5種高原特色植物抑草活性分析

雷向榮， 沈 碩， 李 瑋

(1.青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院， 西寧 810016；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西寧作物有害生物科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站， 西寧 810016；3.青海省農(nóng)業(yè)有害生物綜合治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西寧 810016)

雜草對(duì)作物的生長(zhǎng)有重要影響，不僅消耗作物生長(zhǎng)所必需的有限營(yíng)養(yǎng)資源，造成不同作物生物量和產(chǎn)量的嚴(yán)重?fù)p失，也增加了生產(chǎn)成本和降低了產(chǎn)品質(zhì)量。同時(shí)，雜草種類、雜草密度和出苗時(shí)間影響著田間條件下作物與雜草對(duì)空間、光照、水分和養(yǎng)分等資源的競(jìng)爭(zhēng)[1-2]。目前通常采用人工和機(jī)械鋤草，以及使用化學(xué)除草劑來控制雜草的危害。由于人工除草耗費(fèi)巨大的勞動(dòng)力和資金，機(jī)械除草對(duì)地勢(shì)地形有嚴(yán)格的要求，而化學(xué)除草見效快且成本效益高，因而被廣泛應(yīng)用于防治各種危害農(nóng)田作物的雜草中，但化學(xué)除草劑也存在許多局限性，使用不當(dāng)會(huì)對(duì)環(huán)境和人類健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅，同時(shí)還會(huì)引發(fā)雜草抗藥性的發(fā)展和雜草區(qū)系的變化，并可能影響易感輪作作物的生長(zhǎng)發(fā)育[3-4]。

植物源農(nóng)藥是一類重要的生物農(nóng)藥，主要是利用植物的次生代謝產(chǎn)物對(duì)農(nóng)業(yè)病蟲害進(jìn)行防治。與化學(xué)合成農(nóng)藥不同，它能夠在田間發(fā)揮一定積極功效而不會(huì)產(chǎn)生藥害，作為化學(xué)除草劑的安全替代品，受到新農(nóng)藥研發(fā)界的高度重視[3-10]。目前黃花蒿利用的研究已經(jīng)取得了一些成果，黃花蒿的抗瘧成分青蒿素是該植物葉片和花蕾中含量較高的成分，研究表明，該化合物對(duì)植物種子發(fā)芽及生長(zhǎng)具有選擇性毒害作用[11-12]，通過殘?bào)w分解、根系分泌、地上部分淋溶和揮發(fā)作用等逐步將化感物質(zhì)釋放到其周圍環(huán)境，從而抑制周圍植物的生長(zhǎng)，如對(duì)黃瓜、蘿卜、小麥及燕麥的種子及幼苗產(chǎn)生綜合抑制效應(yīng)[13]。魏傳斌等[14]研究表明，北美車前抽提液對(duì)花菜種子的萌發(fā)和生長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生較大的影響，甚至影響其產(chǎn)量和品質(zhì)。王婧怡等[15]研究表明，黃花草木樨水浸提液可以通過降低多花黑麥草和蘇丹草種子的發(fā)芽率、根長(zhǎng)、根干重、莖長(zhǎng)和莖葉干重等生長(zhǎng)指標(biāo)，減少植株體內(nèi)葉綠素含量以及改變滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量和酶活性等生理生化指標(biāo)來影響黑麥草和蘇丹草的生長(zhǎng)。

野燕麥(AvenafatuaL.)是一種最常見、最具經(jīng)濟(jì)危害性且在世界各地大量種植區(qū)存在的雜草。野生燕麥也是世界上15種最重要的抗除草劑雜草之一，在青海地區(qū)，它是危害青稞等農(nóng)作物的農(nóng)田惡性雜草之一[16-21]。旱雀麥(BromustectorumL.) 由于其對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)，繁殖能力強(qiáng)，有效防治時(shí)間短等原因廣泛存在于青稞和小麥田中[22-23]。目前對(duì)野燕麥、旱雀麥等農(nóng)田雜草的控制仍然以燕麥畏、2,4-D丁酯、氟樂靈等化學(xué)除草劑為主。呂曉輝[24]研究表明，經(jīng)過長(zhǎng)期的單一用藥，青海地區(qū)的野燕麥對(duì)高效氟吡甲禾靈產(chǎn)生了不同程度的抗性，迫使雜草的防治方法趨于多樣化，而不是僅僅依靠除草劑。而關(guān)于藏薊(Cirsiumlanatum)、橐吾(Ligulariasibirica(L.) Cass.)、黃花蒿(ArtemisiaannuaL.)、車前(PlantagoasiaticaL.)、草木樨(MellilotusofficinalisL.)這5種植物粗提物對(duì)野燕麥和旱雀麥的抑制效果尚未得到充分的研究。因此，通過對(duì)5種高原特色植物的抑草活性的研究，旨在發(fā)現(xiàn)來源于這幾種植物的抑草活性物質(zhì)，為生物除草劑研發(fā)提供基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

藏薊、橐吾、黃花蒿等采集于青海省西寧市湟中縣魯沙爾鎮(zhèn)；車前、草木樨采集及野燕麥、旱雀麥等種子均由青海省農(nóng)林科學(xué)院植物保護(hù)研究所提供。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1不同質(zhì)量濃度的5種植物粗提取物水溶液的制備

將新鮮的高原特色植物取回后置于陰涼干燥處翻動(dòng)、陰干粉碎，然后稱取藏薊312 g、橐吾357 g、黃花蒿748 g、車前349 g、草木樨333 g，分別裝入玻璃柱子中，加甲醇直至蓋過粉碎物界面，充分搖勻，室溫下浸泡72 h。將浸提液過濾，45～50 ℃條件下低壓旋蒸至浸膏[25]。

提取率(%)=(浸膏的重量/新鮮植物的重量)×100% 。

各稱取適量的粗提取物分別放入小燒杯中，分別加入一定量的丙酮助溶，期間不斷攪拌使其充分溶解。最后將其分別配成質(zhì)量濃度為100、50、25、10、5、2、1 mg·mL-1的水溶液待用。

1.2.2培養(yǎng)皿種子萌發(fā)及生長(zhǎng)測(cè)定方法

將野燕麥和旱雀麥種子用次氯酸鈉溶液(w=2.5%)浸泡，同時(shí)用磁力攪拌器攪拌10 min，再用無菌水?dāng)嚢铔_洗3次(每次3 min)，用吸水紙吸干表面水分，加適量水放入25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中催芽培養(yǎng)3 d，然后挑選出露白一致的種子進(jìn)行測(cè)定。

在高溫滅菌后的玻璃培養(yǎng)皿中鋪雙層濾紙，分別取上述配置好的各濃度水溶液5 mL添加進(jìn)處理好的培養(yǎng)皿中，以清水為對(duì)照(ck)。每個(gè)培養(yǎng)皿放14粒野燕麥種子，每個(gè)處理3次重復(fù)。將培養(yǎng)皿放在25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)7 d。培養(yǎng)期間加適量的無菌水保持種子及幼苗生長(zhǎng)所需的水分。第7天同時(shí)測(cè)定根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)、鮮質(zhì)量、干質(zhì)量及計(jì)算抑制率[25]，公式如下：

抑制率(%)=[(空白對(duì)照處理-粗提取物水溶液處理)/空白對(duì)照處理]×100%。

所得數(shù)據(jù)用SPSS 20.0軟件進(jìn)行方差分析，采用Origin 2019軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 5種植物粗提取物的提取率

由表1可知，藏薊、橐吾、黃花蒿、車前、草木樨的提取率分別為2.9%、1.6%、1.7%、3.0%、3.2%。提取率最高的是草木樨，提取率最低的是橐吾。

表1 5種植物粗提取物的提取

2.2 5種植物粗提取物對(duì)野燕麥和旱雀麥種子萌發(fā)的影響

由表2和表3可知，藏薊、橐吾、黃花蒿、車前、草木樨等的粗提取物可以顯著抑制野燕麥種子的萌發(fā)，藏薊粗提取物在質(zhì)量濃度為50 mg·mL-1以上時(shí)，野燕麥種子沒有萌發(fā)，在質(zhì)量濃度為25 mg·mL-1以上時(shí)，旱雀麥種子沒有萌發(fā)；橐吾粗提取物在質(zhì)量濃度為100 mg·mL-1時(shí)，野燕麥種子沒有萌發(fā)，在質(zhì)量濃度為25 mg·mL-1以上時(shí)，旱雀麥種子沒有萌發(fā)；黃花蒿粗提取物在質(zhì)量濃度為50 mg·mL-1以上時(shí)，野燕麥種子沒有萌發(fā)，在質(zhì)量濃度為2 mg·mL-1以上時(shí)，旱雀麥種子均沒有萌發(fā)；車前粗提取物在質(zhì)量濃度為100 mg·mL-1以上時(shí)，野燕麥種子沒有萌發(fā)，在質(zhì)量濃度為25 mg·mL-1以上時(shí)，旱雀麥種子無萌發(fā)跡象；草木樨粗提取物在質(zhì)量濃度為5 mg·mL-1以上時(shí)，野燕麥種子沒有萌發(fā)，在質(zhì)量濃度為2 mg·mL-1以上時(shí)，旱雀麥種子沒有萌發(fā)。

表2 5種植物粗提取物對(duì)野燕麥種子萌發(fā)的影響

表3 5種植物粗提取物對(duì)旱雀麥種子萌發(fā)的影響

藏薊粗提取物對(duì)野燕麥的50%種子萌發(fā)受到抑制的質(zhì)量濃度(ED50)和90% 種子萌發(fā)受到抑制的質(zhì)量濃度(ED90)分別為35.86 mg·mL-1和74.80 mg·mL-1，對(duì)旱雀麥的ED50和ED90分別為5.9 mg·mL-1和18.03 mg·mL-1；橐吾粗提取物對(duì)野燕麥的ED50和ED90分別為51.65 mg·mL-1和95.68 mg·mL-1，對(duì)旱雀麥的ED50和ED90分別為1.47 mg·mL-1和16.2 mg·mL-1；黃花蒿粗提取物對(duì)野燕麥的ED50和ED90分別為5.27 mg·mL-1和59.74 mg·mL-1，對(duì)旱雀麥的ED50和ED90分別為0.74 mg·mL-1和1.54mg·mL-1；車前粗提取物對(duì)野燕麥的ED50和ED90分別為44.48 mg·mL-1和86.90 mg·mL-1，對(duì)旱雀麥的ED50和ED90分別為4.31 mg·mL-1和18.03 mg·mL-1；草木樨粗提取物對(duì)野燕麥的ED50和ED90為2.33 mg·mL-1和53.85 mg·mL-1，對(duì)旱雀麥的ED50和ED90分別為0.95 mg·mL-1和1.75 mg·mL-1。

2.3 5種植物粗提取物對(duì)野燕麥和旱雀麥幼苗生長(zhǎng)的影響

由圖1、圖2可知，藏薊粗提取物水溶液在質(zhì)量濃度為50 mg·mL-1以上時(shí)，橐吾粗提取物水溶液在質(zhì)量濃度為100 mg·mL-1時(shí)，黃花蒿粗提取物水溶液在質(zhì)量濃度為50 mg·mL-1以上時(shí)，車前粗提取物水溶液在質(zhì)量濃度為100 mg·mL-1時(shí)，草木樨粗提取物水溶液在質(zhì)量濃度為5 mg·mL-1以上時(shí)，對(duì)野燕麥生長(zhǎng)種子的根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)生長(zhǎng)抑制率為100%，對(duì)鮮質(zhì)量和干質(zhì)量的抑制率為100%。藏薊粗提取物水溶液在質(zhì)量濃度為25 mg·mL-1以上時(shí)，橐吾粗提取物水溶液在質(zhì)量濃度為25 mg·mL-1以上時(shí)，黃花蒿粗提取物水溶液在質(zhì)量濃度為2 mg·mL-1以上時(shí)，車前粗提取物水溶液在質(zhì)量濃度為25 mg·mL-1以上時(shí)，草木樨粗提取物水溶液在質(zhì)量濃度為2 mg·mL-1以上時(shí)，對(duì)旱雀麥生長(zhǎng)種子的根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)生長(zhǎng)抑制率為100%，對(duì)鮮質(zhì)量和干質(zhì)量的抑制率為100%。由此可知，這5種高原特色植物的粗提取物水溶液均能抑制野燕麥和旱雀麥種子的萌發(fā)以及生長(zhǎng)，隨著質(zhì)量濃度增大，影響作用加大。

圖1 5種植物粗提取物對(duì)野燕麥種子幼苗生長(zhǎng)特征的影響

圖2 5種植物粗提取物對(duì)旱雀麥種子幼苗生長(zhǎng)的影響

3 結(jié)論與討論

3.1 5種植物粗提物對(duì)野燕麥和旱雀麥種子萌發(fā)的影響

種子萌發(fā)時(shí)期既是植物生活史起點(diǎn)，也是對(duì)外界環(huán)境變化最為敏感時(shí)期。種子萌發(fā)率降低可能會(huì)降低植物在群落中的多度，種子發(fā)芽速率降低，發(fā)芽時(shí)間延長(zhǎng)，出苗延后，將嚴(yán)重影響植物對(duì)地上和地下資源的競(jìng)爭(zhēng)能力。研究表明，藏薊、橐吾、黃花蒿、車前、草木樨的粗提取物都顯著抑制野燕麥和旱雀麥種子的萌發(fā)，但這5種植物粗提物對(duì)野燕麥和旱雀麥種子萌發(fā)100%的抑制所需要的質(zhì)量濃度各不相同。藏薊粗提取物在質(zhì)量濃度為50 mg·mL-1以上時(shí)，野燕麥種子沒有萌發(fā)，而質(zhì)量濃度為25 mg·mL-1以上時(shí)，旱雀麥種子沒有萌發(fā)。這說明旱雀麥種子萌發(fā)的100%抑制所需要的藏薊粗體物質(zhì)量濃度更低。而其他4種植物也出現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象，即旱雀麥種子萌發(fā)的100%抑制所需要的粗提物質(zhì)量濃度更低。這可能與這兩種雜草對(duì)粗提物中同種的除草物質(zhì)的敏感度不同，旱雀麥種子更敏感一些，也可能是粗提物中不同的提取物質(zhì)對(duì)兩種雜草種子萌發(fā)發(fā)揮作用，具體的機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

3.2 5種植物粗提取物對(duì)野燕麥和旱雀麥幼苗生長(zhǎng)的影響

本研究選用5種高原特色植物粗提取物來研究對(duì)野燕麥和旱雀麥幼苗生長(zhǎng)的影響，選用根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)、干質(zhì)量、鮮質(zhì)量為參考。研究表明，5種高原特色植物粗提取物對(duì)野燕麥和旱雀麥幼苗的生長(zhǎng)具有顯著抑制作用。同時(shí)這兩種雜草對(duì)同種、同質(zhì)量濃度的高原特色植物粗提取物有不同的敏感度。值得注意的是：草木樨的粗提取物在很低的質(zhì)量濃度時(shí)，對(duì)兩種供試雜草的幼苗生長(zhǎng)的芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)、干質(zhì)量、鮮質(zhì)量的抑制率達(dá)100%。研究表明，黃花草木樨植株地上部分含有較多的水溶性化感物質(zhì)，能顯著抑制多花黑麥草、紅三葉以及一些雜草種子發(fā)芽、幼苗生長(zhǎng)[26-30]。鄔彩霞等[31]研究表明，黃花草木樨具有較強(qiáng)的化感抑草潛力，對(duì)雜草山苦荬、稗草、車前草的種子萌發(fā)抑制作用顯著，對(duì)這幾種雜草的幼苗莖、根的生長(zhǎng)均有顯著抑制作用。黃花草木樨的抑草能力具有選擇性，蘇丹草與黑麥草均為禾本科，但對(duì)其作用機(jī)理影響上存在差別，對(duì)黑麥草的抑制作用要強(qiáng)于蘇丹草。黃花草木樨水浸提液在種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)初期可以很大限度地起到抑制作用，隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng),黑麥草和蘇丹草會(huì)通過自身的機(jī)制抵抗抑制，逐漸恢復(fù)生命力，具有時(shí)效性。此外，黃花草木樨水浸提液對(duì)根的抑制作用要強(qiáng)于莖[32-36]。在本試驗(yàn)中，草木樨對(duì)旱雀麥中的抑制作用強(qiáng)于野燕麥種子，據(jù)此，分析提純草木樨水浸提液中主效化感物質(zhì)，再結(jié)合其生長(zhǎng)特性、提取工藝和除草譜將其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化研制開發(fā)出新型生物源除草劑。

結(jié)果表明，藏薊、橐吾、黃花蒿、車前、草木樨的粗提物都能夠抑制野燕麥和旱雀麥的生長(zhǎng)，其中草木樨的粗提取物對(duì)野燕麥和旱雀麥的抑制作用高于其他4種植物，且隨著濃度增加，抑制率逐漸增加。且5種植物中都存在具有抑制野燕麥和旱雀麥種子萌發(fā)的活性物質(zhì)?？梢詫⒉菽鹃刈鳛殚_發(fā)有效防治野燕麥和旱雀麥地植物源農(nóng)藥的重點(diǎn)目標(biāo)。