香豆素對草地早熟禾等6種補播材料種子萌發(fā)特性的影響

程映杰， 李 敏， 朱慧森， 岑慧芳， 郭 鵬

(山西農(nóng)業(yè)大學草業(yè)學院， 山西 太谷 030801)

草地補播是在不破壞或少破壞原生植被的條件下，通過人為播種適應當?shù)夭莸厣鷳B(tài)系統(tǒng)的優(yōu)良草種，以達到改善牧草質(zhì)量、提高草地生產(chǎn)力以及改良恢復退化草地等目的的重要途徑[1-2]。草地早熟禾(Poapratensis)在我國分布廣泛，常以建群種或伴生種見于草甸和草原及其它冷濕生境，具有繁殖能力強、綠色期長、抗旱抗寒等特點[3]。草地早熟禾不僅是重要的草坪草資源、飼草資源，而且在草地建設、生物多樣性維護及生態(tài)修復中發(fā)揮著極其重要的作用[4]。已有研究表明草地早熟禾凋落物能夠?qū)ν称渌莘N的種子萌發(fā)產(chǎn)生影響[5]，李志華[6]在對草地早熟禾及其他幾種植物化感作用初步探究中指出，不同濃度草地早熟禾莖葉提取液對紫花苜蓿(Medicagosativa)和多年生黑麥草(Loliumperenne)等的生長存在促進或抑制的化感效應。本團隊前期研究也發(fā)現(xiàn)草地早熟禾葉和根莖浸提物對百日草(Zinniaelegans)、孔雀草(Tagetespatula)等植物種子發(fā)芽具有抑制作用[7]，并證實香豆素是草地早熟禾的主要化感物質(zhì)[8]。

大量的生產(chǎn)實踐及試驗表明，化感物質(zhì)通過改變植物細胞膜的通透性，影響植物細胞的分裂、生長、分化，干擾蛋白質(zhì)、激素的合成和平衡等途徑，對一些植物種子的萌發(fā)、幼苗生長以及干物質(zhì)的積累等產(chǎn)生影響[9-11]。香豆素最早是在豆科植物香豆(Dipteryxodorata)中提取，結(jié)構(gòu)上是順式鄰羥基桂皮酸分子內(nèi)脫水而成的內(nèi)酯，屬于苯并ɑ-吡喃酮，分布在多種植物的根、莖、葉等器官中[12]，能夠調(diào)節(jié)植物的生長發(fā)育[13]，改善根系微生物群落結(jié)構(gòu)，以及作為化感物質(zhì)釋放到環(huán)境中對其他植物種子的萌發(fā)和幼苗生長產(chǎn)生影響[14]。

本研究選擇北方溫性灌草叢類草地常見的達烏里胡枝子、白羊草、二月蘭、草地早熟禾作為研究材料[15-16]，達烏里胡枝子、草地早熟禾被報道作為伴生種存在于華北天然白羊草草地，二月蘭在華北地區(qū)常見，可以安全越冬，并能作為綠肥改良土壤理化性質(zhì)[17]。通過研究草地早熟禾主要化感物質(zhì)-香豆素對6種材料種子萌發(fā)、生長的影響，篩選以草地早熟禾為主的草地適宜補播的材料，為維持草地植物群落的穩(wěn)定性、物種多樣性，加快恢復退化草地，修復生態(tài)環(huán)境提供新的思路。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

‘晉農(nóng)1號’達烏里胡枝子、‘太行’白羊草為自主選育的品種，由山西農(nóng)業(yè)大學草類種質(zhì)資源庫提供。二月蘭和草地早熟禾‘珠峰’、‘幸運星’、‘新歌萊德’均購自北京綠冠有限公司。

1.2 試驗方法

依據(jù)前期從草地早熟禾的葉片與根莖中所測得香豆素含量[8]，設置香豆素溶液濃度梯度為0，20，40，60，80和100 μg·mL-1。香豆素標品購自索萊寶科技有限公司。

使用1%的H2O2對6種材料的種子消毒1 min，蒸餾水反復沖洗干凈，在直徑為9 cm的培養(yǎng)皿中鋪兩層濾紙，每皿均勻擺放50或100粒種子(二月蘭50粒，其余種子擺放100粒)，吸取5 mL不同濃度的香豆素溶液分別加入培養(yǎng)皿中，用蒸餾水作為對照，各處理設置3次重復，于25℃下恒溫培養(yǎng)，12 h光照/12 h黑暗，濕度為60%～80%，每2 d稱重，并向培養(yǎng)皿中補充蒸發(fā)損失的蒸餾水，保持濾紙濕潤。

參照《國際草種子檢驗規(guī)程》[18]測定發(fā)芽勢與發(fā)芽率，以胚根長度超過種子長度的1/2視為種子發(fā)芽，每24 h記錄發(fā)芽情況。結(jié)束發(fā)芽后用游標卡尺(精確度為0.01 mm)測量莖和根的長度，用電子天平(精確度為0.1 mg)稱量幼苗的鮮重，各處理測定30株。各測量指標的計算公式如下：

發(fā)芽勢(Germination potential，GP)=發(fā)芽試驗規(guī)定時期內(nèi)正常發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%(達烏里胡枝子以3天計，白羊草以7天計，二月蘭以5天計，珠峰、幸運星和新歌萊德以10天計)。

發(fā)芽率(Germination rate，GR)=種子發(fā)芽總數(shù)/供試種子總數(shù)×100%。

發(fā)芽指數(shù)(Germination index，GI)=∑(Gt/Dt)(Gt為t日發(fā)芽數(shù)，Dt為相應的天數(shù))。

活力指數(shù)(Seed vigor index，SVI)=GI×S，GI為發(fā)芽指數(shù)，S為發(fā)芽結(jié)束測得的整株幼苗鮮重(g)。

參照Williamson和Richandson[19]的方法計算綜合化感效應指數(shù)(SE)。

化感效應指數(shù)(Allelopathic response index，RI)=(Ti-T0)/T0×100%，式中，Ti為處理值，T0為對照值。

綜合化感效應指數(shù)(Synthetic effect of allelopathy，SE)：同一供試植物的發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、根長、芽長、幼苗鮮重、活力指數(shù)的RI的算術(shù)平均值。其中，RI或SE為正值時表示促進作用，RI或SE為負值時表示抑制作用，絕對值大小表示影響的強弱。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2013整理數(shù)據(jù)，SPSS 26.0對數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，Duncan’s法進行組間差異顯著性檢驗(P<0.05)，所得結(jié)果均以平均值±標準誤表示，用Origin 2019b作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度香豆素溶液對6種材料種子萌發(fā)的影響

由表1可知，隨香豆素溶液濃度的升高，6種材料種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)趨于受抑制。從發(fā)芽勢看，隨著香豆素濃度的升高，達烏里胡枝子、二月蘭與‘新歌萊德’的發(fā)芽勢逐漸降低，而‘幸運星’、‘珠峰’的發(fā)芽勢的變化呈現(xiàn)“低促高抑”的效果。達烏里胡枝子在40 μg·mL-1香豆素處理下發(fā)芽勢較對照降低了26.90%，且差異顯著(P<0.05)；白羊草在80 μg·mL-1香豆素處理下發(fā)芽勢較對照降低了12.51%，差異顯著(P<0.05)；在20 μg·mL-1香豆素處理下，‘幸運星’發(fā)芽勢顯著高于對照，增加了45.84%。從發(fā)芽率看，低濃度(20 μg·mL-1)的香豆素能夠提高達烏里胡枝子、白羊草、‘幸運星’、‘珠峰’的發(fā)芽率；達烏里胡枝子在20 μg·mL-1香豆素處理下發(fā)芽率增加了4.08%，顯著高于對照(P<0.05)；白羊草在40 μg·mL-1香豆素處理較對照增加28.88%，且存在顯著差異(P<0.05)。從發(fā)芽指數(shù)看，20 μg·mL-1香豆素處理下能提高達烏里胡枝子、白羊草、‘幸運星’、‘珠峰’的發(fā)芽指數(shù)，處理濃度為40 μg·mL-1時，白羊草的發(fā)芽指數(shù)較對照顯著增加26.47%(P<0.05)。

表1 香豆素溶液對6種材料發(fā)芽勢、發(fā)芽率與發(fā)芽指數(shù)的影響Table 1 Effects of coumarin solution on germination potential,germination rate and germination index of six materials

2.2 不同濃度香豆素溶液對6種材料根長、芽長的影響

由表2可知，不同濃度香豆素對達烏里胡枝子根生長表現(xiàn)為促進作用，達烏里胡枝子在20 μg·mL-1香豆素處理下，根長較對照增加了80.50%，差異顯著(P<0.05)；‘幸運星’在香豆素濃度為100 μg·mL-1時根的生長受顯著抑制(P<0.05)，相比對照降低了49.37%。從芽長變化來看(表2)，不同濃度香豆素處理下，達烏里胡枝子、白羊草、‘幸運星’芽生長所受影響表現(xiàn)為“低促高抑”，二月蘭與‘珠峰’芽生長表現(xiàn)為受抑制。在100 μg·mL-1香豆素處理下，達烏里胡枝子芽生長受抑制，較對照降低了24.73%。

表2 香豆素溶液對6種材料根長與芽長的影響Table 2 Effects of coumarin solution on root length and bud length of six materials

2.3 不同濃度香豆素溶液對6種材料鮮重與活力指數(shù)的影響

由表3可知，不同濃度香豆素處理下，達烏里胡枝子、白羊草、幸運星的鮮重變化呈“低促高抑”，珠峰與新歌萊德鮮重較對照顯著降低；達烏里胡枝子在20 μg·mL-1香豆素處理下鮮重顯著增加(P<0.05)，較對照增加了13.33%；白羊草在香豆素處理濃度為40 μg·mL-1時，鮮重相比對照高出5.88%，差異顯著(P<0.05)。從活力指數(shù)變化來看，達烏里胡枝子、白羊草的活力指數(shù)在低濃度香豆素處理下受到促進作用，高濃度(100 μg·mL-1)香豆素處理顯著降低6種材料的活力指數(shù)。達烏里胡枝子在20 μg·mL-1香豆素處理下，活力指數(shù)顯著升高(P<0.05)，相比對照增加了13.78%，而香豆素處理濃度為40 μg·mL-1時，達烏里胡枝子活力指數(shù)較對照顯著降低了9.73%；白羊草活力指數(shù)在40 μg·mL-1香豆素處理下顯著高出對照34.97%(P<0.05)，在80 μg·mL-1香豆素處理下較對照降低了13.29%，且與對照存在顯著差異(P<0.05)。

表3 香豆素溶液對6種材料鮮重與活力指數(shù)的影響Table 3 Effects of coumarin solution on fresh weight and vigor index of six materials

2.4 香豆素對6種材料的綜合化感效應

由圖1可知，不同濃度香豆素對6種材料的化感作用效果、作用強度存在差異。從作用效果來看，在不同濃度香豆素處理下，達烏里胡枝子、白羊草、‘幸運星’、‘珠峰’種子萌發(fā)及幼苗生長所受化感效應呈現(xiàn)“低促高抑”的效果；二月蘭與‘新歌萊德’受化感抑制作用，且隨香豆素濃度升高，抑制作用加強。從作用強度看，20 μg·mL-1香豆素處理下，受化感促進作用由強到弱的4種材料依次為：達烏里胡枝子、白羊草、‘幸運星’、‘珠峰’；40，60 μg·mL-1香豆素處理下，僅有白羊草受化感促進作用，其余5種材料均受不同程度的化感抑制作用；當香豆素處理濃度升高至80 μg·mL-1時，6種材料均受到化感抑制作用，抑制程度由強到弱依次為：‘新歌萊德’、二月蘭、‘幸運星’、‘珠峰’、達烏里胡枝子、白羊草；在100 μg·mL-1香豆素處理下，6種材料種子受化感抑制作用程度由強到弱依次為：‘新歌萊德’、‘幸運星’、‘珠峰’、二月蘭、達烏里胡枝子、白羊草。

圖1 不同濃度香豆素溶液對供試材料綜合化感效應指數(shù)的影響Fig.1 Effects of different concentrations of coumarin solution on the comprehensive allelopathy index of tested materials

3 討論

草地補播操作簡便、見效快，是改良退化草地有效途徑[20]。依據(jù)草地類型，選擇適宜的草種補播，可以明顯改善草地的生產(chǎn)力，提高草地抵抗雜草入侵的能力。但實際補播過程中，補播的效果由多方面因素影響，化感效應便是其中之一。原有草地群落植物的化感作用強度直接影響后續(xù)補播材料的萌發(fā)生長，通過化感作用評定篩選適應當?shù)夭莸仡愋偷难a播材料具有重要意義。

香豆素作為草地早熟禾主要的化感物質(zhì)，對6種材料的作用效果存在差異。種子萌發(fā)是植物生長周期中最脆弱且最重要的階段，發(fā)芽率降低、發(fā)芽時間的延長以及出苗延后，會影響植物在生態(tài)系統(tǒng)中的競爭能力[22]。在本研究中，從發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)來看，低濃度(20 μg·mL-1)香豆素溶液處理下，達烏里胡枝子、白羊草、‘幸運星’、‘珠峰’種子萌發(fā)受到促進作用，而隨香豆素濃度梯度升高，對6種材料種子萌發(fā)均呈現(xiàn)抑制效果。已有研究表明，香豆素在40 μg·mL-1時能顯著抑制多花黑麥草(Loliummultiflorum)、萹蓄(Polygonumaviculare)、紅三葉(Trifoliumpratense)、紫花苜?！S多利亞’的種子萌發(fā)和幼苗生長，而對籽粒莧(Amaranthushypochondriacus)種子萌發(fā)呈現(xiàn)促進效果[23]。低濃度條件下香豆素對達烏里胡枝子、白羊草、‘幸運星’、‘珠峰’萌發(fā)的促進作用可能是其水溶液略顯酸性的結(jié)果，引起細胞壁的松弛，有利于種子的萌發(fā)和破壁生長[24]。隨處理濃度升高，香豆素可通過改變細胞膜通透性，影響線粒體呼吸、酶活性和蛋白質(zhì)的合成等途徑抑制和延緩6種材料種子的發(fā)芽過程[25-26]。

從根長、芽長、鮮重、種子活力指數(shù)的變化趨勢來看，6種材料幼苗根與芽的生長隨香豆素濃度的升高最終表現(xiàn)為受抑制。達烏里胡枝子、白羊草、‘幸運星’在20 μg·mL-1香豆素處理下，鮮重、種子活力指數(shù)高于對照，可能是在該濃度下，這3種材料種子通過大量吸水進行調(diào)節(jié)從而緩解香豆素的作用，而高于20 μg·mL-1香豆素可能超出了6種材料自身可調(diào)節(jié)的范圍，對幼苗造成損傷[24]。研究表明，0.5 μg·mL-1香豆素溶液促進紫花苜蓿根的生長，而高于50 μg·mL-1的香豆素溶液降低了紫花苜蓿的根尖和根緣細胞的活性，抑制紫花苜蓿根系生長[27]。陶茸認為低濃度香豆素可能誘導植物根冠PME基因的表達，促進了根緣細胞的形成，通過根緣細胞釋放某些生物活性物質(zhì)，中和化感物質(zhì)的毒性。但化感物質(zhì)濃度高于根尖組織耐受極限則會抑制植物根系的生長[27]。本研究中低濃度(20 μg·mL-1)香豆素溶液極顯著促進達烏里胡枝子根生長，對白羊草、‘幸運星’根系生長也有一定的促進效果，高濃度香豆素均抑制6種材料的根生長，表明6種材料根系受香豆素影響存在差異，低濃度處理下，達烏里胡枝子根系對香豆素毒性的敏感程度遠低于其他5種材料。推測香豆素直接作用于幼苗根系，對根系細胞造成破壞，影響根系對水分和養(yǎng)分的吸收能力，從而使根與芽的生長延緩甚至停滯。

從綜合化感效應看，低濃度(20 μg·mL-1)香豆素溶液處理下，受化感促進作用最顯著的是達烏里胡枝子，其次是白羊草。香豆素處理濃度增加至40 μg·mL-1時，對白羊草的化感促進作用最顯著，而其他5種材料均受到不同程度的抑制作用。一般來說根際土壤中化感物質(zhì)含量要遠低于植株[28]，因此香豆素在土壤中的實際濃度可能遠低于本研究中達烏里胡枝子、白羊草種子萌發(fā)與幼苗生長受抑制的最低濃度，所以推測達烏里胡枝子、白羊草可能適宜作為補播材料。同時，補播不僅僅要考慮種子萌發(fā)情況，更要保證后期群落穩(wěn)定性。豆禾生態(tài)位的差異往往利于其共生，已有報道稱達烏里胡枝子與白羊草混播利于提高水分脅迫下二者葉片光合速率與水分利用效率[29]。草地早熟禾與白羊草同為根莖疏叢型下繁草并占據(jù)相同的生態(tài)位，有研究證實，陜北黃土丘陵區(qū)撂荒地與黃土丘陵溝壑區(qū)滑坡堆積體的植被演替中，均出現(xiàn)包含白羊草、達烏里胡枝子與早熟禾的群落[30-31]，并且在天然白羊草草地中達烏里胡枝子與草地早熟禾作為伴生種存在[32]，進一步驗證達烏里胡枝子與白羊草可以作為補播材料的推論，并推測達烏里胡枝子、白羊草、草地早熟禾之間可以多種組合方式混播。

不同濃度(0～100 μg·mL-1)的香豆素對二月蘭的的化感效應始終表現(xiàn)為抑制，推測二月蘭不宜作為補播材料。較低濃度(40 μg·mL-1)香豆素處理下3個品種草地早熟禾萌發(fā)均受到抑制，前人研究發(fā)現(xiàn)，草地早熟禾與冷地早熟禾的浸提液對其自身種子萌發(fā)和幼苗生長均有抑制作用[8,33]，表明草地早熟禾之間也存在較強的競爭。草地早熟禾通過對同生境下的其他植物的化感作用，以及對自身的自毒作用來維持種群的適當密度，占據(jù)更多的生存空間[34]。為避免其對自身的化感作用降低草地早熟禾草地質(zhì)量，應重點考慮補播方式、補播密度。

本研究用草地早熟禾主要化感物質(zhì)對6種材料進行萌發(fā)特性評定，為后續(xù)補播試驗提供更佳的草種選擇，降低了進一步驗證補播可行性試驗的工作量。適宜的材料組合是提高補播效益的關(guān)鍵，通過篩選以草地早熟禾為主導的草地適宜補播的材料，以構(gòu)建穩(wěn)定的草地群落，改善土體結(jié)構(gòu)，加快演替進程，為北方干旱半干旱地區(qū)增綠的同時，充分發(fā)揮草地生態(tài)系統(tǒng)對二氧化碳等溫室氣體的吸收功能，助力碳達峰碳中和計劃如期完成[35]。

4 結(jié)論

香豆素對6種材料種子萌發(fā)及幼苗生長具有化感效應，對‘晉農(nóng)1號’達烏里胡枝子、‘太行’白羊草、草地早熟禾‘幸運星’與‘珠峰’的化感作用表現(xiàn)為“低促高抑”，對二月蘭、‘新歌萊德’表現(xiàn)為抑制作用；20 μg·mL-1和40 μg·mL-1的香豆素溶液分別對‘晉農(nóng)1號’達烏里胡枝子、‘太行’白羊草種子萌發(fā)與幼苗生長產(chǎn)生較強的化感促進效果，結(jié)合草地早熟禾與達烏里胡枝子、白羊草可在天然草地共生，推斷所選材料中，‘晉農(nóng)1號’達烏里胡枝子、‘太行’白羊草是比較理想的草地早熟禾為主導的草地補播材料。本研究僅通過化感作用探討適宜用作補播的草種，而補播方式、補播時間等影響補播效果的因素尚進一步探究。