云南9種常見菊科雜草葉片性狀研究

浦艷飛, 宋起萱, 汪國鮮, 楊春梅, 吳麗芳, 余蓉培, 王繼華,4

(1.云南大學(xué)資源植物研究院,昆明 650504;2.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院花卉研究所,昆明 650205;3.玉溪云星生物科技有限公司, 云南 江川 653100;4.國家觀賞園藝工程技術(shù)研究中心,昆明 650205)

【研究意義】中國雜草90科571屬,共1454種,是影響中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵問題之一[1]。僅在昆明地區(qū),常見農(nóng)田雜草就達(dá)151種,其中菊科雜草有31種[2]。中國常年受雜草危害的土地面積超過0.74×108hm2,每年在雜草防治方面投入的費用為235×108元左右,直接導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失超過1000億[3]。菊科雜草因其種子數(shù)量多,繁殖能力強[4],且普遍具有化感作用,通過釋放化感物質(zhì)來抑制周圍物種的生長[5],同時,菊科植物具有較強的光合適應(yīng)性,對干旱貧瘠生境有著極強的耐受力,因此對土地資源具有極強的侵占特性,嚴(yán)重破壞生態(tài)平衡[4]。開展云南常見菊科雜草葉片性狀研究將為菊科雜草的適應(yīng)性研究以及防治策略提供參考依據(jù)?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前,中國主要使用化學(xué)除草劑來進(jìn)行雜草防治,但是,大量使用化學(xué)除草劑帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題和食品安全問題。隨著人們食品安全意識和環(huán)境保護(hù)意識增強,生物防治已經(jīng)成為雜草防控的重要趨勢和研究熱點。了解雜草的生長習(xí)性及生理生態(tài)特征是進(jìn)行生物防治的前提[6]。植物葉片具有生長周期短、更新快、數(shù)量多、對環(huán)境變化敏感等特點,是表征植物生長習(xí)性、生理生態(tài)特征以及生長對策權(quán)衡的重要指標(biāo)[7-8]。青藏高原地區(qū)的火絨草、蒲公英和美麗鳳毛菊等菊科植物的角質(zhì)層和表皮層厚度隨海拔升高而增加以適應(yīng)高原低溫、強輻射的環(huán)境[9]?？茽柷呱车氐木湛浦参餅檫m應(yīng)干旱環(huán)境,保持水分,則采取低比葉面積、高葉干物質(zhì)含量等適應(yīng)策略[10]。同時,植物對環(huán)境的不同適應(yīng)策略會導(dǎo)致其化學(xué)計量特征和養(yǎng)分利用策略各有不同[11]。在魏海霞等[12]對毛烏素沙漠主要植物葉片性狀的研究中顯示,固定沙地的中間錦雞兒具有較高的葉片氮(N)含量,其通過提高氮含量來保持較高的水分利用率,以適應(yīng)沙地干旱環(huán)境。此外,葉綠素?zé)晒庾鳛楣夂献饔锰结?會隨外界環(huán)境發(fā)生改變,亦能反映植物對環(huán)境的適應(yīng)性[13-14]。在對華南地區(qū)幾種菊科雜草的研究中發(fā)現(xiàn),三裂葉蟛蜞菊(Wedeliatrilobata)和白花鬼針草(Bidensalba)的PSII最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)分別高于蟛蜞菊(W.chinensis)和鬼針草(B.pilosa),具有較強的光合能力,表現(xiàn)出對當(dāng)?shù)丨h(huán)境較好的適應(yīng)性[15]?！颈狙芯壳腥朦c】蒲公英(TaraxacummongolicumHand-Mazz.)、苦苣菜(SonchusoleraceusL.)、鼠麴草(GnaphaliumaffineD. Don.)、青蒿(ArtemisiaannuaL.) 4個種屬于中國土著種菊科雜草[16-18]。紫莖澤蘭(EupatoriumcoelestinumMichx.)、銀膠菊(PartheniumhysterophorusL.)、小蓬草(ConyzacanadensisL.)、三葉鬼針草(BidenspilosaL.)、牛膝菊(GalinsogaparvifloraCav.) 5個種屬于菊科入侵種雜草[4]。上述9種菊科雜草在云南田間廣泛分布,影響農(nóng)作物生長[2, 4],其中,紫莖澤蘭、三葉鬼針草、和銀膠菊為云南Ⅰ級惡性入侵雜草[3-4],牛膝菊為Ⅱ級嚴(yán)重入侵雜草[4],均具有嚴(yán)重危害性[3]。但目前尚未見針對上述云南常見菊科雜草葉片性狀的比較分析?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以上述9種云南常見菊科雜草為試驗材料,對葉片解剖結(jié)構(gòu)、氣孔密度、葉脈密度、干物質(zhì)含量、比葉面積、化學(xué)計量特征、葉綠素含量、葉綠素?zé)晒鈪?shù)等葉片性狀進(jìn)行比較分析,并對其適應(yīng)性機理進(jìn)行初步探究,研究結(jié)果為菊科雜草的防治提供重要理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本研究以云南常見菊科雜草蒲公英(T.mongolicumHand. Mazz.)、苦苣菜(S.oleraceusL.)、鼠麴草(G.affineD. Don.)、青蒿(A.annuaL.)、紫莖澤蘭(E.coelestinumMichx.)、銀膠菊(P.hysterophorusL.)、小蓬草(C.canadensisL.)、三葉鬼針草(B.pilosaL.)、牛膝菊(G.parvifloraCav.)為試驗材料。試驗植株采自云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院花卉研究所附近生境一致的荒坡(25°7′22′′ N,102°45′59′′ E),該研究區(qū)域氣候干燥,晝夜溫差大,年均溫度13.5～16.8 ℃,年日照2200 h,無霜期285 d,年均降水量1006.5 mm[19]。2021年4月每個種分別選取3株長勢一致的植株,每株選取中部3片成熟葉片進(jìn)行相應(yīng)指標(biāo)的測定。

1.2 試驗方法

1.2.1 葉片解剖結(jié)構(gòu)測定 對葉片主脈兩側(cè)組織進(jìn)行徒手切片,用光學(xué)顯微鏡觀察并對葉片橫切面進(jìn)行拍照,利用軟件ImageJ分析得到葉片厚度(Leaf thickness, LT)、角質(zhì)層厚度(Cuticle thickness, CT)、表皮厚度(Epidermis thickness, ET)、柵欄組織厚度(Palisade parenchyma thickness, PT)、海綿薄壁組織厚度(Spongy parenchyma thickness, ST)[20]。

柵海比(P/S) =PT/ST

組織結(jié)構(gòu)緊密度(Cell tense ratio, CTR)(%) =PT/LT×100

組織結(jié)構(gòu)疏松度(Sponge ratio, SR)(%) =ST/LT×100

1.2.2 氣孔密度測定 在葉片背面中部(避開主脈)用指甲油涂抹1 cm2區(qū)域,待指甲油干后,用鑷子撕下成膜部分,制片觀察并拍照。利用軟件ImageJ對拍攝得到的氣孔圖片進(jìn)行分析處理,得出單位面積內(nèi)的氣孔數(shù)目即氣孔密度(Stomatal density, SD)[20]。

1.2.3 葉脈密度測定 剪取1 cm2葉片,參照張曉燕等[20]方法進(jìn)行處理和制片,隨后用體式鏡觀察并拍照,用軟件ImageJ測量視野內(nèi)葉脈的總長度,計算單位葉面積葉脈的總長度,即葉脈密度(Vein density, VD)。

1.2.4 葉片干物質(zhì)含量和比葉面積測定 稱量待測葉片得到鮮重,并對葉片進(jìn)行拍照,使用軟件ImageJ對照片進(jìn)行分析,得到葉面積大小。隨后,將葉片置于65 ℃烘箱烘至恒重,稱取干重。按照以下公式計算葉片的干物質(zhì)含量(Leaf dry matter content, LDMC)和比葉面積(Specific leaf area, SLA)。

1.2.5 全碳、全氮、全磷測定 將長勢均一的成熟葉片分別裝于信封袋內(nèi),65 ℃烘干至恒重,粉碎后用于全碳(C)、全氮(N)、全磷(P)的測定。利用滴定法以硫酸亞鐵滴定測定全碳含量,凱氏定氮法測定全氮含量,鉬銻抗比色法測定全磷含量[21]。每個種分別3次重復(fù)。

1.2.6 葉綠素含量測定 將各材料離體葉片剪碎,采用N, N-二甲基甲酰胺浸提,獲得葉綠素提取液,分別于波長663和645 nm下測定OD值,結(jié)合Arnon公式計算各材料的葉綠素a含量(Chlorophyll a content, Chl a)、葉綠素b含量(Chlorophyll b content, Chl b)、葉綠素總含量(Total chlorophyll content, Total Chl)以及葉綠素a/葉綠素b(Chlorophyll a content/Chlorophyll b content, Chl a/Chl b)[22]。

1.2.7 葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定 14:00時收集試驗材料,連根帶回實驗室后,隨即參照余蓉培等[22](2019)所述方法使用葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)CFI (英國Techno-logica公司)開展葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定,準(zhǔn)備第1個待測樣,將待測葉片先平展固定于樣品臺上,暗適應(yīng)20 min,打開自動脈沖光(auto pulse),強度為6164 μmol/(m2·s),獲取PSII最大光化學(xué)效率(Fv/Fm),打開作用光(Actinic light),強度為1000 μmol/(m2·s),與生長環(huán)境光強一致,持續(xù)5 min進(jìn)行光適應(yīng),然后再次打開自動脈沖光,獲取非光化學(xué)淬滅(NPQ)、PSII有效光化學(xué)量子產(chǎn)量(Fv′/Fm′)以及PSII實際光化學(xué)量子效率(ΦPSII)。依次對9種菊科雜草葉綠素?zé)晒鈪?shù)進(jìn)行測定。光適應(yīng)5 min后,設(shè)置連續(xù)光強梯度2000、1500、1000、600、400、200、100、50、20、0 μmol/(m2·s),每個光強梯度持續(xù)30 s,隨后打開自動脈沖光,收集ΦPSII,通過公式ETR=光照強度(PPFD)×ΦPSII×0.85×0.5計算各光強梯度下的光合電子傳遞速率(ETR)。

1.2.8 數(shù)據(jù)處理 使用軟件SPSS 13.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行最小顯著差數(shù)法(Least significant difference, LSD)分析,并使用軟件Origin 9.1繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 9種菊科雜草葉片解剖結(jié)構(gòu)特征

從表1可知,9種菊科雜草葉片厚度為211.93～331.05 μm,角質(zhì)層和表皮厚度分別為5.50～13.98和25.70～65.22 μm,其中銀膠菊(13.98 μm)和三葉鬼針草(10.38 μm)的角質(zhì)層較厚,苦苣菜的表皮最厚(65.22 μm),有助于減少水分蒸騰。9種菊科雜草中,銀膠菊柵欄組織最厚(145.57 μm),而海綿組織最薄(53.19 μm),并且呈現(xiàn)出最大的柵海比(2.74)和最高的緊密度(48.78%),該結(jié)構(gòu)有助于減少水分蒸騰。

表1 云南9種常見菊科雜草的葉片解剖結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Leaf anatomical parameters of nine common species of compositae weeds in Yunnan province (mean ± S.E.,n=3)

由圖1可知,9種菊科雜草氣孔密度為156.18～331.55 個/mm2,苦苣菜(331.55 個/mm2)和牛膝菊(329 個/mm2)的氣孔較其它種類密集,有助于其根據(jù)環(huán)境情況對水分蒸騰進(jìn)行調(diào)節(jié)。苦苣菜葉脈密度(10.32 cm/cm2)顯著大于其它種類,有助于提升其水分運輸效率。

圖1 云南9種常見菊科雜草的氣孔密度和葉脈密度Fig.1 Stomatal density and vein density of nine common species of compositae weeds in Yunnan province

2.2 9種菊科雜草葉面積、葉干物質(zhì)含量及比葉面積

從表2可知,9種菊科雜草中,除紫莖澤蘭(36.41 cm2)和三葉鬼針草(36.00 cm2)的葉面積較為接近外,其他7種菊科雜草葉面積差異顯著。小蓬草的葉干物質(zhì)含量(0.30 g/g)顯著高于其他種類,說明其具有較強的干物質(zhì)積累能力。9種菊科雜草比葉面積為163.33～420.33 cm2/g,比葉面積最小的是紫莖澤蘭(163.33 cm2/g),最大的是蒲公英(420.33 cm2/g),說明不同種類的物質(zhì)分配和光適應(yīng)策略存在一定差異。

表2 云南9種常見菊科雜草的葉面積、葉干物質(zhì)含量以及比葉面積Table 2 Morphological characteristics of nine common species of compositae weeds in Yunnan province(mean±S.E., n=3)

2.3 9種菊科雜草的葉片化學(xué)計量特征

從表3可知,9種菊科雜草的C、N、P含量分別為464.84～497.47、16.38～63.52、1.61～1.89 mg/g,C/N、C/P和N/P分別為7.85～29.83、245.80～305.38、9.35～27.27。其中,紫莖澤蘭C含量(513.54 mg/g)顯著高于其他種類,具有較高的碳同化能力。小蓬草N含量(63.52 mg/g)顯著高于其他種類,C/N (7.85)顯著低于其他種類,說明其具有較強的N利用率。青蒿P含量最高,為1.89 mg/g,且C/P (245.80)顯著低于其他種類,說明其具有較強的P利用率。

表3 云南9種常見菊科雜草葉片的化學(xué)計量特征Table 3 Stoichiometry characteristic of nine common species of compositae weeds in Yunnan province (mean ± S.E., n=3)

2.4 9種菊科雜草的葉綠素含量

從表4可知,9種菊科雜草葉綠素a含量為12.30～19.84 mg/g,葉綠素b含量為3.63～6.66 mg/g,葉綠素總含量為15.92～26.49 mg/g,蒲公英的總?cè)~綠素含量最高,為26.49 mg/g。除鼠麴草和紫莖澤蘭的葉綠素a/葉綠素b值較低外,其他種類均大于2.89,說明這些種類對強光環(huán)境具有較好的適應(yīng)性。

表4 云南9種常見菊科雜草的葉綠素含量Table 4 The chlorophyll content of nine common species of compositae weeds in Yunnan province (mean ± S.E., n=3)

2.5 9種菊科雜草離體葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)比較

從圖2～3可以發(fā)現(xiàn),9種雜草的葉綠素?zé)晒鈪?shù)及光響應(yīng)曲線之間存在一定差異,但均表現(xiàn)出較好的光合特性,對環(huán)境適應(yīng)性較強。其中,Fv/Fm均在0.7～0.8(圖2-A),具有較好的光合能力,NPQ均在2.0～3.5(圖2-B),均具有較好的熱耗散能力,有助于減小強光和干旱環(huán)境對光合結(jié)構(gòu)的損害。

圖2 云南9種常見菊科雜草的葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fig.2 The chlorophyll fluorescence parameters of nine common species of compositae weeds in Yunnan province

圖3 云南9種常見菊科雜草光電子傳遞速率(ETR)的快速光響應(yīng)曲線Fig.3 Rapid light-response curve of ETR in nine common species of compositae weeds in Yunnan province

2.6 9種菊科雜草葉片性狀綜合分析

由表5～6可知,9種菊科雜草中,土著種菊科雜草的葉片性狀變異系數(shù)在2.51%～61.66%,入侵種菊科雜草的葉片性狀變異系數(shù)在2.44%～80.89%。在所有葉片性狀中,土著種和入侵種的葉面積變異系數(shù)均最大,且入侵種的葉面積變異系數(shù)(80.89%)顯著大于土著種(61.66%),說明不同入侵種菊科雜草的葉面積差異更為顯著。

表5 土著種菊科雜草葉片性狀綜合分析Table 5 Leaf trait analysis of indigenous species of compositae weeds

表6 入侵種菊科雜草葉片性狀綜合分析Table 6 Leaf trait analysis of invasive species of compositae weeds

9種菊科雜草中,入侵種紫莖澤蘭的比葉面積(163.33 cm2/g)最小,但C含量(513.54 mg/g)和NPQ(3.55)最大,有助于其通過較高的碳同化能力和熱耗散能力來適應(yīng)干燥貧瘠的環(huán)境。入侵種銀膠菊的海綿組織厚度(53.14 μm)最小,角質(zhì)層厚度(13.98 μm)和柵欄組織厚度(145.57 μm)最大,有利于減少水分散失,進(jìn)而適應(yīng)干燥的氣候環(huán)境。土著種蒲公英具有最厚葉厚度(331.05 μm)、最大比葉面積(420.33 cm2/g)和最高葉綠素含量(26.49 mg/g),有利于提高保水能力及光合速率,進(jìn)而適應(yīng)高溫干燥的氣候環(huán)境。土著種苦苣菜具有最厚的表皮組織(65.22 μm),有助于減少水分蒸騰,同時,土著種苦苣菜還具有最大的氣孔密度(331.55 個/mm2)和葉脈密度(10.32 cm/cm2),有利于調(diào)節(jié)蒸騰作用和提高水分運輸能力,進(jìn)而適應(yīng)干燥的氣候環(huán)境。

3 討 論

植物葉片結(jié)構(gòu)變化會影響其生理生態(tài)功能進(jìn)而調(diào)節(jié)植物對環(huán)境的適應(yīng)性[23]。本研究中9種菊科雜草的葉片厚度和角質(zhì)層厚度分別為211.93～331.05和5.50～13.98 μm,整體高于青藏高原海拔3600 m處火絨草的葉片厚度(205.51 μm)和角質(zhì)層厚度(4.7 μm)[9]。氣孔密度(156.18～331.55個/mm2)顯著大于安徽野生菊屬植物葉片氣孔密度(51.8～114.1 個/mm2)[24],表明云南9種菊科雜草為了適應(yīng)本地干燥氣候特征,形成了較厚的葉片厚度、角質(zhì)層厚度以及較高的氣孔密度等葉片性狀特征,有助于減少水分蒸騰,維持葉片水分供需平衡,同時減少強輻射對葉片的損傷。

碳、氮和磷是植物生長必需元素,C∶N、C∶P表征了植物吸收N、P時同化積累C的能力,反映出植物體的生長速率及營養(yǎng)元素利用效率[25]。本研究中,9種菊科雜草葉C含量為464.84～497.47 mg/g,均高于中國草地生態(tài)系統(tǒng)213個物種(438 mg/g)葉C含量[26],N含量為16.38～63.52 mg/g,除苦苣菜和青蒿外,其他7種菊科雜草的N含量均高于中國陸生植物(20.20 mg/g)和全球陸生植物(20.60 mg/g)N含量的平均水平[26-27],P含量為1.61～1.89 mg/g,均高于中國陸生植物(1.46 mg/g)P 含量的平均水平[26],鼠麴草、青蒿以及紫莖澤蘭、牛膝菊的P含量與全球陸生植物P含量的平均水平(1.77 mg/g)接近[27]?？傮w上,9種菊科雜草的N、P含量均高于全國陸生植物的平均水平,在該取樣地塊表現(xiàn)出較好的生長適應(yīng)性,這與胡朝臣等[28]對飛機草和紫莖澤蘭的研究結(jié)果相似。綜合分析9種菊科雜草的C、N、P水平,表明云南9種菊科雜草葉片吸收N、P時同化積累C的能力強,能為其光合作用及生理生化過程提供充足的底物和能量,因此能更好的適應(yīng)外界環(huán)境的變化。

根據(jù)Koerselman限制性養(yǎng)分理論,當(dāng)N/P <14時,植物生長主要受N限制,而當(dāng)N/P>16時,植物生長主要受P限制[11]。本研究中,苦苣菜(9.35)和青蒿(9.93)的N/P <14,N成為這2種雜草在該取樣地塊生長的限制性因素。銀膠菊(26.64)、小蓬草(36.41)以及三葉鬼針草(27.27)的N/P比值遠(yuǎn)大于16,P成為上述3種雜草在該取樣地塊生長的主要限制性因素,這與空心蓮子草生長的限制性因素相同[11]。

葉綠素含量反應(yīng)了植物光合作用的強弱[29-30]。研究中云南9種菊科雜草葉綠素含量(15.92～26.49 mg/g)顯著大于白花鬼針草、芒萁、鴨跖草的葉綠素含量(1.0～2.5 mg/g )[29],同時也大于葉梅榮等[30]研究中5種草坪雜草的葉綠素含量(1.5～4.5 mg/g),說明9種菊科雜草通過較高的葉綠素積累來提高光合適應(yīng)能力。同時,9種菊科雜草NPQ為1.94～3.55,具有較強的熱耗散能力,說明其在逆境脅迫下對光合結(jié)構(gòu)起一定的保護(hù)作用,與水稻在逆境脅迫下通過提高NPQ來降低強光對光系統(tǒng)的損傷機理一致[31]。

葉片性狀是植物適應(yīng)環(huán)境體現(xiàn)出的葉片水平上的特征參數(shù)[32],但生長在相同氣候環(huán)境下的不同植物,如:荒漠植物柴柴花(Karelinicacaspica)和駱駝刺(Alhagisparsifolia),兩者間的葉片性狀亦存在顯著差異(P<0.05),展現(xiàn)出對荒漠環(huán)境不同的適應(yīng)性策略[32]。與此相似,云南9種菊科雜草中土著種和入侵種雜草的葉面積、比葉面積、葉干物質(zhì)含量等葉性狀指標(biāo)變異系數(shù)存在顯著差異(P<0.05),但在所有指標(biāo)中,葉面積變異系數(shù)均最大,這可能是由于不同物種間葉片形態(tài)差異導(dǎo)致[33]。本研究中,盡管土著種雜草苦苣菜和入侵種雜草銀膠菊均采自同一樣地,但兩者對云南的干燥環(huán)境采取不同的適應(yīng)策略。9種菊科雜草中,入侵種銀膠菊的海綿組織厚度最小,角質(zhì)和柵欄組織厚度最大,有利于減少水分散失。土著種苦苣菜具有最厚的表皮組織,有助于減少水分蒸騰,同時,苦苣菜還具有最大的氣孔密度和葉脈密度,分別有利于調(diào)節(jié)蒸騰作用和提高水分運輸能力。

4 結(jié) 論

9種菊科雜草的葉片解剖結(jié)構(gòu)特征數(shù)值、氣孔密度、葉脈密度、葉面積、比葉面積等葉片性狀存在顯著差異(P<0.05),其化學(xué)計量特征和葉綠素?zé)晒鈪?shù)等指標(biāo)顯示9種菊科雜草具有良好的營養(yǎng)特征和光合特性,對云南當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境均具有良好的適應(yīng)性。葉片性狀的差異反應(yīng)出不同種類菊科雜草對云南干燥環(huán)境適應(yīng)策略的差異,銀膠菊具有最厚的角質(zhì)層及柵欄組織,有助于減少水分散失,而苦苣菜具有最厚的表皮層和最大的氣孔密度及葉脈密度,也有助于減少水分散失,提高蒸騰調(diào)節(jié)能力和水分運輸能力,應(yīng)對干燥環(huán)境。