與生長(zhǎng)指標(biāo)、土壤酶活性的變化之間的關(guān)系，為闡明水稻化感作用的誘導(dǎo)響應(yīng)機(jī)制提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 稗草種植和稗草根系分泌物收集

稗草種植和種植液的收集參照Z(yǔ)hang et al[18]，將稗草種植在Hoagland營(yíng)養(yǎng)液中，25 d后(約6葉期)，種植液過(guò)濾，再用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮(溫度40 ℃)，將濃縮液放4 ℃，靜置沉淀24 h，離心去除沉淀物，最后定容(相當(dāng)于1 mL濃縮液等于1株稗草分泌液)，即為后續(xù)實(shí)驗(yàn)用的稗草誘導(dǎo)液，-20 ℃儲(chǔ)藏備用.

1.2 水稻土培種植和誘導(dǎo)處理

水稻品種選擇國(guó)際公認(rèn)的化感水稻PI312777和其對(duì)照非化感水稻Lemont[27,28]為試驗(yàn)材料.水稻種植在福建農(nóng)林大學(xué)室外網(wǎng)室，試驗(yàn)期間溫度為25～34 ℃.水稻種植采用抑草圈法，種植簡(jiǎn)述為[29]，把冒芽的水稻種子移植到裝有10 kg土的圓盆(上直徑37 cm×下直徑27 cm×高13 cm)，每盆5顆.每天澆適量的水以保持土壤濕潤(rùn).待水稻長(zhǎng)至3葉期時(shí)，在距離水稻苗5 cm處土壤挖以寬1 cm深0.5 cm的小溝，每盆加15 mL的稗草種植液，標(biāo)示PI(+B)和LE(+B)，對(duì)照組添加15 mL的蒸餾水，標(biāo)示PI(-B)和LE(-B).待水稻4葉期、5葉期時(shí)，利用同樣方式處理.5葉期誘導(dǎo)1 d后，將一葉期的稗草移植到盆中距離水稻12 cm處，每盆5株，等間距分布.另單獨(dú)種植無(wú)水稻苗的5株稗草為對(duì)照(CK).試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)重復(fù).移植6 d后，測(cè)量稗草的株高，按下式計(jì)算抑制率：IR=(對(duì)照組生長(zhǎng)指標(biāo)-處理組生長(zhǎng)指標(biāo))/對(duì)照組生長(zhǎng)指標(biāo)×100%.同時(shí)測(cè)量水稻的株高、葉綠素含量、葉片氮素含量、倒二葉長(zhǎng)度、地上部鮮重，將測(cè)完地上部鮮重的水稻放105 ℃殺青5 min，后轉(zhuǎn)移到80 ℃烘至恒重，測(cè)定干重.同時(shí)采用抖落法收集水稻的根際土壤[30]，用于研究根際土壤酶活性.

1.3 水稻根際土壤酶活性測(cè)定

土壤酶活性測(cè)定參照李振高等[31]方法.各酶檢測(cè)方法簡(jiǎn)述為，取10 g過(guò)1 mm篩的新鮮土壤，以硫酸銨為標(biāo)樣定量脲酶活性.取5 g過(guò)2 mm篩的新鮮土壤，采用Folin比色法，以酪氨酸為標(biāo)樣定量蛋白酶活性.取5 g過(guò)2 mm篩的新鮮土壤，采用硝基水楊酸比色法，以葡萄糖為標(biāo)樣定量蔗糖酶活性.取1 g過(guò)2 mm篩的新鮮土壤，以沒(méi)食子酸為標(biāo)樣定量多酚氧化酶活性.取1 g過(guò)2 mm篩的新鮮土壤，以沒(méi)食子酸為標(biāo)樣定量過(guò)氧化物酶活性.取1 g過(guò)2 mm篩的新鮮土壤，采用對(duì)硝基苯磷酸鹽法，以對(duì)硝基苯酚為標(biāo)樣定量磷酸單酯酶活性.各酶活測(cè)定都重復(fù)3次.

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2013軟件進(jìn)行繪圖.數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和方差分析、顯著性差異分析使用DPS軟件進(jìn)行，采用最小顯著性差異法(LSD法)進(jìn)行顯著性差異分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 稗草種植液誘導(dǎo)對(duì)水稻抑草潛力的影響

與未誘導(dǎo)對(duì)照比較，稗草種植液誘導(dǎo)處理后顯著(P<0.05)提高了兩種水稻對(duì)共培稗草株高的抑制率(圖1).其中化感水稻PI312777的抑制率從20.96%上升到26.13%，提高了5.17%；非化感水稻Lemont從5.56上升到12.74%，提高了7.18%.不同水稻品種及不同處理之間存在顯著差異(P<0.05).

2.2 稗草種植液誘導(dǎo)處理對(duì)不同化感潛力水稻生長(zhǎng)的影響

誘導(dǎo)處理后化感水稻PI312777的株高、地上部干重、倒二葉長(zhǎng)度、葉綠素含量和葉片氮素含量均有一定的增加，但均未達(dá)到顯著差異；非化感水稻Lemont誘導(dǎo)處理葉片水稻株高、地上部鮮重、地上部干重都有一定程度增加，倒二葉長(zhǎng)度有一定程度減小，但均未達(dá)到顯著差異.誘導(dǎo)處理后非化感水稻Lemont葉綠素和氮素含量顯著高于未誘導(dǎo)對(duì)照(P<0.05)，分別增加1.21倍和1.11倍.總體來(lái)看，稗草種植液誘導(dǎo)處理下對(duì)2個(gè)水稻品種的生長(zhǎng)指標(biāo)沒(méi)有顯著影響，而對(duì)非化感水稻Lemont的葉綠素和氮素含量影響較大.

1)PI：化感水稻PI312777；LE：非化感水稻Lemont；(+B)：稗草種植液誘導(dǎo)處理；(-B)：未誘導(dǎo)對(duì)照.小寫(xiě)字母表示在P<0.05水平的顯著性差異.

2.3 稗草種植液誘導(dǎo)水稻根際土壤酶活性分析

誘導(dǎo)處理后化感水稻PI312777根際土壤蛋白酶和過(guò)氧化物酶活性均降低，且蛋白酶活性與未誘導(dǎo)對(duì)照存在顯著差異(P<0.05)；脲酶、多酚氧化酶、蔗糖酶和磷酸單酯酶活性均提高，且多酚氧化酶、蔗糖酶和磷酸單酯酶活性與未誘導(dǎo)對(duì)照存在顯著差異(P<0.05)，3種酶分別增加1.12倍、1.84倍和1.45倍.誘導(dǎo)處理后非化感水稻Lemont根際土壤過(guò)氧化物酶、多酚氧化酶和蔗糖酶活性均得到提高，且過(guò)氧化物酶和多酚氧化酶與對(duì)照相比存在顯著差異(P<0.05)，兩種酶分別降低1.39倍和1.46倍；蛋白酶、脲酶和磷酸單酯酶活性均提高，且脲酶和磷酸單酯酶活性與未誘導(dǎo)對(duì)照存在顯著差異(P<0.05)，2種酶分別提高1.33倍和1.91倍.

2.4 相關(guān)性分析

相關(guān)性分析結(jié)果表明(表2)，稗草種植液誘導(dǎo)后水稻化感潛力提升與水稻株高、地上部鮮重和地上部干重的增加呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與葉片氮素含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05).誘導(dǎo)處理對(duì)不同化感潛力水稻株高、地上部鮮重和地上部干重3者之間的變化都呈極顯著正相關(guān)(P<0.01).同時(shí)葉片氮素含量與株高、地上部鮮重和地上部干重的變化都呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與葉片葉綠素含量的變化呈極顯著正相關(guān)(P<0.01).

表2 水稻化感潛力與水稻生長(zhǎng)指標(biāo)的相關(guān)性1)

1)**：P<0.01，*：P<0.05.AP：化感潛力；PH：株高；AFW：地上部鮮重；ADW：地上部干重；LPL：倒二葉長(zhǎng)度；CC：葉綠素含量；NC：氮素含量.

稗草種植液誘導(dǎo)處理后，水稻化感潛力變化與水稻根際土壤酶活性變化之間無(wú)顯著相關(guān)性.土壤脲酶的變化與多酚氧化酶和過(guò)氧化物酶呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，蔗糖酶與蛋白酶呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，磷酸單酯酶與過(guò)氧化物酶呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，與脲酶呈顯著正相關(guān)(P<0.05).

表3 水稻化感潛力與土壤酶活相關(guān)性1)

1)**：P<0.01，*：P<0.05.AP：化感潛力；Pro：蛋白酶；Per：過(guò)氧化物酶；Pol：多酚氧化酶；Ure：脲酶；Suc：蔗糖酶；Pho：磷酸單酯酶.

3 討論

水稻化感作用具有化學(xué)誘導(dǎo)響應(yīng)機(jī)制[17,16,32]，且在水培體系中證實(shí)了稗草種植液誘導(dǎo)可以有效提高化感水稻PI312777和非化感水稻Lemont的化感潛力[18,19].本研究在土壤種植條件下，利用稗草種植液連續(xù)誘導(dǎo)化感水稻PI312777和非化感水稻Lemont，結(jié)果表明，2種水稻對(duì)共培稗草株高的抑制率都顯著得到提升(P<0.05)(圖1)，說(shuō)明稗草種植液進(jìn)入土壤中對(duì)水稻化感潛力的誘導(dǎo)仍然是有效的.稗草種植液誘導(dǎo)后非化感水稻Lemont的化感潛力提升的要大于化感水稻PI312777，這可能是由于2種水稻對(duì)稗草生長(zhǎng)抑制的機(jī)制不同導(dǎo)致的，化感水稻PI312777通過(guò)增加化感物質(zhì)提高化感潛力提高對(duì)稗草生長(zhǎng)的抑制，而非化感水稻Lemont則是通過(guò)增加生長(zhǎng)增加資源競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)來(lái)提高對(duì)稗草生長(zhǎng)的抑制.土培條件下誘導(dǎo)水稻提高化感潛力的效果雖然不能達(dá)到完全防治稗草的目的，但可以顯著抑制苗期稗草的生長(zhǎng)，這為誘導(dǎo)提高水稻苗期化感作用，減少水稻幼苗期的化學(xué)除草劑的用量，提供了新的途徑.

Olofsdotter[20]研究表明，水稻化感物質(zhì)的生產(chǎn)可能會(huì)消耗額外的能量和資源，這可能會(huì)影響水稻的生長(zhǎng)和產(chǎn)量.本試驗(yàn)結(jié)果表明，在水稻苗期利用稗草種植液誘導(dǎo)有利于水稻的生長(zhǎng)(表1).在外源化學(xué)物質(zhì)的作用下，水稻幼苗可以提高葉綠素含量生長(zhǎng)的更快，物質(zhì)積累也更多.這個(gè)結(jié)果消除了人們對(duì)于提高水稻化感作用可能導(dǎo)致水稻消耗更多物質(zhì)和能量，使其生長(zhǎng)和產(chǎn)量受到影響的疑慮.相關(guān)性結(jié)果表明，水稻化感作用跟水稻生長(zhǎng)顯著相關(guān)(表2)，合理的田間管理有助于提高水稻化感作用.研究結(jié)果還表明，非化感水稻Lemont在誘導(dǎo)后鮮重、干重分別增加1.21倍和1.20倍，而化感水稻PI312777分別提升0倍和1.10倍，在生長(zhǎng)指標(biāo)上非化感水稻的變化要比化感水稻更加顯著.這提示了通過(guò)誘導(dǎo)可以顯著提高非化感水稻的抑草能力，進(jìn)一步揭示非化感水稻響應(yīng)誘導(dǎo)的機(jī)理機(jī)制，可為提高常規(guī)水稻的苗期抑草作用以減少除草劑用量提供了科學(xué)依據(jù)和應(yīng)用途徑.

水稻生態(tài)系統(tǒng)的土壤酶活性對(duì)提高和維持土壤肥力、保證水稻產(chǎn)量具有重要作用.土壤酶活性對(duì)土壤微環(huán)境的變化很敏感[21,22].水稻在生長(zhǎng)過(guò)程中釋放的各種化學(xué)物質(zhì)的差異也會(huì)導(dǎo)致水稻根際土壤酶活性產(chǎn)生差異[18,33].李海波等[34]研究表明，在稗草脅迫下可以提高化感水稻蔗糖酶活性，而非化感水稻的蔗糖酶活性會(huì)被抑制.這與本研究直接利用稗草種植液誘導(dǎo)結(jié)果一致(圖3).這說(shuō)明化感物質(zhì)的釋放會(huì)促進(jìn)蔗糖酶的活性.稗草種植液誘導(dǎo)可以顯著提高化感水稻PI312777多酚氧化酶、蔗糖酶和磷酸單酯酶的活性，非化感水稻Lemont只有磷酸單酯酶活性顯著提高(圖2).Zhang et al[19]研究表明，稗草種植液誘導(dǎo)下水稻根系分泌的酚酸含量顯著增加.Wang et al[35]研究表明，利用化感物質(zhì)苯甲酸和阿魏酸誘導(dǎo)水稻，其蔗糖酶、脫氫酶和多酚氧化酶活性顯著提高.本試驗(yàn)結(jié)果表明，稗草種植液誘導(dǎo)化感水稻PI312777根際土壤多酚氧化酶和蔗糖酶活性顯著提高.這可能是由于稗草種植液誘導(dǎo)水稻分泌更多的酚酸誘導(dǎo)水稻根際土壤酶活性提高，從而導(dǎo)致水稻化感作用增強(qiáng).這說(shuō)明水稻化感物質(zhì)的分泌是導(dǎo)致水稻根際土壤酶活產(chǎn)生變化的重要因素[18,24,33,35,36].雖然說(shuō)稗草種植液中存在酚酸等一些物質(zhì)可能會(huì)影響到水稻根系酶活，但其含量相對(duì)于水稻根系分泌物來(lái)說(shuō)是微乎其微[37]，水稻化感物質(zhì)的分泌才是影響水稻根際土壤酶活的主要原因.

相關(guān)性結(jié)果表明，稗草誘導(dǎo)水稻化感作用的提升與生長(zhǎng)顯著相關(guān)(表2)，這說(shuō)明水稻化感潛力與水稻自身的生長(zhǎng)息息相關(guān).有研究表明，水稻化感潛力從3葉期開(kāi)始表現(xiàn)隨葉期的增加而增加，化感水稻PI312777在6葉期對(duì)稗草的抑制率最強(qiáng)[29].但誘導(dǎo)提高水稻化感潛力與土壤酶活性增加之間沒(méi)有顯著相關(guān)，這可能是由于不同水稻品種響應(yīng)稗草種植液的策略差異導(dǎo)致，化感水稻在稗草種植液誘導(dǎo)下通過(guò)分泌更多的化感物質(zhì)如：酚酸等來(lái)增強(qiáng)化感作用[19]，導(dǎo)致土壤酶活性增強(qiáng)，而非化感水稻則是通過(guò)增強(qiáng)自身的生長(zhǎng)發(fā)育來(lái)提高競(jìng)爭(zhēng)[19].從整體來(lái)看土培條件下稗草種植液誘導(dǎo)可以誘導(dǎo)提高水稻化感潛力，但并不能達(dá)到完全抑制稗草的效果，這就需要適當(dāng)?shù)慕Y(jié)合除草劑來(lái)實(shí)現(xiàn)田間雜草的綜合防治.使用誘導(dǎo)劑誘導(dǎo)提高水稻化感作用，以減少除草劑的使用，為水稻化感在田間實(shí)際應(yīng)用提供基礎(chǔ).