甘薯提取物對(duì)3種雜草種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的化感作用

馬光宗，徐高峰，楊韶松，楊云海，張付斗，溫麗娜，陶 瓊，申時(shí)才，葉 敏

(1. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)/云南生物資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650201；2. 云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境資源研究所/云南省農(nóng)業(yè)跨境有害生物綠色防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650205)

【研究意義】在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)田雜草是影響農(nóng)作物品質(zhì)和產(chǎn)量的主要因素。當(dāng)前農(nóng)田雜草防控中，以化學(xué)除草劑為主，然而除草劑的使用帶來(lái)了一系列的社會(huì)和生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[1-3]。因此，利用植物自身釋放的化感物質(zhì)來(lái)抑制農(nóng)田雜草受到了廣泛關(guān)注[4]。作為一種新型的生態(tài)控草方法，植物化感作用防控雜草沒(méi)有引入難降解的化學(xué)物質(zhì)，對(duì)農(nóng)田草害生態(tài)治理體系的構(gòu)建具有重要的價(jià)值[5-6]。【前人研究進(jìn)展】王宇軒等[7]研究表明，八寶景天花二氯甲烷相萃取物對(duì)稗草、反枝莧、白三葉萌發(fā)和生長(zhǎng)有較強(qiáng)抑制作用，篩選出苯酚、安息香酸、硬脂酸甲酯、鄰苯二甲酸二丁酯、棕櫚酸甲酯5種潛在化感物質(zhì)，其中苯酚的抑制效果最好。鄧文紅等[8]研究表明，沙蒿水浸提液不同酸堿性組分能抑制對(duì)沙米種子發(fā)芽率，其中抑制作用酸性組分>堿性組分>中性組分，主要化感物質(zhì)為丁二酸和3，4-二羥基苯甲酸。王曉英等[9]研究表明，刺柏葉水提液對(duì)高羊茅種子發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)表現(xiàn)出“低促高抑”的效應(yīng)，抑制高羊茅種子萌發(fā)和生長(zhǎng)，鑒定出31種化合物，主要成分有香草醛、7-羥基香豆素、2，4-二叔丁基苯酚、2，3-二氫苯并呋喃、鄰苯二酚等。趙蕓等[5]從牛至揮發(fā)油中鑒定出14種化學(xué)成分主要成分為甲基丁香酚、肉豆蔻醚、香芹酚、百里香酚、洋芹腦等，對(duì)小麥、蘿卜和綠豆的種子萌發(fā)和生長(zhǎng)表現(xiàn)出化感抑制作用。吳易等[10]從南美蟛蜞菊根系分泌物分析鑒定出鄰苯二甲酸二異丁酯、硬脂酸甲酯、棕櫚酸甲酯和鄰苯二甲酸二異辛酯，其中棕櫚酸甲酯有明顯的抑制作用。甘薯，屬旋花科的一年或多年生藤本植物。甘薯是世界上重要的糧食、飼料、工業(yè)原料和生物能源作物，也是我國(guó)第4大農(nóng)作物[11]。甘薯生長(zhǎng)速度快、無(wú)性繁殖能力強(qiáng)和匍匐生長(zhǎng)為主，因此在與其它作物和雜草共同生長(zhǎng)時(shí)通常具有明顯的優(yōu)勢(shì)。甘薯對(duì)入侵植物薇甘菊和紫莖澤蘭具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)能力，可作為一種理想的替代物種[12-13]。申時(shí)才等[14]研究表明，甘薯能顯著降低農(nóng)田惡性雜草藿香薊、牛筋草、牛膝菊等的重要值和種群密度，有利于抑制優(yōu)勢(shì)雜草和入侵惡性雜草的發(fā)生與危害?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】甘薯葉片水提物對(duì)牛膝菊、藿香薊、鬼針草、薇甘菊等惡性雜草具有顯著的化感抑制作用，抑制能力與處理濃度呈正相關(guān)[15-16]。甘薯地上部水提物對(duì)入侵植物薇甘菊幼苗生長(zhǎng)具有明顯的抑制效果，抑制能力隨濃度增加而逐漸增強(qiáng)[16]。然而，目前關(guān)于甘薯地上和地下部和不同溶劑萃取物的化感作用尚未見(jiàn)報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本文以雙子葉菊科植物三葉鬼針草，單子葉禾本科植物黑麥草和馬唐為供試植物，用石油醚，乙酸乙酯和正丁醇萃取甘薯地上/地下部水提液，研究4種萃取物對(duì)3種雜草種子萌發(fā)以及幼苗生長(zhǎng)的化感作用，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用甘薯的化感物質(zhì)奠定了基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試甘薯：2010年采自云南省德宏州隴川縣，后種植于云南省昆明市嵩明縣昆明溫室(102°52′E，25°35′N，海拔1956 m)。試驗(yàn)前期進(jìn)行扦插，采用斜插法種植，并開(kāi)溝以形成隔室(規(guī)格為1.5 m × 0.2 m)，種植面積為12 m × 4.6 m。期間進(jìn)行培土、施肥和除草過(guò)程，自然生長(zhǎng)6個(gè)月，后取整株紅薯(包括地下部塊根)為試驗(yàn)材料。

供試植物種子：黑麥草(2019年8月采自云南省玉溪市通?？h，102°45′E，24°08′N，海拔1763 m)、馬唐(2018年9月采自云南省昆明市嵩明縣，103°11′E，25°36′N，海拔1880 m)和三葉鬼針草(2019年8月采自紅河州彌勒縣，103°22′E，24°25′N，海拔1617 m)，經(jīng)鑒定為云南省部分主要的農(nóng)田惡性雜草種類。

1.2 試驗(yàn)方法

有機(jī)溶劑萃取物的制備參考楊云海等[17]的方法，在前期試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，從云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境資源研究所昆明溫室選取具有化感潛力的甘薯品種，分別采集新鮮甘薯地上部(莖和葉)以及甘薯地下部(塊根和須根)5 kg，陰干后粉碎，按固液比為1∶5(w/w)加入蒸餾水，浸泡24 h，使用超聲波水浴輔助提取，濾液重復(fù)上述操作，得到甘薯水浸提液。采用溶劑梯度萃取，依次用體積相同的的石油醚、乙酸乙酯和正丁醇將得到的甘薯水提液萃取3次，合并得到的萃取液與留有的水浸提液一起使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀減壓濃縮。生物活性測(cè)定參考馬光宗等[18]的方法，設(shè)置2.00、1.00、0.50、0.25 mg/mL 4個(gè)濃度，4次重復(fù)。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

試驗(yàn)萌發(fā)時(shí)間為7 d，結(jié)束時(shí)數(shù)發(fā)芽種子數(shù)，測(cè)量各植株根長(zhǎng)、株高和生物量。按公式(1)計(jì)算發(fā)芽率：

發(fā)芽率(%)=(發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總數(shù))×100

(1)

萃取物對(duì)黑麥草、馬唐和三葉鬼針草3種雜草的化感響應(yīng)指數(shù)，按公式(2)計(jì)算：

RI=1-C/T(T≥C)或RI=T/C-1(T

(2)

式中,T，C分別為處理值和對(duì)照值。RI<0 和RI>0分別表示抑制和促進(jìn)作用，作用強(qiáng)度與絕對(duì)值大小一致。

綜合化感響應(yīng)指數(shù)(SE)按公式(3)計(jì)算：

SE=(發(fā)芽率RI+根長(zhǎng)RI+莖長(zhǎng)RI+生物量RI)/4

(3)

式中,SE<0表示總體表現(xiàn)為抑制作用，SE>0表示總體表現(xiàn)為促進(jìn)作用。

數(shù)據(jù)采用軟件SPSS 20.0進(jìn)行分析，采用單因素方差分析檢驗(yàn)，Duncan’s新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較，分析不同處理間的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 甘薯萃取物對(duì)3種雜草種子萌發(fā)的影響

從表1可見(jiàn)，甘薯地上部和地下部不同萃取物對(duì)3種雜草種子萌發(fā)均有一定的抑制作用。隨萃取物濃度增加，3種雜草的種子發(fā)芽率的抑制率呈上升趨勢(shì)，其中石油醚相和乙酸乙酯相的抑制率最高，濃度為1.00～2.00 mg/mL時(shí)的部分抑制率達(dá)100%；其次為正丁醇相，不同濃度的抑制率為3%～63%；最差的為水相，出現(xiàn)了“低促高抑”現(xiàn)象。3種雜草中，三葉鬼針草種子萌發(fā)對(duì)萃取物的敏感性最強(qiáng)，其次是馬唐和黑麥草?？傮w上，甘薯地上部萃取物水相和正丁醇相對(duì)3種雜草種子發(fā)芽率抑制率多數(shù)大于地下部，而地下部石油醚相和乙酸乙酯相則多數(shù)明顯大于地上部。

2.2 甘薯萃取物對(duì)3種雜草幼苗生長(zhǎng)的影響

從圖1可見(jiàn)，甘薯萃取物對(duì)黑麥草、馬唐和三葉鬼針草3種雜草的根長(zhǎng)和莖長(zhǎng)具有明顯的影響。石油醚相和乙酸乙酯相對(duì)3種雜草根長(zhǎng)和莖長(zhǎng)的抑制率最高，濃度為1.00～2.00 mg/mL時(shí)對(duì)莖長(zhǎng)的抑制率分別為48%～100%和66%～100%，對(duì)根長(zhǎng)的抑制率分別為65%～100%和67%～100%。水相和正丁醇相對(duì)3種雜草根長(zhǎng)和莖長(zhǎng)也有一定的抑制率，總體上正丁醇相的抑制率大于水相。甘薯地上部的水相和正丁醇相萃取物對(duì)3種雜草根長(zhǎng)和莖長(zhǎng)的抑制率多數(shù)大于地下部，而地下部的乙酸乙酯相和石油醚相對(duì)3種雜草根長(zhǎng)和莖長(zhǎng)的抑制率明顯大于地上部。

圖2 甘薯萃取物對(duì)3種雜草莖長(zhǎng)的影響Fig.2 Effect of sweet potato extracts on stem length of three weeds

從圖3可見(jiàn)，在生物量方面，甘薯不同萃取物對(duì)黑麥草、馬唐和三葉鬼針草3種雜草的生物量影響程度不同。同樣地，石油醚相和乙酸乙酯相對(duì)3種雜草生物量的抑制率最高，濃度為1.00～2.00 mg/mL時(shí)其抑制率分別為76%～100%和75%～100%。當(dāng)萃取物濃度為2.00 mg/mL時(shí)，地上/地下部乙酸乙酯相對(duì)三葉鬼針草、馬唐和黑麥草生物量的抑制率分別為100%、97%和93%，且地上/地下部4種萃取物對(duì)三葉鬼針草生物量的抑制率總體大于馬唐和黑麥草，表明三葉鬼針草的敏感性最強(qiáng)，其次是馬唐和黑麥草。從甘薯地上和地下部萃取物對(duì)比看，水相和正丁醇相對(duì)3種雜草生物量的抑制率地上部普遍大于地下部，而石油醚相和乙酸乙酯相對(duì)3種雜草生物量的抑制率多數(shù)地下部大于地上部。

圖3 甘薯萃取物對(duì)3種雜草生物量的影響Fig.3 Effect of sweet potato extracts on biomass of three weeds

2.3 甘薯萃取物對(duì)3種雜草綜合化感響應(yīng)指數(shù)的影響

從表2可見(jiàn)，從3種雜草發(fā)芽率、根長(zhǎng)、莖長(zhǎng)和生物量的化感響應(yīng)指數(shù)綜合對(duì)比來(lái)看，甘薯不同萃取物對(duì)3種雜草的影響不同。除了水相對(duì)馬唐和三葉鬼針草的綜合化感響應(yīng)指數(shù)出現(xiàn)“低促高抑”外，石油醚相、乙酸乙酯相和正丁醇相對(duì)3種雜草的綜合化感響應(yīng)指數(shù)均為負(fù)值，且隨濃度的增加抑制率逐漸增大。其中，乙酸乙酯相對(duì)3種雜草綜合化感響應(yīng)指數(shù)為最低，其次是石油醚相、正丁醇相和水相。從甘薯地上和地下部對(duì)比看，地上部萃取物水相和正丁醇相對(duì)3種雜草的綜合化感響應(yīng)指數(shù)小于地下部，而地下部萃取物石油醚相和乙酸乙酯相的綜合化感響應(yīng)指數(shù)普遍低于地上部。

表2 甘薯萃取物對(duì)3種雜草綜合化感響應(yīng)指數(shù)的影響Table 2 Effects of sweet potato extracts on synthetical allelopathic index of three weeds

3 討 論

化感活性的強(qiáng)弱主要取決于提取物濃度、目標(biāo)物種和化學(xué)物質(zhì)來(lái)源的植物部位，通常，高濃度的提取物抑制目標(biāo)物種的種子萌發(fā)或幼苗生長(zhǎng)，而低濃度的提取物反而會(huì)促進(jìn)種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)[19-22]。本研究結(jié)果表明，甘薯地上和地下部對(duì)馬唐、黑麥草、和三葉鬼針草種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)均具有一定的化感作用。隨萃取物濃度的提高，對(duì)3種雜草種子發(fā)芽率、根長(zhǎng)、莖長(zhǎng)和生物量抑制率顯著提高。申時(shí)才等[15]研究表明，甘薯葉片浸提液對(duì)5種雜草種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)具有“低促高抑”的現(xiàn)象。本研究中，水相在各濃度中出現(xiàn)對(duì)馬唐、黑麥草和三葉鬼針草種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)促進(jìn)作用，而其余3種萃取物石油醚相、乙酸乙酯相和正丁醇相普遍具有抑制作用。植物化感作用的強(qiáng)弱，與不同的部位如地上部和地下部相關(guān)[23]。鄧麗麗等[24]報(bào)道甘薯根水提物對(duì)喜旱蓮子草的化感抑制作用最強(qiáng)，其次是莖和葉。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，甘薯地上/地下部萃取物對(duì)馬唐、黑麥草和三葉鬼針草3種雜草的化感作用的變化趨勢(shì)并不一致，這可能是由于試驗(yàn)中使用地下部材料以塊根為主造成的。

化感物質(zhì)會(huì)影響種子的發(fā)芽速度，延長(zhǎng)種子的出苗時(shí)間，對(duì)植物的競(jìng)爭(zhēng)能力影響較大[23, 25]?；形镔|(zhì)對(duì)根生長(zhǎng)的抑制作用會(huì)降低植物的吸肥和吸水能力，降低對(duì)資源的利用率，從而影響該植物的生長(zhǎng)發(fā)育及其在群落中的作用和地位[15]。本研究表明，萃取物對(duì)3種雜草種子的萌發(fā)均有不同程度的抑制作用，石油醚相和乙酸乙酯相在高濃度2.00 mg/mL時(shí)，能抑制部分供試雜草種子的萌發(fā)。同時(shí)，從3種雜草根長(zhǎng)和莖長(zhǎng)對(duì)比看，不同萃取物對(duì)根長(zhǎng)的抑制率普遍大于其莖長(zhǎng)。因此，本研究中進(jìn)一步證明甘薯不同萃取物通過(guò)抑制3種雜草種子的萌發(fā)和根長(zhǎng)，從而會(huì)影響到植物莖的生長(zhǎng)和生物量的積累。

綜合化感響應(yīng)指數(shù)是綜合衡量植物化感作用強(qiáng)度的重要指標(biāo)之一[15]。試驗(yàn)研究結(jié)果表明，甘薯萃取物對(duì)3種雜草的根長(zhǎng)、莖長(zhǎng)、種子發(fā)芽率和生物量抑制率的變化趨勢(shì)并不一致。然而，從總體的綜合化感響應(yīng)指數(shù)來(lái)看，乙酸乙酯相對(duì)3種雜草的活性最強(qiáng)的，接下來(lái)是石油醚相、正丁醇相和水相。從甘薯地上和地下部對(duì)比看，地上部萃取物的水相和正丁醇相對(duì)3種雜草的綜合化感響應(yīng)指數(shù)小于地下部，而地下部萃取物的石油醚相和乙酸乙酯相的綜合化感響應(yīng)指數(shù)普遍低于地上部。說(shuō)明甘薯地上部與地下部都可能含有相似的主效化感物質(zhì)種類，而不同萃取物地上部和地上部綜合化感響應(yīng)指數(shù)的差別可能是由于含量不同造成的。

Xuan等[26]報(bào)道甘薯的化感物質(zhì)主要為棕櫚酸、亞油酸乙酯、棕櫚酸乙酯和反式對(duì)香豆酸等。本研究中利用水提液溶劑梯度萃取法，使用3種溶劑對(duì)甘薯水浸提液進(jìn)行萃取分離，得到留有的水相、石油醚相、乙酸乙酯相和正丁醇相萃取物。萃取物的抑制活性依次為乙酸乙酯相>石油醚相>正丁醇相>水相，這與王力超[27]報(bào)道的乙酸乙酯萃取物對(duì)喜旱蓮子草幼苗生長(zhǎng)的化感抑制作用最強(qiáng)，其次是石油醚萃取物和正丁醇萃取物相一致。通過(guò)分段萃取和萃取物生物活性測(cè)定，對(duì)于后續(xù)的化感物質(zhì)分析、純化和鑒定等具有重要的意義。

4 結(jié) 論

甘薯地上和地下部萃取物對(duì)馬唐、黑麥草和三葉鬼針草表現(xiàn)出一定的抑制作用，其中石油醚相和乙酸乙酯相的抑制率最高。從甘薯地上和地下部抑制率來(lái)看，地上部與地下部的化感作用變化趨勢(shì)并不明顯，但地下部石油醚相和乙酸乙酯相對(duì)3種雜草的抑制率普遍大于地上部，而地上部水相和正丁醇相的抑制率高于地下部。本研究證實(shí)甘薯萃取物石油醚相和乙酸乙酯相中含有主效化感物質(zhì)，下一步將對(duì)這2種萃取物的化感物質(zhì)分離鑒定和作用機(jī)理進(jìn)行研究，以便為甘薯大面積的田間雜草替代種植提供科學(xué)理論依據(jù)。