青藏高原地區(qū)馬鈴薯主栽品種水浸提液的化感抑草作用

沈 碩

（青海大學(xué) 農(nóng)林科學(xué)院/青海省農(nóng)林科學(xué)院/青海省馬鈴薯育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/青藏高原生物技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/省部共建三江源生態(tài)與高原農(nóng)牧業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810016）

【研究意義】馬鈴薯（Solanum tuberosum）是茄科（Solanaceae）1 年生草本植物，是位居小麥、玉米和水稻之后的世界第四大糧食作物[1]。2015 年我國馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略的提出使得馬鈴薯生產(chǎn)在保障我國糧食安全中具有舉足輕重的地位。長(zhǎng)期以來，馬鈴薯田雜草危害給馬鈴薯生產(chǎn)帶來巨大的損失[2]。植物的化感作用，是指植物通過一系列途徑，向其所處環(huán)境中釋放化學(xué)物質(zhì)，進(jìn)而影響周圍植物生長(zhǎng)發(fā)育的過程。截至目前，化感抑草作用的研究主要集中以下4個(gè)方面：利用植物的化感物質(zhì)來開發(fā)相關(guān)的除草劑產(chǎn)品；利用作物的化感作用進(jìn)行地面覆蓋來控制雜草的萌發(fā)；利用含有化感基因的植物培育對(duì)雜草具有抗性的作物品種；利用在化感作物之間進(jìn)行合理地間作或輪作來抑制雜草的生長(zhǎng)發(fā)育等[3]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】大量研究[4-8]發(fā)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田雜草具有化感作用的作物主要包括水稻、黑麥、大麥、小麥和大豆等。此外，與馬鈴薯同為薯類作物的紅薯對(duì)禾草類雜草及闊葉草類雜草具有顯著的化感抑制作用[9-10]。然而，馬鈴薯化感作用的研究主要集中于秸稈和根際土壤水浸提液對(duì)番茄、茄子及辣椒等茄科植物的自毒作用以及對(duì)白菜、甜玉米的化感促進(jìn)作用[11-12]，有關(guān)馬鈴薯化感抑草的研究目前國內(nèi)外還未見報(bào)道。【本研究切入點(diǎn)】為了維持和增加作物的產(chǎn)量，化學(xué)除草劑已被廣泛用于農(nóng)田雜草的防除。但是，長(zhǎng)期大量使用化學(xué)除草劑會(huì)造成環(huán)境污染、農(nóng)藥殘留、雜草抗藥性等相關(guān)嚴(yán)重的問題[13]。因此，通過生物防治手段安全、有效地控制馬鈴薯田間雜草，尤其是利用植物化感作用防治田間雜草，被認(rèn)為是21世紀(jì)農(nóng)田除草的重要生防手段之一[14]。【擬解決的關(guān)鍵問題】為明確馬鈴薯對(duì)禾草類雜草及闊葉草類雜草的化感作用，本研究測(cè)定了青薯9號(hào)和175號(hào)2個(gè)青藏高原地區(qū)馬鈴薯主栽品種的不同器官水浸提液對(duì)野燕麥和自生油菜的種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的抑制活性，明確了青藏高原馬鈴薯主栽品種的化感抑草潛力及其化感作用來源，為開發(fā)馬鈴薯生防除草劑及其先導(dǎo)化合物、選育馬鈴薯抑草品種等研究提供了理論依據(jù)，同時(shí)對(duì)實(shí)現(xiàn)國家“雙減”目標(biāo)具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

馬鈴薯青薯9號(hào)和175號(hào)的完整植株于2017年9月采集自青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院試驗(yàn)田，將采集的馬鈴薯植株的根、莖、葉分別于室溫下避光晾干，置于4 ℃冰箱中保存；野燕麥（A.fauta）和自生油菜（B.napus）浩油11 號(hào)的種子由青海省農(nóng)林科學(xué)院保存。從保存的野燕麥和自生油菜種子中挑選顆粒飽滿、均一的種子作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，其中野燕麥千粒質(zhì)量為30.12 g，自生油菜千粒質(zhì)量為3.75 g。

1.2 馬鈴薯不同器官水浸提液的制備

將已采集保存的馬鈴薯青薯9 號(hào)和175 號(hào)的根、莖、葉部分，分別粉碎過2 mm 篩，稱取各部分100 g浸泡于1 000 mL 的蒸餾水中，于4 ℃、180 r/min 搖床浸提72 h，得到質(zhì)量濃度為100 g/L 的水浸提液。水浸提液經(jīng)過濾后，用蒸餾水依次將濃度稀釋為50，25，12.5，6.3 g/L，置于4 ℃冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 水浸提液對(duì)野燕麥和自生油菜種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的化感作用測(cè)定

采用濾紙片生測(cè)法[15]，選取大小一致、顆粒飽滿的野燕麥和自生油菜種子，用5%次氯酸鈉溶液浸泡15 min，再用無菌水?dāng)嚢铔_洗3次（每次3 min），種子經(jīng)濾紙吸干后，于25 ℃下催芽24 h，挑選露白一致的種子進(jìn)行活性測(cè)定。

向高壓滅菌的玻璃培養(yǎng)皿（d=9 cm）中鋪雙層濾紙，分別向不同的培養(yǎng)皿中加入1.2中制備好的不同質(zhì)量濃度（100，50，25，12.5，6.3 g/L）的水溶液5 mL，以清水為對(duì)照（CK）。向每個(gè)培養(yǎng)皿中放置露白一致的種子16 粒，每個(gè)處理3 次重復(fù)，將培養(yǎng)皿置于25 ℃的恒溫培養(yǎng)箱、黑暗培養(yǎng)3 d。從第4 天開始，將培養(yǎng)箱內(nèi)的光照周期設(shè)置為16 h光照/8 h黑暗。于培養(yǎng)后的第3天測(cè)定種子發(fā)芽率（種子發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)為胚根突破種皮2 mm），第7天同時(shí)測(cè)定根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)、鮮質(zhì)量并計(jì)算化感指數(shù)（RI）。

采用Williamson[16]提出的化感指數(shù)RI 作為衡量化感強(qiáng)度的指標(biāo)：RI=1-C/T（當(dāng)T≥C）；RI=T/C-1（當(dāng)T＜C），其中C是對(duì)照值，T是處理值，RI 則代表化感指數(shù)，當(dāng)RI＞0 時(shí)表現(xiàn)為促進(jìn)作用，當(dāng)RI＜0 時(shí)表現(xiàn)為抑制作用，RI 的絕對(duì)值代表作用強(qiáng)度的大小。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 19.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，應(yīng)用Duncan 氏新復(fù)極差法進(jìn)行各處理間的差異顯著性分析，采用系統(tǒng)聚類法對(duì)不同馬鈴薯品種不同器官水浸提液對(duì)2種雜草受體的化感作用進(jìn)行聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 2種馬鈴薯根水浸提液對(duì)受體植物種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響

如表1、2 和圖1 所示，5 個(gè)供試濃度下的青薯9 號(hào)和175 號(hào)根水浸提液，均能夠不同程度地抑制野燕麥和自生油菜種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)。當(dāng)青薯9 號(hào)和175 號(hào)根水浸提液質(zhì)量濃度大于25 g/L 時(shí)，隨著根水浸提液濃度的升高，野燕麥和自生油菜的發(fā)芽率、芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)和鮮質(zhì)量逐漸減小，化感作用逐漸增強(qiáng)。

表1 2種馬鈴薯根水浸提液對(duì)野燕麥種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響Tab.1 Impact of aqueous extracts from two potato varieties’root part on seed germination and seedling growth of A.fatua

如圖1所示，2個(gè)馬鈴薯品種的根水浸提液對(duì)野燕麥和自生油菜的化感作用不同。當(dāng)質(zhì)量濃度大于25 g/L 時(shí)，2個(gè)品種的馬鈴薯根水浸提液對(duì)自生油菜芽長(zhǎng)和根長(zhǎng)的化感作用均強(qiáng)于其對(duì)野燕麥的化感作用；當(dāng)質(zhì)量濃度為100 g/L 時(shí)，2 個(gè)品種的馬鈴薯根水浸提液對(duì)自生油菜的發(fā)芽率、芽長(zhǎng)和根長(zhǎng)的化感指數(shù)均為-1.00，即能夠完全抑制其種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)。值得注意的是，2個(gè)馬鈴薯品種的根水浸提液對(duì)2種雜草根長(zhǎng)的化感作用明顯強(qiáng)于其對(duì)芽長(zhǎng)和鮮質(zhì)量的化感作用。就品種而言，馬鈴薯175號(hào)不同濃度的根水浸提液對(duì)自生油菜芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)和鮮質(zhì)量的化感指數(shù)明顯低于青薯9號(hào)對(duì)自生油菜的化感指數(shù)，表現(xiàn)出較強(qiáng)的化感作用（圖1）。

圖1 2種馬鈴薯根水浸提液對(duì)野燕麥和自生油菜種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的化感作用Fig.1 Allelopathic effect of aqueous extracts from two potato varieties’root part on seed germination and seedling growth of A.fatua and B.napus

2.2 2種馬鈴薯莖水浸提液對(duì)受體植物種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響

如表3、4 和圖2 所示，2 個(gè)馬鈴薯品種不同濃度的莖水浸提液對(duì)受體植物種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)均具有化感作用。當(dāng)青薯9號(hào)和175號(hào)莖水浸提液質(zhì)量濃度大于25 g/L 時(shí)，隨著馬鈴薯莖水浸提液濃度的升高，野燕麥和自生油菜的發(fā)芽率、芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)和鮮質(zhì)量明顯減小，化感作用逐漸增強(qiáng)。

表3 2種馬鈴薯莖水浸提液對(duì)野燕麥種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響Tab.3 Impact of aqueous extracts from two potato varieties’stem part on seed germination and seedling growth of A.fatua

2 個(gè)品種的馬鈴薯莖水浸提液對(duì)野燕麥和自生油菜的化感作用不同。當(dāng)質(zhì)量濃度大于25 g/L 時(shí)，2 個(gè)品種的馬鈴薯莖水浸提液對(duì)自生油菜發(fā)芽率、芽長(zhǎng)和根長(zhǎng)的化感作用均強(qiáng)于其對(duì)野燕麥的化感作用；當(dāng)質(zhì)量濃度為100 g/L 時(shí)，2 個(gè)品種的馬鈴薯莖水浸提液對(duì)自生油菜發(fā)芽率、芽長(zhǎng)和根長(zhǎng)的化感指數(shù)均為-1.00，即能夠完全抑制其種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)。值得注意的是，2 個(gè)品種的馬鈴薯莖水浸提液對(duì)2 種雜草種子根長(zhǎng)的化感作用明顯強(qiáng)于其對(duì)芽長(zhǎng)和鮮質(zhì)量的化感作用。除野燕麥發(fā)芽率和自生油菜鮮質(zhì)量外，青薯9 號(hào)不同濃度的莖水浸提液對(duì)野燕麥和自生油菜的化感指數(shù)明顯小于175 號(hào)，表現(xiàn)出較強(qiáng)的化感作用（圖2）。

圖2 2種馬鈴薯莖水浸提液對(duì)野燕麥和自生油菜種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的化感作用Fig.2 Allelopathic effect of aqueous extracts from two potato varieties’stem part on seed germination and seedling growth of A.fatua and B.napus

表2 2種馬鈴薯根水浸提液對(duì)自生油菜種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響Tab.2 Impact of aqueous extracts from two potato varieties’root part on seed germination and seedling growth of B.napus

2.3 2種馬鈴薯葉水浸提液對(duì)受體植物種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響

如表5、6 和圖3 所示，青薯9 號(hào)和175 號(hào)5 個(gè)濃度的葉水浸提液，均能不同程度抑制野燕麥和自生油菜的種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)。當(dāng)青薯9 號(hào)和175 號(hào)根水浸提液質(zhì)量濃度大于25 g/L 時(shí)，隨著馬鈴薯葉水浸提液濃度的升高，野燕麥和自生油菜的發(fā)芽率、芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)和鮮質(zhì)量逐漸減小，化感作用逐漸增強(qiáng)。

表5 2種馬鈴薯葉水浸提液對(duì)野燕麥種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響Tab.5 Impact of aqueous extracts from two potato varieties’leaf part on seed germination and seedling growth of A.fatua

2個(gè)品種的馬鈴薯葉水浸提液對(duì)野燕麥和自生油菜的化感作用不同。當(dāng)質(zhì)量濃度大于25 g/L時(shí)，2 個(gè)品種的馬鈴薯葉水浸提液對(duì)自生油菜發(fā)芽率、芽長(zhǎng)和根長(zhǎng)的化感作用均強(qiáng)于其對(duì)野燕麥的化感作用；當(dāng)質(zhì)量濃度為100 g/L 時(shí)，2 個(gè)品種的馬鈴薯葉水浸提液對(duì)自生油菜發(fā)芽率、芽長(zhǎng)和根長(zhǎng)的化感指數(shù)均為-1.00，即能夠完全抑制其種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)。值得注意的是，馬鈴薯葉水浸提液對(duì)2種雜草種子根長(zhǎng)的化感作用明顯強(qiáng)于其對(duì)芽長(zhǎng)和鮮質(zhì)量的化感作用。就品種而言，175號(hào)不同濃度葉水浸提液對(duì)2種受體植株的化感指數(shù)明顯小于青薯9號(hào)，表現(xiàn)出較強(qiáng)的化感作用（圖3）。

圖3 2種馬鈴薯葉水浸提液對(duì)野燕麥和自生油菜種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的化感作用Fig.3 Allelopathic effect of aqueous extracts from two potato varieties’leaf part on seed germination and seedling growth of A.fatua and B.napus

2.4 2種馬鈴薯不同器官水浸提液化感作用聚類分析

由結(jié)果2.1至2.3所述可知，當(dāng)質(zhì)量濃度大于25 g/L時(shí)，青薯9號(hào)和175號(hào)不同器官的水浸提液對(duì)2種雜草種子的萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的化感作用明顯。因此，就馬鈴薯青薯9號(hào)和175號(hào)根、莖、葉25 g/L 濃度水浸提液抑制野燕麥和自生油菜種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的化感指數(shù)進(jìn)行聚類分析。

表4 2種馬鈴薯莖水浸提液對(duì)自生油菜種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響Tab.4 Impact of aqueous extracts from two potato varieties’stem part on seed germination and seedling growth of B.napus

由圖4可知，12個(gè)處理分為3類：第1類聚集了馬鈴薯青薯9號(hào)和175號(hào)根、莖、葉部分水浸提液對(duì)野燕麥的化感作用，且青薯9號(hào)莖和175號(hào)葉的化感作用最強(qiáng)；第2類聚集了馬鈴薯青薯9號(hào)根、莖、葉部分和175號(hào)根、莖水浸提液對(duì)自生油菜的化感作用，且青薯9號(hào)莖部分的化感作用最強(qiáng)；第3類聚集了馬鈴薯175號(hào)葉部分水浸提液對(duì)自生油菜的化感作用。在這3類中，第3類化感作用最強(qiáng)，第2類次之、第1類最小。

圖4 馬鈴薯青薯9號(hào)和175號(hào)根、莖、葉部分25 g/L水浸提液對(duì)野燕麥和自生油菜的化感指數(shù)聚類分析Fig.4 Cluster analysis for RI values of 25 g/L aqueous extracts from root，stem and leaf parts of Qingshu 9 and 175 on A.fatua and B.napus

3 結(jié)論與討論

3.1 水浸提液濃度對(duì)馬鈴薯化感抑草作用的影響

2個(gè)品種的馬鈴薯不同器官的水浸提液均對(duì)2種雜草種子的萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)具有明顯的化感作用，其化感作用隨著水浸提液濃度的升高而增強(qiáng)。當(dāng)濃度小于25 g/L時(shí)，2個(gè)品種的馬鈴薯不同器官水浸提液對(duì)2種受體無明顯的化感作用，濃度大于25 g/L時(shí)，化感作用明顯。這就說明水浸提液中化感物質(zhì)的濃度是影響馬鈴薯化感效應(yīng)的主要因素之一，馬鈴薯化感抑草強(qiáng)度與濃度緊密相關(guān)[10,17-18]。

3.2 受體植物對(duì)馬鈴薯化感抑草作用的影響

供體植物對(duì)不同受體植物以及同一受體的不同器官的化感作用存在一定的差異。在不同受體方面，F(xiàn)ar等[19]研究發(fā)現(xiàn)：印度藏茴香莖部分水浸提液對(duì)玉米和大麥的化感作用較強(qiáng)，而對(duì)小麥和紅花的化感作用較弱。余婷等[20]發(fā)現(xiàn)白三葉的根系分泌物對(duì)5種植物表現(xiàn)出的化感作用不同，由強(qiáng)到弱依次為紫羊茅、高羊茅、草地早熟禾、黑麥草、匍匐翦股穎。鄭麗等[21]對(duì)紫莖澤蘭葉片的化感作用研究也發(fā)現(xiàn)其水浸提液對(duì)不同受體植物的化感作用不同，紫莖澤蘭對(duì)無芒虎尾草、細(xì)葉苦荬菜、白三葉和莎的化感作用較強(qiáng)，而對(duì)紫花苜蓿的化感作用較弱[20]。本研究表明，2種馬鈴薯不同器官水浸提液對(duì)自生油菜的化感作用較強(qiáng)，而對(duì)野燕麥的化感作用較弱。另外，化感作用與受體植物種子大小密切相關(guān)，受體植物種子越大，供體對(duì)其的化感作用越弱，種子越小，供體對(duì)其的化感作用越強(qiáng)[22]。當(dāng)水浸提液質(zhì)量濃度為10.00 g/L時(shí)，能夠完全抑制自生油菜的發(fā)芽率、芽長(zhǎng)和根長(zhǎng)，說明種子較大的野燕麥對(duì)馬鈴薯化感作用可能具有一定的耐受性。同一植物的不同器官研究方面，王杰等[23]研究表明鐵桿蒿對(duì)其伴生植物達(dá)烏里胡枝子、狗尾草、茵陳蒿根的化感作用強(qiáng)于其對(duì)芽的化感作用。本研究也發(fā)現(xiàn)，2個(gè)馬鈴薯品種的不同器官的水浸提液對(duì)2種受體雜草根長(zhǎng)的化感作用更強(qiáng)，而對(duì)芽長(zhǎng)和鮮質(zhì)量的化感作用較弱。這可能是由于根系的主要生理功能是吸收水分和營養(yǎng)物質(zhì)，長(zhǎng)期處于水浸提液中的根吸收化感物質(zhì)較多所導(dǎo)致的[24]。

表6 2種馬鈴薯葉水浸提液對(duì)自生油菜種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響Tab.6 Impact of aqueous extracts from two potato varieties’leaf part on seed germination and seedling growth of B.napus

3.3 供體植物對(duì)馬鈴薯化感抑草作用的影響

同種植物的不同品種由于親本來源不同、生存環(huán)境不同導(dǎo)致其化感作用有所不同；同時(shí)，同一品種的不同器官在植物生長(zhǎng)發(fā)育過程中生理機(jī)能不同使其化感作用也有所不同。在同種植物不同品種的化感作用研究方面，李明哲等[25]發(fā)現(xiàn)7個(gè)馬鈴薯品種對(duì)谷子萌發(fā)的化感作用存在差異；王鐘等[26]發(fā)現(xiàn)4個(gè)馬鈴薯品種中“夏波蒂”可誘發(fā)瓜列當(dāng)種子萌發(fā)后找不到寄主根系，缺乏營養(yǎng)物質(zhì)供給而死去，從而減少土壤中瓜列當(dāng)種子庫，達(dá)到防除瓜列當(dāng)危害的目的；李瑋等[27]對(duì)青藏高原10個(gè)小麥主栽品種進(jìn)行聚類分析得出，高原448 號(hào)、阿勃對(duì)田間優(yōu)勢(shì)雜草自生油菜和密花香薷的化感作用較強(qiáng)。本研究中青藏高原馬鈴薯品種175號(hào)的化感作用強(qiáng)于青薯9號(hào)。同一品種不同器官化感作用研究方面，姚樹寬[28]研究發(fā)現(xiàn)假蒼耳莖水浸提液對(duì)5種十字花科植物化感作用強(qiáng)于根水浸提液；薛啟等[29]研究發(fā)現(xiàn)藿香葉浸提液對(duì)其種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的化感作用強(qiáng)于根浸提液；劉小明等[30]研究發(fā)現(xiàn)小麥莖、穗不同部位浸提液對(duì)牛筋草的化感作用強(qiáng)于根浸提液。本研究表明，175 號(hào)根和葉水浸提液的化感作用強(qiáng)于青薯9 號(hào)根和葉水浸提液；青薯9號(hào)莖水浸提液化感作用強(qiáng)于175號(hào)莖水浸提液。聚類分析表明：馬鈴薯175號(hào)化感作用強(qiáng)于青薯9 號(hào)；馬鈴薯175 號(hào)葉部分化感能力強(qiáng)于莖和根部分，馬鈴薯青薯9 號(hào)莖部分化感能力強(qiáng)于葉和根部分。由此可見，馬鈴薯化感抑草物質(zhì)來源主要是莖、葉地上部分，這可能是莖葉作為植物進(jìn)行光合作用以及呼吸作用的重要器官，光合作用合成的各類有機(jī)物質(zhì)首先存儲(chǔ)于莖葉，使得莖葉的化感物質(zhì)含量較高，從而能浸提出較多的化感物質(zhì)，表現(xiàn)出的化感作用也更強(qiáng)[23]。

綜上所述，青藏高原馬鈴薯主栽品種青薯9 號(hào)和175 號(hào)具有生物防除田間雜草的潛力，可以開發(fā)為馬鈴薯化感品種。