鐵棒錘地上部分水浸提液對7種草種子化感作用研究

汪玲玲，魚小軍，楊航

(甘肅農業(yè)大學草業(yè)學院，草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室，甘肅省草業(yè)工程實驗室，中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070)

化感作用是植物通過淋溶、揮發(fā)、枯落物分解和根系分泌等方式向周圍環(huán)境釋放化學物質，從而影響鄰近植物種子萌發(fā)和幼苗生長[1-2]，以及植物群落的組成和演替的過程[3]。當前，受氣候變化及日趨頻繁的人類經濟活動的共同影響，三江源地區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化，高寒草地大面積退化[4]。有研究表明，毒雜草由于其強大的種子繁殖能力和集群分布方式，擴張了其種群面積，會產生化感物質抑制牧草生長，從而導致天然草地嚴重退化[5]。同時張寶琛等[6]研究認為，高寒草甸人工草地退化過程中，化感作用可能是導致草地自然退化的重要原因。

鐵棒錘(Aconitumpendulum)是毛茛科(Ranunculanceae)多年生草本植物，由于具有耐旱、耐寒和不被家畜喜食等特性，近年來已成為退化草地中主要的毒雜草之一，因較強的競爭力成為有些退化草地的主要群落[7]。研究表明，鐵棒錘具有較強的化感作用，其植株水浸提液會顯著抑制中華羊茅(Festucasinensis)種子發(fā)芽，降低青海草地早熟禾種子發(fā)芽率[8]，同時周毛措[7]研究發(fā)現(xiàn)，鐵棒錘地上部分水浸提液在不同濃度下對4種受體植物的抑制效應不同，說明其化感作用存在濃度效應。

近年來，關于鐵棒錘化感作用的研究多重復于幾種牧草，受試植物種類較少，因此對鐵棒錘化感作用的專一性研究較為欠缺。鑒于此，本試驗選取箭筈豌豆(Viciasativa)、豌豆(Pisumsativum)、燕麥(Avenasativa)、垂穗披堿草(Elymusnutans)、一年生黑麥草(Loliummultiflorum)、草地早熟禾(Poapratensis)和小黑麥(TriticumSecale)7種受試植物，研究鐵棒錘地上部分水浸提液對受試植物種子萌發(fā)及幼苗生長的影響，旨在明確7種受試植物對鐵棒錘化感作用的響應差異，為進一步解釋三江源地區(qū)鐵棒錘化感作用機制和退化草地生態(tài)修復提供一定的理論依據。

1 材料和方法

1.1 實驗材料

供體材料為鐵棒錘地上部分，采集于青海省果洛州瑪沁縣的高寒草甸。

受體材料分別是箭筈豌豆、豌豆、燕麥、垂穗披堿草、一年生黑麥草、草地早熟禾和小黑麥，種子來源于甘肅農業(yè)大學草業(yè)學院。

1.2 鐵棒錘地上部分水浸提液制備

將采集到的鐵棒錘地上部分晾干，剪成1 cm左右的小段，稱取100 g置于燒杯中，加1 000 mL蒸餾水在室溫下浸泡48 h，隔24 h攪拌1次，經雙層紗布過濾3次，最后將濾液轉移到容量瓶，蒸餾水定容至1 000 mL，制成0.1 g/mL的鐵棒錘地上部分水浸提液，利用稀釋法分別配制濃度為0.01、0.025、0.0、0.1 g/mL的浸提液[9]，置于4 ℃冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 發(fā)芽實驗

選取大小一致，飽滿健康的7種受體植物種子，75%酒精浸泡1 min，蒸餾水沖洗至無酒精味，吸水紙吸干表面水分。采用一次性培養(yǎng)皿紙上發(fā)芽法，在直徑12 cm的培養(yǎng)皿中鋪雙層濾紙，每個培養(yǎng)皿各均勻擺放50粒受體植物種子，分別加入上一步制備的0.01、0.025、0.05和0.1 g/mL鐵棒錘地上部分水浸提液6 mL，加入等量蒸餾水為對照(CK)，每個處理設4個重復。培養(yǎng)皿蓋上蓋子，置于溫度為20 ℃，濕度70%，光周期12 h，光照強度2 000 lx光照培養(yǎng)箱中。為保證濃度一致，每天定時更換濾紙并分別注入6 mL鐵棒錘地上部分水浸提液，對照組加入等量蒸餾水。

1.4 指標測定

每天記錄種子的發(fā)芽數(shù)，以胚根突破種皮并達種子長度一半為發(fā)芽標準，在發(fā)芽第3 d測定受體植物種子發(fā)芽勢，在第7天測定種子發(fā)芽率，并從每個培養(yǎng)皿中隨機選取10株用游標卡尺測量芽長和根長，取平均值[10-11]。

發(fā)芽率(GR)=(第7天發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù))×100%

發(fā)芽勢(GP)=(第3天發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù))×100%

發(fā)芽指數(shù)(GI)=∑(Gt/Dt)(Gt：在t天內的發(fā)芽數(shù)，Dt：第t天)

1.5 化感效應綜合評價

為綜合分析鐵棒錘地上部分水浸提液對7種受體植物種子萌發(fā)和幼苗生長的化感作用，參照Williamson[12]的方法，利用發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、芽長和根長5個指標的化感作用效應指數(shù)(RI)計算得出化感綜合效應指數(shù)，并計算化感綜合效應(SE)。

RI=1-C/T(T≥C)

RI= T/C-1(T

式中：C表示對照值，T為處理值。RI<0表示抑制作用,RI>0表示促進作用。

化感綜合效應(SE)=(RI發(fā)芽率+RI發(fā)芽勢+RI發(fā)芽指數(shù)+RI芽長+RI根長)/5

1.6 數(shù)據處理

利用Excel 2016和SPSS 24.0進行數(shù)據分析與處理，采用單因素方差分析和Duncan法檢驗不同濃度的鐵棒錘地上部分水浸提液對7種植物種子萌發(fā)和幼苗生長的相關指標測定值的差異性，顯著性水平為0.05，試驗數(shù)據以平均值±標準誤差表示。

2 結果與分析

2.1 鐵棒錘地上部分水浸提液對受體植物種子發(fā)芽率的影響

隨著鐵棒錘地上部分水浸提液濃度的增大，箭筈豌豆、燕麥、垂穗披堿草、一年生黑麥草和草地早熟禾種子的發(fā)芽率均呈現(xiàn)下降的趨勢。0.1 g/mL濃度處理下，箭筈豌豆、燕麥、一年生黑麥草和垂穗披堿草種子的發(fā)芽率顯著低于對照(P<0.05)；4組濃度處理下，草地早熟禾種子的發(fā)芽率均顯著低于對照(P<0.05)；隨著鐵棒錘地上部分水浸提液濃度增大，小黑麥發(fā)芽率呈逐漸上升趨勢，0.1 g/mL較對照增加了6.9%。在0.1 g/mL濃度的浸提液處理下，草地早熟禾種子發(fā)芽率較對照降幅最大，為75.8%，其次是燕麥和一年生黑麥草，分別降低了23.4%、28.9%(表1)。

表1 鐵棒錘地上部分浸提液處理下7種草種子發(fā)芽率

2.2 鐵棒錘地上部分水浸提液對受體植物種子發(fā)芽勢的影響

隨著鐵棒錘地上部分水浸提液濃度的增大，箭筈豌豆、燕麥、一年生黑麥草、草地早熟禾和小黑麥種子的發(fā)芽勢均呈現(xiàn)下降的趨勢，豌豆種子的發(fā)芽勢呈現(xiàn)上升的趨勢(表2)。0.01 g/mL濃度處理下，箭筈豌豆和小黑麥的發(fā)芽勢與對照相比無顯著差異(P>0.05)。0.1 g/mL濃度的鐵棒錘地上部分浸提液處理下，與各種子對照處理發(fā)芽勢相比，燕麥種子發(fā)芽勢降低49.3%，垂穗披堿草種子發(fā)芽勢降低了24.4%(P<0.05)，一年生黑麥草種子發(fā)芽勢顯著降低了41.9%，草地早熟禾種子發(fā)芽勢顯著降低了83.3%；0.1 g/mL濃度的鐵棒錘地上部分浸提液處理下，豌豆的發(fā)芽勢較對照顯著降低了34.8%(P<0.05)(表2)。

表2 鐵棒錘地上部分浸提液處理下7種草種子的發(fā)芽勢

2.3 鐵棒錘地上部分水浸提液對受體植物發(fā)芽指數(shù)的影響

隨著鐵棒錘地上部分水浸提液濃度增大，箭筈豌豆、燕麥、一年生黑麥草、草地早熟禾和小黑麥種子的發(fā)芽指數(shù)均呈現(xiàn)下降的趨勢；豌豆種子的發(fā)芽指數(shù)呈現(xiàn)上升的趨勢。垂穗披堿草種子的發(fā)芽指數(shù)隨著鐵棒錘地上部分水浸提液濃度的增大呈現(xiàn)出先升高后下降趨勢(表3)。0.1 g/mL濃度的鐵棒錘地上部分水浸提液處理，燕麥和垂穗披堿草種子發(fā)芽指數(shù)分別較對照降低了40.6%和36.3%(P<0.05)；0.01 g/mL濃度處理下，豌豆的發(fā)芽指數(shù)較對照顯著降低了34.4%(P<0.05)；0.05、0.1 g/mL濃度處理下，一年生黑麥草的發(fā)芽指數(shù)顯著低于對照(P<0.05)。0.01，0.025，0.05，0.1 g/mL濃度處理下，草地早熟禾種子發(fā)芽指數(shù)均顯著低于對照，較對照分別降低了34.2%、37.4%、69.0%和83.4%(P<0.05)。

表3 鐵棒錘地上部分浸提液處理下7種草種子的發(fā)芽指數(shù)

2.4 鐵棒錘地上部分水浸提液對受體植物芽長的影響

隨著鐵棒錘地上部分水浸提液濃度增大，箭筈豌豆、垂穗披堿草、豌豆、一年生黑麥草和草地早熟禾芽長與鐵棒錘地上部分水浸提液濃度呈負相關，燕麥芽長與浸提液濃度呈正相關，小黑麥芽長隨著鐵棒錘地上部分水浸提液濃度的增大呈先升高后下降趨勢(表4)。0.025、0.05和0.1 g/mL濃度浸提液處理下，豌豆的芽長較對照分別降低了11.1%、12.2%和14.4%(P<0.05)；0.1 g/mL濃度鐵棒錘地上部分水浸提液處理下，箭筈豌豆、垂穗披堿草、一年生黑麥草和草地早熟禾芽長分別較各自對照降低了23.0%、36.1%、45.1%和66.4%(P<0.05)。0.05 g/mL濃度處理下，小黑麥芽長較對照顯著增加了28.5%(P<0.05)。

表4 鐵棒錘地上部分浸提液處理下7種草種子的芽長

2.5 鐵棒錘地上部分水浸提液對受體植物根長的影響

隨著鐵棒錘地上部分水浸提液濃度的增大，箭筈豌豆、燕麥、垂穗披堿草、豌豆、一年生黑麥草和草地早熟禾根長均呈現(xiàn)負增長趨勢，小黑麥根長隨鐵棒錘地上部分水浸提液濃度的增大呈先升高后下降趨勢。0.1 g/mL濃度處理下，箭筈豌豆根長較對照降低了62.4%(P<0.05)；0.05、0.1 g/mL浸提液濃度處理下，燕麥根長分別較對照降低了50.0%和51.2%，垂穗披堿草較對照分別降低了35.5%和61.9%(P<0.05)，草地早熟禾根長分別較對照降低了66.4%和69.7%(P<0.05)；在鐵棒錘地上部分水浸提液處理下，豌豆根長在0.01，0.025，0.5，0.1 g/mL濃度處理下分別較對照顯著降低了19.7%、22.5%、22.9%和55.7%(P<0.05)(表5)。

表5 鐵棒錘地上部分浸提液處理下7種草種子的根長

2.6 鐵棒錘地上部分浸提液對受體植物化感綜合效應指數(shù)及兩者相關性的影響

隨著鐵棒錘地上部分浸提液濃度的升高，箭筈豌豆、燕麥、垂穗披堿草、一年生黑麥草和草地早熟禾受到的抑制作用逐漸增強；小黑麥種子受浸提液化感作用影響呈現(xiàn)出“低促高抑”的變化趨勢。浸提液濃度為0.01、0.025 g/mL時，對燕麥種子萌發(fā)具有促進作用，濃度為0.05、0.1 g/mL時則為抑制作用。鐵棒錘地上部分浸提液濃度為0.01、0.025和0.05 g/mL時，對小黑麥的萌發(fā)表現(xiàn)為促進作用，而濃度為0.1 g/mL時則為抑制作用(表6)。

表6 鐵棒錘地上部分浸提液處理下7種草種子的化感綜合效應指數(shù)

在鐵棒錘地上部分浸提液處理下，7種草種的化感綜合效應指數(shù)均與浸提液濃度之間存在顯著的相關性。因此，用線性回歸方程擬合化感綜合效應指數(shù)與鐵棒錘地上部分浸提液濃度之間的關系，利用各草種的回歸方程斜率大小來判斷種子萌發(fā)和幼苗生長對浸提液濃度的敏感程度(圖1)。不同草種對鐵棒錘地上部分浸提液濃度變化的化感響應不同，箭筈豌豆、燕麥、垂穗披堿草、一年生黑麥草、草地早熟禾和小黑麥6種受體植物的化感綜合效應指數(shù)與鐵棒錘地上部分浸提液濃度成負相關，豌豆化感綜合效應指數(shù)與鐵棒錘地上部分浸提液濃度成正相關。最終得出7種草種萌發(fā)和幼苗生長過程中對浸提液濃度變化的敏感度順序為：草地早熟禾>一年生黑麥草>燕麥>垂穗披堿草>箭筈豌豆>豌豆>小黑麥。

圖1 7種受體植物種子化感綜合效應指數(shù)(SE)與鐵棒錘地上部分浸提液濃度的關系

3 討論

化感作用是植物體通過釋放化感物質進而影響受體植物整個發(fā)育過程的現(xiàn)象。大量研究顯示，由于供體植物浸提液濃度和受體植物種類的不同，化感作用存在差異[13-14]。本研究結果表明，隨著鐵棒錘地上部分水浸提液濃度的增大，垂穗披堿草的發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)以及小黑麥的根長和芽長呈現(xiàn)“低促高抑”雙重效應，這與白千層枯落物浸提液對黑麥草的影響一致[15]。在鐵棒錘地上部分浸提液影響下，箭筈豌豆、一年生黑麥草、草地早熟禾種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、芽長和根長呈現(xiàn)不同程度的降低，而豌豆的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)以及小黑麥種子的發(fā)芽率并未降低，在0.1 g/mL濃度的水浸提液處理下，7種受試草種的芽長和根長均較對照有所降低，充分表明了化感物質具有選擇性、專一性和濃度效應，盧艷敏等[16]研究發(fā)現(xiàn)，隨著白三葉水浸提液濃度升高，黑麥草種子發(fā)芽受到的抑制作用越強，這與本實驗結果一致。姚丹丹等[17]研究發(fā)現(xiàn)香豆素對多花黑麥草種子發(fā)芽及幼苗生長有明顯的抑制效應，香豆素不但能降低種子胚乳中淀粉的轉化利用效率，而且還能破壞胚乳細胞的細胞膜和細胞壁，并且會因為細胞失水導致細胞質壁分離，從而導致種子萌發(fā)和幼苗生長受到阻礙；何華勤等[18]研究發(fā)現(xiàn)肉桂酸對稗草(Echinochloacrusgalli)根的生長表現(xiàn)出明顯的抑制效應；陶茸等[19]發(fā)現(xiàn)5 mg/L的咖啡酸對苜蓿根的生長表現(xiàn)出抑制效應。在本實驗中，鐵棒錘地上部分水浸提液對受體植物種子產生抑制作用的原因可能是鐵棒錘地上部分經過水的浸泡，釋放出多種化感物質，導致種子活力下降。同時也有學者研究發(fā)現(xiàn)化感物質會顯著影響種子內α淀粉酶活性，致使種子萌發(fā)及幼苗生長受到影響[11,20]。

通過對7種受體植物種子的化感綜合評價發(fā)現(xiàn)，低濃度處理下燕麥、小黑麥的化感效應指數(shù)為正，說明低濃度鐵棒錘地上部分浸提液對2種受體植物的種子萌發(fā)和幼苗生長過程存在促進作用，而較高濃度處理下，化感效應指數(shù)為負，說明化感物質需要積累到一定的濃度水平才會引起化感作用，這與李鴻林[22]在伏毛鐵棒錘對幾種禾草的化感研究結果相似。同時，本研究結果發(fā)現(xiàn)，鐵棒錘地上部分水浸提液濃度處理下，草地早熟禾、一年生黑麥草和燕麥種子對浸提液產生的化感作用較敏感，低濃度促進萌發(fā)和幼苗生長，高濃度抑制萌發(fā)和幼苗生長，說明不同草種響應化感作用的能力不同，導致同一供體植物對不同受體植物種子產生的化感作用存在差異，這可能是受體植物之間響應敏感環(huán)境的生理機制有所不同，從而產生了化感物質的專一性。

綜上所述，鐵棒錘地上部分對7種受體草種子萌發(fā)和幼苗生長呈現(xiàn)出不同程度的化感作用，說明鐵棒錘在青藏高原退化高寒草地能夠形成優(yōu)勢種，除了自身的超強抗性外，與它對其他草種存在的化感作用也密切相關。這表明在后期采取恢復草地退化的措施時，不但要考慮人為因素破壞草地過度放牧，同時要考慮高寒退化草地優(yōu)勢毒雜草鐵棒錘產生的化感作用對周圍生境中其他植物產生的影響[4,23-24]。在以鐵棒錘為優(yōu)勢種的青藏高原退化草地類型上優(yōu)先選擇小黑麥進行草地生態(tài)修復，種植草地早熟禾、一年生黑麥草、燕麥時，應將鐵棒錘株體徹底清理干凈；種植垂穗披堿草、豌豆、箭筈豌豆時可保留少許。同時在對退化草地人工建植和管理時，應對鐵棒錘積極防治，避免對栽培牧草產生消極影響。

4 結論

鐵棒錘地上部分水浸提液對箭筈豌豆、燕麥、垂穗披堿草、豌豆、一年生黑麥草和草地早熟禾種子萌發(fā)均存在抑制作用，對小黑麥種子發(fā)芽存在促進作用；在鐵棒錘地上部分水浸提液處理下，燕麥和一年生黑麥草芽長存在“低促高抑”的現(xiàn)象；箭筈豌豆、燕麥、垂穗披堿草、豌豆、一年生黑麥草和草地早熟禾根長均隨著水浸提液濃度增大呈現(xiàn)負增長。7種草種子對浸提液的敏感程度為：草地早熟禾>一年生黑麥草>燕麥>垂穗披堿草>箭筈豌豆>豌豆>小黑麥。