狼毒水浸液對山韭種子發(fā)芽及幼苗生長的化感作用

劉冠志， 劉利紅， 郭 嬌， 蘇慧媛， 蘭 慶， 劉果厚*

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019； 2. 赤峰市農(nóng)學(xué)院， 內(nèi)蒙古 赤峰 024000； 3. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019； 4. 內(nèi)蒙古自治區(qū)人民醫(yī)院中醫(yī)科， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010017)

化感作用(Allelopathy)是植物向環(huán)境中釋放化學(xué)物質(zhì)進而影響自身或其他有機體(包括植物、微生物及動物)的生長發(fā)育現(xiàn)象，是植物保持生存競爭優(yōu)勢的一種適應(yīng)機制[1]。植物以次生代謝的方式形成化感物質(zhì)[2]，并通過自然揮發(fā)、淋溶、殘體分解及根系分泌等主要途徑將其釋放到環(huán)境中[3]。目前，關(guān)于植物化感作用的研究主要集中在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)管理、生物入侵、天然植被群落演替與空間格局等方面[4-10]。研究發(fā)現(xiàn)植物化感作用會從不同時空尺度(如植物的地理分布格局、防御過程、根際過程、土壤養(yǎng)分循環(huán)過程及微生物群落結(jié)構(gòu)等)影響生態(tài)學(xué)過程[11]。從時間尺度看，化感作用被認(rèn)為是植物為抵抗外界環(huán)境脅迫(如食草動物采食或種間競爭)所形成的一種防御或生態(tài)策略[12]，這種現(xiàn)象普遍存在于草原生態(tài)系統(tǒng)中，并以毒害草侵入的退化型草原為突出[11-13]。目前，基于植物化感作用的生態(tài)學(xué)過程研究，將會為毒害草引起的退化型草原生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)提供理論參考，同時為更好地發(fā)揮化感作用的潛在應(yīng)用價值以及草原生物多樣性的保護提供案例數(shù)據(jù)。

內(nèi)蒙古草原蔥屬(Allium)植物十分豐富，是資源價值很高的植物類群，是構(gòu)成草原植被的重要組成部分，在內(nèi)蒙古草原形成替代性分布，并成為優(yōu)勢種或特征種[14]。其中，山韭(A.senescens)為蔥屬的多年生草本植物，是草甸草原及典型草原的常見伴生種。其不僅具有極高的飼用價值，對牲畜秋季育肥、抓膘及防病治病有著重要作用，而且還可為人類食用和藥用[15]。狼毒(Stellerachamaejasme)為瑞香科狼毒屬多年生有毒草本植物，俗稱斷腸草、饅頭花、紅火柴頭花等，區(qū)系類型為蒙古-華北-青藏高原分布種[14]，分布于我國西北、西南、東北和華北各省，生境主要為石礫質(zhì)、沙質(zhì)的荒漠草原和典型草原及高山、亞高山草甸草原。其常為草原植物群落的伴生種，在退化嚴(yán)重的草原可成為優(yōu)勢種[16]。狼毒在退化草原的蔓延導(dǎo)致草原質(zhì)量變差、生產(chǎn)力降低，是我國草原生態(tài)系統(tǒng)平衡和畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展的安全隱患[17]。研究表明，狼毒具有化感作用，主要表現(xiàn)為對其伴生植物的化感毒性，可能是導(dǎo)致群落結(jié)構(gòu)變化和草原植被退化的原因之一[18]。狼毒不同器官(根、莖、葉)的不同溶液(水、乙醇等)提取物對其他野生植物或栽培作物均具有一定的化感作用，主要表現(xiàn)在影響其種子的發(fā)芽和幼苗的生長[19-20]，其根際土的水提物對其他牧草也具有化感作用[21]。此外，狼毒的化感作用會隨著年齡的增加而增強[22]。狼毒的化感毒性物質(zhì)具有顯著的殺蟲活性及抑菌活性，在植物源農(nóng)藥開發(fā)方面具有一定的應(yīng)用前景和經(jīng)濟價值[23]。目前，關(guān)于狼毒化感作用的研究多集中于對草原生態(tài)系統(tǒng)中優(yōu)勢科植物，如禾本科與豆科植物[18-19,24]，而對草原生態(tài)系統(tǒng)中蔥屬常見伴生種化感作用的研究尚未有報道。本研究以狼毒為供體植物，探討其不同部位(根、莖葉)水浸液對山韭的種子發(fā)芽與幼苗生長的影響，為深入研究狼毒對牧草化感作用的機理提供新的資料。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

本試驗以3年生以上狼毒為供體材料，于2020年7月采自內(nèi)蒙古正藍(lán)旗典型草原。將采集的新鮮狼毒植株體表面雜物進行清除，用清水洗凈后，再用蒸餾水清洗。將根、莖葉分離，自然風(fēng)干后，分別粉碎成末，裝袋密封，貯藏備用。

水浸液的制備：將處理好的狼毒根、莖葉樣品與蒸餾水按50 mg∶1 mL配制，于25℃條件下浸泡24 h。然后先用紗布過濾，再用微孔濾膜進行二重過濾，以除去水浸液中的雜質(zhì)，得到質(zhì)量濃度為50 mg·mL-1的母液，最后將母液用蒸餾水稀釋為0.5，5，10，20 mg·mL-1的水浸液。4℃冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 種子發(fā)芽試驗

選取均勻飽滿的山韭的種子，于0.1%的高錳酸鉀溶液消毒10 min后，用蒸餾水反復(fù)沖洗數(shù)次，至高錳酸鉀完全洗凈。將50粒種子裝入放有雙層濾紙的培養(yǎng)皿(Φ=9 cm)中，分別加入10 mL質(zhì)量濃度為0.5，5，10，20，50 mg·mL-1的水浸液及對照(CK)組溶液(蒸餾水，0 mg·mL-1)，試驗設(shè)3個重復(fù)。在培養(yǎng)箱中25℃培養(yǎng)15天，每天補充因蒸發(fā)而損失的水分，從第3天開始統(tǒng)計每日的種子發(fā)芽數(shù)量，以種子連續(xù)3天不再萌發(fā)的時間為末次計數(shù)時間，實驗結(jié)束后每個處理選取10株測定胚芽與胚根的長度。計算發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)。

1.3 幼苗生長試驗

盆栽法進行幼苗生長試驗。取內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗田耕作層(0～10 cm)土壤，去除草根與雜物，過篩(孔徑0.5 cm)后充分混勻，裝入培養(yǎng)盆(10 cm×15 cm)，每盆裝土400 g。再將經(jīng)消毒處理的山韭種子播入盆中，每盆20粒，覆土0.5 cm，每盆最終定苗5株，每個處理3個重復(fù)盆，共設(shè)15個重復(fù)。幼苗生長4周后每10天澆施不同質(zhì)量濃度的狼毒根、莖葉水浸液(0，0.5，5，10，20，50 mg·mL-1)，對照澆施蒸餾水，每次60 mL，共澆施4次，共培養(yǎng)60天。在試驗期間，根據(jù)盆土濕度情況同時進行等量少許補水。試驗結(jié)束后，直尺測幼苗的高度和根長，游標(biāo)卡尺測量根徑(根的直徑)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、化感效應(yīng)指數(shù)的計算方法如下：發(fā)芽率=(發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù))×100%；發(fā)芽指數(shù)=Σ(當(dāng)日發(fā)芽數(shù)/相應(yīng)的發(fā)芽日數(shù))；參照Williamson等[25]的化感效應(yīng)指數(shù)(Allelopathic response index，RI)：RI=1-C/T(T>C)或RI=T/C-1(T0促進作用，RI<0抑制作用。采用SAS 9.2統(tǒng)計軟件對處理組與對照組數(shù)據(jù)進行單因素方差分析(One-way ANOVA)，采用Duncan’ s檢驗法進行多重比較，對根與莖葉水浸液的化感作用強度進行獨立樣本t檢驗。采用Origin 2018軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 狼毒不同部位水浸液對山韭種子發(fā)芽的影響

如表1所示，狼毒根水浸液對山韭種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、胚根長和胚芽長存在顯著影響(P<0.05)。在水浸液濃度為0.5，5和10 mg·mL-1時，山韭種子的發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)與對照無顯著性差異，但在20和50 mg·mL-1時與對照具有顯著性差異(P<0.05)。當(dāng)水浸液濃度為50 mg·mL-1時，山韭種子的發(fā)芽率為49.33%，發(fā)芽指數(shù)為2.83，與對照相比分別降低了43.94%和48.73%。在0.5和5 mg·mL-1的水浸液處理下，山韭種子胚根、胚芽的長度顯著高于對照，胚根、胚芽在0.5 mg·mL-1時具有最大生長量，分別為對照的1.88倍和1.35倍；在10和20 mg·mL-1的水浸液作用下，山韭種子胚根、胚芽生長與對照無顯著性差異；在50 mg·mL-1的水浸液作用下，山韭種子胚根、胚芽生長顯著小于對照(P<0.05)，僅為對照生長量的40.00%和39.47%。

狼毒莖葉水浸液也對山韭種子的發(fā)芽特征具有顯著的影響(P<0.05)，不同濃度水浸液處理的山韭種子的發(fā)芽率均顯著小于對照(P<0.05)，在水浸液濃度為50 mg·mL-1時，山韭種子的發(fā)芽率僅為11.33%，發(fā)芽指數(shù)為0.52，較對照下降了87.13%和89.74%。除0.5 mg·mL-1水浸液處理的種子的發(fā)芽指數(shù)與對照無顯著性差異外，其他處理均具有顯著性差異(P<0.05)。山韭的胚根、胚芽長在不同濃度狼毒莖葉水浸液作用下，受到了不同程度的影響。山韭胚根在0.5和5 mg·mL-1水浸液處理下的生長明顯長于對照，在0.5 mg·mL-1時胚根的生長量最大，為對照的1.71倍；隨水浸液濃度的增加胚根的生長量呈先增大后下降的變化，在50 mg·mL-1時，胚根的生長量顯著小于對照(P<0.05)，胚根的長度僅為對照的57.78%；山韭胚芽在0.5和5 mg·mL-1水浸液處理下的生長與對照無顯著性差異，在10，20和50 mg·mL-1時，胚芽的生長與對照存在顯著性差異(P<0.05)，且在50 mg·mL-1時，胚芽的長度僅為對照的28.57%。

2.2 狼毒不同部位水浸液對山韭幼苗生長的影響

不同濃度狼毒根水浸液對山韭幼苗生長的影響不同(表2)，隨著水浸液濃度的升高，山韭幼苗的株高、根長和根徑逐漸下降。其中，在0.5和5 mg·mL-1水浸液處理時，山韭幼苗株高和根長顯著大于對照(P<0.05)，0.5 mg·mL-1時株高和根長的生長量最大，分別為對照的1.30倍與1.31倍；而水浸液濃度為10，20和50 mg·mL-1時，幼苗的株高與對照無顯著性差異，10和20 mg·mL-1時幼苗的根長與對照也無顯著性差異，而50 mg·mL-1時根長顯著小于對照(P<0.05)。山韭幼苗根徑對不同濃度根水浸液的響應(yīng)與對照均無顯著性差異。

表2 狼毒不同部位水浸液對山韭幼苗生長的影響Table 2 Effect of aqueous extracts from different parts of S. chamaejasme on the seedling growth of A. senescens

狼毒莖葉水浸液對山韭幼苗生長的影響分析表明(表2)，不同濃度水浸液處理下的山韭幼苗株高、根徑與對照無顯著性差異，但不同濃度水浸液之間具有顯著性差異(P<0.05)。水浸液濃度為0.5，5和10 mg·mL-1時的株高和根徑顯著大于50 mg·mL-1(P<0.05)，而三者之間無顯著性差異；20 mg·mL-1水浸液處理下的株高和根徑顯著小于0.5 mg·mL-1(P<0.05)。不同濃度水浸液處理對山韭幼苗根長的影響不同，0.5，5和10 mg·mL-1水浸液處理下的根長與對照無顯著性差異，而在20和50 mg·mL-1時的根長顯著大于對照及0.5，5和10 mg·mL-1水浸液處理(P<0.05)。

2.3 化感效應(yīng)分析

化感效應(yīng)指數(shù)(RI)可以反應(yīng)植物間的化感作用，通常具有兩種表現(xiàn)，即RI為正值表示促進作用，負(fù)值則表示抑制作用[3]。通過分析狼毒植株根、莖葉水浸液對山韭種子發(fā)芽的化感效應(yīng)指數(shù)可知(圖1)，狼毒根、莖葉水浸液對山韭種子的發(fā)芽率具有抑制作用，根、莖葉水浸液的抑制作用隨著水浸液濃度的增加逐漸增強(圖1A)。相同濃度下，莖葉水浸液對山韭種子發(fā)芽率的化感抑制作用顯著大于根(P<0.05)。狼毒根、莖葉水浸液對山韭種子發(fā)芽指數(shù)的化感效應(yīng)與其發(fā)芽率相似(圖1B)，即隨著水浸液濃度的增加，根、莖葉水浸液對山韭種子發(fā)芽指數(shù)的抑制作用逐漸增強。而相同濃度下，僅有5和10 mg·mL-1時莖葉水浸液的抑制作用顯著大于根水浸液(P<0.05)。

狼毒根、莖葉水浸液對山韭種子胚根的化感效應(yīng)顯示(圖1C)，0.5和5 mg·mL-1根、莖葉水浸液對山韭種子的胚根長均具有促進作用，20和50 mg·mL-1時同時具有抑制作用，10 mg·mL-1根、莖葉水浸液具有不同的化感效應(yīng)，前者具有一定的促進作用，后者則表現(xiàn)為抑制作用。在5 mg·mL-1時根水浸液對山韭種子胚根生長的化感促進作用顯著大于莖葉水浸液(P<0.05)。狼毒根、莖葉水浸液對山韭種子胚芽的化感效應(yīng)顯示(圖1D)，0.5和5 mg·mL-1根、莖葉水浸液均具有促進作用，且根水浸液的促進作用顯著強于莖葉水浸液(P<0.05)；10，20和50 mg·mL-1時均表現(xiàn)為不同程度的抑制作用，10 mg·mL-1時根水浸液的抑制作用顯著小于莖葉水浸液(P<0.05)。

圖1 狼毒不同部位水浸液對山韭種子發(fā)芽的化感效應(yīng)Fig.1 Allelopathic effects of aqueous extracts from different parts of S. chamaejasme on the seed germination of A. senescens注：*表示各指標(biāo)在同一濃度根水浸液與莖葉水浸液處理下具有顯著差異(P<0.05)。下圖同Note:* Represents significant difference between the indexes under the same concentration of aqueous extracts from root and stem and leaf at the 0.05 level. The same as below

狼毒根、莖葉水浸液對山韭幼苗生長的化感效應(yīng)指數(shù)對比分析(圖2)，根、莖葉水浸液對山韭幼苗株高(圖2A)、根長(圖2B)與根徑(圖2C)均在0.5，5和10 mg·mL-1時表現(xiàn)出促進作用，在20和50 mg·mL-1時表現(xiàn)出抑制作用。相同濃度下，狼毒根水浸液在5 mg·mL-1濃度時對山韭幼苗株高的促進作用顯著大于莖葉水浸液(P<0.05)，在0.5和10 mg·mL-1濃度時對山韭根長的促進作用顯著大于莖葉水浸液(P<0.05)，莖葉水浸液在20和50 mg·mL-1濃度時對山韭幼苗根長的抑制作用顯著大于根水浸液(P<0.05)。

圖2 狼毒不同部位水浸液對山韭幼苗生長的化感效應(yīng)Fig.2 Allelopathic effects of aqueous extracts from different parts of S. chamaejasme on the seedling growth of A. senescens

3 討論

研究發(fā)現(xiàn)，狼毒根、莖葉水浸液均對山韭種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、胚根長和胚芽長具有顯著的影響。在種子萌發(fā)時，除0.5，5和10 mg·mL-1濃度的根水浸液對山韭種子的發(fā)芽率與發(fā)芽指數(shù)無顯著抑制作用外，其他濃度下的狼毒根、莖葉水浸液對其均具有顯著的抑制作用(P<0.05)，且抑制作用強度與濃度成正相關(guān)關(guān)系。這與前人的研究結(jié)果一致[26]。同時，周淑清[19]與劉雅婧等[20]分別通過狼毒對紫花苜蓿(Medicagosativa)種子發(fā)芽的化感抑制強度與水浸液濃度的關(guān)系進行了印證。大量研究表明植物體不同部位的化感效應(yīng)有所差異[27-29]。本研究發(fā)現(xiàn)狼毒根與莖葉的化感作用也存在明顯的差異。同時，研究發(fā)現(xiàn)狼毒莖葉水浸液對山韭種子發(fā)芽的抑制作用強于根水浸液，這與狼毒對豆科牧草種子萌發(fā)的研究結(jié)果相反。周淑清[19]研究發(fā)現(xiàn)狼毒根水浸液抑制沙打旺(Astragalusadsurgens)種子萌發(fā)的強度大于莖葉水浸液，同時通過土壤腐解試驗證明狼毒根對紫花苜蓿的化感抑制作用大于莖葉[30]。這說明植物化感作用的強弱不僅與其產(chǎn)生部位有關(guān)，還與作用植物的種類有關(guān)。

當(dāng)山韭種子萌發(fā)后，狼毒根、莖葉水浸液對山韭種子的胚根、胚芽的生長均具有“低促高抑”的作用。該結(jié)果不同于狼毒對紫花苜蓿和沙打旺等豆科植物的化感作用變化規(guī)律，即狼毒水浸液對紫花苜蓿和沙打旺種子胚根的伸長具有明顯的抑制作用，且隨著濃度的增加逐漸增強[19]。在0.5和5 mg·mL-1濃度的根、莖葉水浸液對胚芽的生長均具有明顯的促進作用，而根水浸液對胚芽生長的促進作用顯著大于莖葉水浸液。這一結(jié)果前人的相關(guān)研究相同[31-32]，可能是因為植物不同組織或部位對化感物質(zhì)的敏感程度不同所導(dǎo)致。對比相同濃度下化感效應(yīng)指數(shù)，狼毒對山韭種子胚根和胚芽的化感作用總體呈現(xiàn)規(guī)律性變化，即低濃度(0.5，5和10 mg·mL-1)下，根水浸液的促進作用強于莖葉水浸液，而高濃度(20和50 mg·mL-1)下，莖葉水浸液抑制作用強于根水浸液。

隨著山韭幼苗的生長，不同濃度狼毒根、莖葉水浸液對其化感作用也具有明顯差異，低濃度(0.5，5和10 mg·mL-1)水浸液對山韭幼苗株高、根長與根徑均具有促進作用，高濃度(20和50 mg·mL-1)具有抑制作用。研究表明，狼毒水浸液對紫花苜蓿[20]、新麥草(Psathyrostachysjuncea)[24]、高粱(Sorghumbicolor)和燕麥(Avenasativa)[33]等幼苗生長的化感作用也具有“低促高抑”的現(xiàn)象。劉利紅[34]證明了狼毒根、莖葉腐解物對扁蓿豆(M.ruthenica)、草木樨狀黃芪(A.melilotoides)與沙蘆草(Agropyronmongolicum)幼苗生長具有化感促進作用，且莖葉的化感作用強于根，這與本研究的結(jié)果有所差異。本研究發(fā)現(xiàn)低濃度(0.5，5和10 mg·mL-1)下，狼毒根水浸液對山韭幼苗生長的化感促進作用大于莖葉水浸液，高濃度(20和50 mg·mL-1)下莖葉水浸液的化感抑制作用大于根水浸液。由于某些植物具有多種化感物質(zhì)釋放方式[3]，這可能與兩種試驗所模擬的化感途徑不同有關(guān)，分別模擬了狼毒殘株腐解與雨霧淋溶的化感物質(zhì)釋放途徑。

化感作用的本質(zhì)是一種植物通過釋放化感物質(zhì)來影響另一種植物的生長發(fā)育，可能會影響到植物的部分甚至全部生長過程[3]。本研究發(fā)現(xiàn)，狼毒對山韭的化感作用存在于其種子萌發(fā)和幼苗生長的全部過程，其不同部位(根、莖葉)對山韭不同的生長發(fā)育階段所存在的化感作用也不同?？傮w來看，狼毒在山韭種子的萌發(fā)階段主要抑制其發(fā)芽，但在胚根和胚芽突破種皮至幼苗生長階段則表現(xiàn)為低濃度的促進和高濃度抑制作用。本研究結(jié)果或許可以為毒害草型退化草原修復(fù)尋找替代防控植物提供數(shù)據(jù)資料。早在20世紀(jì)80年代，Putnam等[35]開創(chuàng)性的在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中運用化感作用進行田間雜草防除，對各種作物的化感作用進行了評估，并篩選出一些可以控制常見雜草的作物。隨后，基于植物化感作用的農(nóng)田管理措施和種植模式等陸續(xù)展開，并取得良好的效益。這也為當(dāng)前草原生態(tài)修復(fù)提供了有益參考。雖然化感作用在草原生態(tài)系統(tǒng)中的研究已經(jīng)取得顯著成就，但相關(guān)研究還處于初始的驗證化感效應(yīng)、化感物質(zhì)的分離和鑒定等方面[11]。本研究也屬草原植物化感作用初始驗證范疇，為下一步篩選、利用和開發(fā)替代防控狼毒的鄉(xiāng)土植物奠定理論基礎(chǔ)，今后將繼續(xù)開展百合科蔥屬植物化感作用在不同時空尺度生態(tài)學(xué)過程的相關(guān)機制研究。

4 結(jié)論

狼毒對山韭的種子發(fā)芽與幼苗生長具有明顯的化感作用，且隨著山韭種子的萌發(fā)，胚根、胚芽的伸長，乃至幼苗的生長呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律。在種子萌發(fā)階段，狼毒根、莖葉水浸液均對山韭種子的發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)具有抑制作用，且隨濃度的增加逐漸增強，最大可分別降低發(fā)芽率達(dá)43.94%和87.13%；胚根、胚芽的伸長到幼苗的生長階段，不同濃度狼毒根、莖葉水浸液對山韭種子胚根、胚芽及幼苗的生長具有“低促高抑”的作用，即低濃度(0.5，5和10 mg·mL-1)水浸液對其具有促進作用，高濃度(20和50 mg·mL-1)具有抑制作用。不同部位的化感效應(yīng)比較分析表明，狼毒對山韭的種子發(fā)芽與幼苗生長的化感作用具有部位和濃度的差異。狼毒莖葉水浸液對山韭種子發(fā)芽的抑制作用強于根水浸液；對山韭種子胚根、胚芽及幼苗生長的化感作用表明，低濃度根水浸液的化感促進作用強于莖葉水浸液，而高濃度莖葉水浸液的化感抑制作用強于根水浸液。