入侵植物三葉鬼針草對4種果樹葉片浸提液的化感及其自感響應(yīng)

單春燕,陳志遠,王柳潔,張 曼,于海靜,江路雨,李玉英,李百煉,張龍沖,

(1.河南農(nóng)業(yè)大學 林學院,鄭州 450000;2.河南省軟籽石榴工程研究中心,河南南陽 473000;3.河南省南水北調(diào)中線水源區(qū)流域生態(tài)安全國際聯(lián)合實驗室,河南南陽 473061;4.加州大學 河濱分校環(huán)境科學系,美國河濱 CA92521)

植物在長期的進化過程中會通過化感作用保持自身對生存資源的競爭優(yōu)勢[1],化感作用是指植物(包括微生物)在其生長過程中會產(chǎn)生化學物質(zhì),這些化學物質(zhì)通過自然揮發(fā)、根系分泌、雨霧淋溶以及植株腐解4種方式進入環(huán)境,從而對其他植物或自身產(chǎn)生有利或者不利影響的現(xiàn)象[1-3],植物釋放的化感物質(zhì)廣泛存在于植物的莖葉、根系等器官之中[4-5]。

外來入侵植物危害日益嚴重,其會與本土植物競爭生存資源,搶占本土植物生態(tài)位,進而破壞當?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,威脅生物多樣性[6-7]。三葉鬼針草是一種入侵性極強的入侵植物[8],屬于菊科鬼針草屬1 a生草本植物,以種子繁殖為主,具有生命周期短、生態(tài)適應(yīng)性強、結(jié)實率高且易于傳播、萌發(fā)率高、繁殖速度快、能在惡劣環(huán)境中繁殖和存活等特點。三葉鬼針草植株中含有黃酮類、酚類等有效成分,其中黃酮類是其主要活性成分[9]。目前關(guān)于三葉鬼針草的研究主要包括,將其作為超富集植物修復遭受重金屬鎘污染的土壤[10-12],作為藥材在臨床應(yīng)用中與其他中藥配合應(yīng)用[13],作為動物的飼草資源[14]等,另外三葉鬼針草作為一種入侵植物也受到了廣泛關(guān)注[15-16]。核桃、桃、石榴、柿樹是中國重要的經(jīng)濟樹種,已有研究發(fā)現(xiàn)核桃樹的根、葉片等器官中存在可以影響多種植物生長的胡桃醌、酚類等化感物質(zhì),高劑量的核桃凋落葉對滇重樓生長產(chǎn)生了強烈的化感作用[17-18];桃葉中含有黃酮等化學物質(zhì)[19];石榴葉中含有總酚、鞣質(zhì)、總黃酮、鞣花酸等有效成分[20];柿葉中含有單寧,是一種存在于植物中的水溶性多酚類物質(zhì)[21]。原慧芳等[22]研究表明柿樹葉片具有化感潛力,柿樹葉片浸提液顯著抑制蘿卜、小麥、綠豆種子發(fā)芽和幼苗生長。

有研究表明,可以利用植物之間的化感作用實現(xiàn)田間雜草、外來入侵植物的生物防治[21-23]。目前關(guān)于探究果樹對入侵植物三葉鬼針草種子萌發(fā)與幼苗生長的化感作用以及三葉鬼針草自身自毒效應(yīng)的研究較少,本試驗從化感作用的角度出發(fā),以4種本地常見果樹(核桃、桃、石榴、柿)即將凋落的葉片及三葉鬼針草地上部分植株為研究對象,探究核桃、桃、石榴、柿的葉及三葉鬼針草地上部分植株浸提液對三葉鬼針草種子萌發(fā)和幼苗生長的化感效應(yīng),為防治三葉鬼針草入侵,利用果樹葉片資源開發(fā)新的生物除草劑提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

核桃、桃、柿、石榴樹即將凋落的葉片和三葉鬼針草植株(地上部分)以及三葉鬼針草種子均于2020年9月-11月采自于河南農(nóng)業(yè)大學林木種苗繁育中心園內(nèi),該基地地處東經(jīng)112°42′～ 114°13′,北緯34°16′～34°58′。

1.2 浸提液配制

用蒸餾水洗去采集的供體材料葉片表面灰塵,放在室溫下陰干備用,將陰干的植物葉片放在打粉機中打磨成粉末,每種植物葉片粉末分別稱取50 g置于錐形瓶中,分別往錐形瓶中加入 1 000 mL的蒸餾水,常溫下浸泡24 h,在常溫條件下用搖床120 r·min-1水浴振蕩浸提48 h,分別取各上清液用雙層濾紙過濾兩次得到質(zhì)量濃度為0.05 g·mL-1的母液,取各植物葉片浸提液部分母液加蒸餾水分別稀釋至質(zhì)量濃度為 0.005、0.025 g·mL-1,放置于4 ℃冰箱中冷藏備用[24]。

1.3 發(fā)芽試驗

采用培養(yǎng)皿濾紙法進行種子萌發(fā)試驗,選取50粒健康、籽粒飽滿的三葉鬼針草種子置于鋪有兩層濾紙的培養(yǎng)皿中,分別加入0.005、0.025和0.05 g·mL-1的浸提液10 mL,對照組加等量蒸餾水,每種處理3個重復。所有培養(yǎng)皿放于 15 ℃、80%濕度、光周期12 h的光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng),萌發(fā)過程中若出現(xiàn)缺水,適時加入相應(yīng)質(zhì)量濃度的浸提液或蒸餾水補充,以濾紙始終保持濕潤為度,種子發(fā)芽的標準是胚根突破種皮1～ 2 mm[25]。

1.4 指標測定

每天同一時間記錄每個培養(yǎng)皿中發(fā)芽的種子數(shù),連續(xù)5 d無萌發(fā)即視為發(fā)芽結(jié)束,最后分別計算種子的發(fā)芽率(germination rate,GR)、發(fā)芽指數(shù)(germination index,GI)、發(fā)芽勢(germination potential,GP)、化感作用效應(yīng)指數(shù)(response index,RI),從每個培養(yǎng)皿中隨機挑選20株幼苗測量其芽長和根長,并計算根長與芽長的根冠比[25],使用萬分之一天平測量胚芽與胚根的鮮、干質(zhì)量。

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

發(fā)芽指數(shù)=∑(Gt/Dt)(Gt:在t天內(nèi)的發(fā)芽數(shù),Dt:第t天)

發(fā)芽勢=第4天發(fā)芽種子數(shù)/供試種子 數(shù)×100%

參照史生晶等[15]的計算公式,C為對照值,T為處理值,各測試指標中T≥C時,RI=1-C/T;T0時表示促進作用,RI<0時表示抑制作用,其絕對值的大小反映化感作用的強弱。綜合化感效應(yīng)(SE)用供體同一處理下對同一受體各測試指標化感效應(yīng)指數(shù)(RI)的算術(shù)平均值進行評價,即綜合化感效應(yīng)指數(shù)用發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽勢、胚芽長度、胚根長度、胚芽和胚根的長度根冠比、胚芽鮮質(zhì)量、胚根鮮質(zhì)量、胚芽干質(zhì)量、胚根干質(zhì)量10個指標化感效應(yīng)指數(shù)的平均值表示。

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 25.0和Excel 2010對數(shù)據(jù)進行分析與處理,采用單因素方差分析法分析不同植物的不同質(zhì)量濃度浸提液對三葉鬼針草種子萌發(fā)和幼苗生長各指標的影響差異,試驗數(shù)據(jù)以“平均值±標準誤差”表示,P<0.05為差異性評判標準,對滿足正態(tài)分布的數(shù)據(jù)使用LSD法進行多重比較,對少數(shù)不滿足正態(tài)分布的數(shù)據(jù)使用非參數(shù)Kruskal-Wallis法進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 5種浸提液對三葉鬼針草種子發(fā)芽率的 影響

如表1所示,在0～0.05 g·mL-1質(zhì)量濃度浸提液處理下,柿葉、核桃葉、三葉鬼針草植株浸提液對受體植物種子發(fā)芽率均無顯著影響(P>0.05),其種子萌發(fā)率均在97%以上。石榴葉、桃葉浸提液在0～0.025 g·mL-1質(zhì)量濃度范圍內(nèi)對受體植物種子的發(fā)芽率亦無顯著影響 (P>0.05),而在0.05 g·mL-1石榴葉和桃葉浸提液處理下,三葉鬼針草種子的發(fā)芽率顯著低于對照組(P<0.05),其種子發(fā)芽率分別為 70.00%和 21.34%,化感效應(yīng)指數(shù)分別為 -0.291和-0.79。綜合分析表明,5種浸提液對三葉鬼針草種子發(fā)芽率影響不大,僅高質(zhì)量濃度 (0.05 g·mL-1)下桃葉、石榴葉浸提液對三葉鬼針草種子發(fā)芽率具有顯著抑制作用,其他均無顯著影響。

表1 5種浸提液處理下三葉鬼針草種子的發(fā)芽率Table 1 Germination rate of Bidens pilosa seeds under five kinds of extracts

2.2 5種浸提液對三葉鬼針草種子發(fā)芽指數(shù)的影響

由表2可見,0.025、0.05 g·mL-1質(zhì)量濃度下的5種浸提液對三葉鬼針草種子發(fā)芽指數(shù)均有顯著的抑制作用,其發(fā)芽指數(shù)均顯著低于對照組(P<0.05),尤其在不同質(zhì)量濃度石榴葉浸提液處理下,三葉鬼針草種子發(fā)芽指數(shù)均受到抑制作用,且具有顯著的濃度效應(yīng)。在柿葉、核桃葉、桃葉、三葉鬼針草、石榴葉浸提液處理下的三葉鬼針草種子發(fā)芽指數(shù)分別在10.41～28.47、 12.89～28.86、1.25～24.28、13.28～28.25、6.66～ 21.16,對照組發(fā)芽指數(shù)為25.720。綜合分析認為,5種浸提液對三葉鬼針草種子發(fā)芽指數(shù)的影響較大,其抑制作用強弱順序依次為:桃葉>石榴葉>柿葉>核桃葉>三葉鬼針草。

表2 5種浸提液處理下三葉鬼針草種子的發(fā)芽指數(shù)Table 2 Germination index of Bidens pilosa seeds under five kinds of extracts

2.3 5種浸提液對三葉鬼針草種子發(fā)芽勢的 影響

表3顯示,在柿葉、核桃葉、桃葉、石榴葉浸提液0.05 g·mL-1質(zhì)量濃度處理下,三葉鬼針草種子的發(fā)芽勢顯著低于對照組(P<0.05),尤其在桃葉浸提液下被完全抑制,這表明三葉鬼針草種子萌發(fā)的時間進程與集中程度在該質(zhì)量濃度處理下受到顯著抑制;在柿葉、核桃葉、桃葉、三葉鬼針草、石榴葉浸提液不同質(zhì)量濃度處理下的三葉鬼針草種子發(fā)芽勢分別為54.67%～ 99.34%、87.34%～97.34%、0.02%～100.00%、 95.34%～100.00%、37.34%～96.00%,對照組發(fā)芽勢為98.67%。綜合分析認為,三葉鬼針草種子發(fā)芽勢對桃葉水提物最敏感,其次是石榴葉水提物。

表3 5種浸提液處理下三葉鬼針草種子的發(fā)芽勢Table 3 Germination potential of Bidens pilosa seeds under five kinds of extracts

2.4 5種浸提液對三葉鬼針草幼苗芽長、根長、根冠比的影響

表4表明,三葉鬼針草幼苗芽長在柿葉、核桃葉、桃葉、石榴葉浸提液下受到的化感作用均呈現(xiàn)出“低促高抑”雙重濃度效應(yīng),而其根長與根冠比在柿葉、核桃葉、三葉鬼針草、桃葉浸提液下則受到不同程度的抑制作用,且抑制作用具有濃度效應(yīng)。三葉鬼針草浸提液對自身幼苗芽長具有促進作用,尤其在較低質(zhì)量濃度下促進效應(yīng)明顯 (P<0.05)。在高質(zhì)量濃度(0.05 g·mL-1)柿葉、核桃葉、桃葉、石榴葉浸提液處理下,三葉鬼針草幼苗芽長和根長顯著低于對照組(P<0.05),尤其石榴葉浸提液對三葉鬼針草幼苗芽長和根長的抑制作用最強,其化感作用效應(yīng)指數(shù)分別為 -0.565、 -0.665,但同一質(zhì)量濃度下對三葉鬼針草幼苗根冠比抑制效應(yīng)最顯著的是桃葉浸 提液。

表4 5種浸提液處理下三葉鬼針草幼苗的芽長、根長、長度根冠比Table 4 Bud length,root length and length root-shoot ratio of Bidens pilosa seedlings under five kinds of extracts

2.5 5種浸提液對三葉鬼針草幼苗質(zhì)量的影響

從表5可看出,三葉鬼針草幼苗胚芽和胚根鮮質(zhì)量在高質(zhì)量濃度(0.05 g·mL-1)的石榴葉浸提液處理下受到顯著抑制作用(P<0.05),其余不同質(zhì)量濃度的不同供體植物浸提液對三葉鬼針草幼苗鮮質(zhì)量、干質(zhì)量均表現(xiàn)為促進作用或不顯著抑制作用,尤其在質(zhì)量濃度為0.005 g·mL-1的5種浸提液下,三葉鬼針草幼苗胚芽鮮質(zhì)量均高于對照組,且差異顯著(P<0.05)。

表5 5種浸提液處理下三葉鬼針草幼苗的胚芽鮮質(zhì)量、胚根鮮質(zhì)量、胚芽干質(zhì)量、胚根干質(zhì)量Table 5 Fresh mass of germ and radicle,dry mass of germ and radicle of Bidens pilosa seedlings under five kinds of extracts

2.6 5種浸提液對三葉鬼針草種子萌發(fā)和幼苗生長的綜合化感效應(yīng)

如表6所示,三葉鬼針草種子萌發(fā)與幼苗生長受5種浸提液的綜合化感影響均呈現(xiàn)出“低促高抑”的變化趨勢,其中桃葉、三葉鬼針草植株浸提液濃度在0.025 g·mL-1時就表現(xiàn)出抑制作用。在柿葉、核桃葉、桃葉、三葉鬼針草、石榴葉浸提液0.05 g·mL-1質(zhì)量濃度處理下,三葉鬼針草種子萌發(fā)與幼苗生長均受到較強的化感抑制作用,綜合化感效應(yīng)指數(shù)分別為-0.225、-0.099、-0.406、-0.110、-0.395,其在該質(zhì)量濃度下綜合化感效應(yīng)指數(shù)的強弱表現(xiàn)為:桃葉>石榴葉>柿葉>三葉鬼針草>核桃葉。

表6 5種浸提液處理下三葉鬼針草種子萌發(fā)和幼苗生長的綜合化感效應(yīng)Table 6 Allelopathic comprehensive effects of Bidens pilosa seed germination and seedling growth under five kinds of extracts

3 討 論

種子萌發(fā)對入侵種群個體的定居、繁衍、擴散等起著非常重要的作用[15],它是單向且不可逆轉(zhuǎn)的,而幼苗生長直接影響著植株對資源的競爭力,植物間化感作用通過影響植物種子萌發(fā)及幼苗生長進而影響種群建成[9]。本研究表明,5種供體植物浸提液中均含有干擾三葉鬼針草種子萌發(fā)與幼苗生長的化感物質(zhì),但效應(yīng)因浸提液濃度、化感物質(zhì)種類、受體植物的不同生長階段及不同部位而異。

3.1 5種浸提液對三葉鬼針草種子萌發(fā)的影響

總的來說,本研究中當5種浸提液質(zhì)量濃度低于0.025 g·mL-1時,三葉鬼針草種子萌發(fā)對浸提液的化感作用有一定耐受性,在萌發(fā)過程中能夠抵御一定的化感干擾,這也可能是三葉鬼針草入侵性較強的一個因素[26]。4種果樹葉浸提液在高質(zhì)量濃度(0.05 g·mL-1)時對三葉鬼針草發(fā)芽指數(shù)和發(fā)芽勢均表現(xiàn)出抑制效應(yīng),且對發(fā)芽指數(shù)和發(fā)芽勢的影響大于對發(fā)芽率的影響,說明其發(fā)芽指數(shù)與發(fā)芽勢作為衡量化感作用的指標比發(fā)芽率更敏感,這與已有研究結(jié)果相似[27-29]。三葉鬼針草是典型的機會主義者,萌發(fā)條件適宜時種子就大量快速萌發(fā)從而侵占生境資源,這是其成為入侵植物的一個重要原因[26],而高質(zhì)量濃度(0.05 g·mL-1)4種果樹葉浸提液導致其種子發(fā)芽集中程度降低,發(fā)芽時間延長,將可能會嚴重影響三葉鬼針草植物對資源的競爭能力。

對于具體供體植物而言,三葉鬼針草種子發(fā)芽指數(shù)在石榴葉浸提液處理下始終受到顯著抑制作用,而其發(fā)芽率、發(fā)芽勢僅在高質(zhì)量濃度 (0.05 g·mL-1)時受到顯著抑制作用,這與范麗花等[30]的研究結(jié)果相似。在浸提液0.05 g·mL-1質(zhì)量濃度下,桃葉浸提液對三葉鬼針草種子萌發(fā)的抑制作用最強,說明該質(zhì)量濃度下受體植物種子對桃葉中的化感物質(zhì)最敏感。

3.2 5種浸提液對三葉鬼針草幼苗生長的影響

本研究發(fā)現(xiàn),高質(zhì)量濃度(0.05 g·mL-1)的柿葉、核桃葉、桃葉、石榴葉浸提液均對三葉鬼針草幼苗芽長、根長、根冠比具有不同程度抑制作用,且同一浸提液對幼苗根長的抑制作用要強于芽長,說明同一受體植物的不同部位對同一化感物質(zhì)敏感性不同[31],可能與根系最先直接接觸到浸提液環(huán)境中的化感物質(zhì),更容易也更快受到化感作用影響所致。Rice[32]研究發(fā)現(xiàn)化感物質(zhì)會通過影響植物內(nèi)源激素的合成與利用從而影響種子萌發(fā)與幼苗生長,進而對植株芽長和根長產(chǎn)生影響,本研究結(jié)果也可能與此有關(guān)。

在5種浸提液中,三葉鬼針草浸提液對其自身芽長、胚芽的鮮質(zhì)量、干質(zhì)量表現(xiàn)為促進作用,其對自身幼苗根長和根冠比則表現(xiàn)出不同程度的抑制作用,這與鄭欣穎等[16]和王桔紅等[33]研究結(jié)果相似,植物在遭受逆境脅迫時具有一定的耐受性和適應(yīng)性,在應(yīng)對不同生境時會采取不同的生物量分配策略[34]。從本研究結(jié)果可推測當三葉鬼針草種群密度高時,可能會通過自感作用抑制種內(nèi)其他個體根系生長,將更多生物量分配到地上部分,甚至有可能會提高其在成熟階段的有性繁殖投入,增強自身入侵性[3,35]。高質(zhì)量濃度(0.05 g·mL-1)下僅石榴葉和桃葉浸提液抑制三葉鬼針草幼苗胚芽和胚根鮮質(zhì)量,且石榴葉浸提液抑制顯著,說明三葉鬼針草幼苗生長對桃葉和石榴葉浸提液較敏感,同時也表明不同浸提液中的化感物質(zhì)成分存在差異,同一受體植物在不同化感物質(zhì)脅迫下的抗干擾能力不同[36]。

4 結(jié) 論

5種供體植物浸提液對三葉鬼針草種子萌發(fā)與幼苗生長存在不同程度的化感效應(yīng),其中桃葉和石榴葉浸提液對三葉鬼針草種子萌發(fā)與幼苗生長的綜合化感抑制作用較為明顯,在開發(fā)成生物制劑治理三葉鬼針草具有較好的發(fā)展與應(yīng)用前景。4種果樹葉片及三葉鬼針草地上部分植株對三葉鬼針草種子萌發(fā)與幼苗生長的化感作用還需要對浸提液進行成分分析以及結(jié)合大田試驗進行進一步研究。