白花金鈕扣水提液對(duì)4種雜草種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的化感作用研究

楊軻欣,吳曉涵,鄭鳳萍,范澤文,吳冉迪,徐高峰,楊云海,張付斗,楊韶松,申時(shí)才*

(1. 云南大學(xué)資源植物研究院,云南 昆明 650504; 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,云南 昆明 650205; 3. 云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境資源研究所/共建瀾湄農(nóng)業(yè)生物安全聯(lián)合研究中心,云南 昆明 650205; 4. 昆明學(xué)院農(nóng)學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院,云南 昆明 650214)

生物入侵已經(jīng)加劇了生物的全球分布與擴(kuò)散,造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失、生物多樣性的喪失和生態(tài)環(huán)境問題,甚至威脅著生態(tài)系統(tǒng)安全和人畜生物安全等[1-2]。在外來(lái)物種入侵與擴(kuò)散過程中,入侵植物通?？梢酝ㄟ^“化學(xué)武器”來(lái)抑制周邊其他植物的種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)、改變土壤養(yǎng)分和微生物群落結(jié)構(gòu)等,從而創(chuàng)造有利于自身生長(zhǎng)的生態(tài)環(huán)境和建立種群優(yōu)勢(shì)[3-5]。因此,開展外來(lái)入侵植物化感作用研究,特別是針對(duì)一些新發(fā)突發(fā)的入侵物種,對(duì)于揭示其入侵和擴(kuò)散機(jī)制,以及利用植物毒性化合物開發(fā)天然除草劑具有重要的意義。

白花金鈕扣(Acmellaradicans)屬于菊科(Asteraceae)金鈕扣屬(Acmella)一年生草本植物,原產(chǎn)中美洲和墨西哥[6],廣泛分布于哥倫比亞、孟加拉國(guó)、古巴、庫(kù)拉索島、印度、坦桑尼亞和泰國(guó)等地[6-8]。在中國(guó),2014年首次在安徽黟縣發(fā)現(xiàn)一歸化白花金鈕扣居群,主要分布于溪流、路邊和耕地等生境[9]。白花金鈕扣區(qū)別于金鈕扣屬其他物種的主要特征是具有白色花冠和瘦果具有發(fā)達(dá)的軟木質(zhì)邊緣[9]。該入侵植物生態(tài)適應(yīng)性強(qiáng)、生境類型廣泛、開花結(jié)實(shí)期長(zhǎng)、有性繁殖能力強(qiáng)(種子量大),因此容易形成單一或優(yōu)勢(shì)種群[9]。在一些入侵國(guó)家和地區(qū),白花金鈕扣通常被當(dāng)成一種傳統(tǒng)中草藥使用,用于治療牙齒疼痛、喉嚨和牙齦疼痛以及使舌頭癱瘓等[6,10-11]。

2017年,在云南省外來(lái)入侵植物野外調(diào)查中首次在滇西的保山市昌寧縣發(fā)現(xiàn)白花金鈕扣的種群分布。在后續(xù)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)昌寧縣、云縣、雙江縣和滄源縣等均有大面積的白花金鈕扣分布,主要入侵農(nóng)田、茶園、果園、路邊和溝渠等。項(xiàng)目組前期研究發(fā)現(xiàn),白花金鈕扣植株高大,株高可達(dá)155 cm,開花結(jié)實(shí)期為11月-次年3月,種子量可達(dá)14 300粒。在入侵地,該物種已經(jīng)成為優(yōu)勢(shì)物種,對(duì)當(dāng)?shù)厝郝涞奈锓N豐富度、物種多樣性、均勻性以及土壤養(yǎng)分產(chǎn)生了負(fù)面影響。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)隨著白花金鈕扣覆蓋度增加,群落中一些主要物種三葉鬼針草(BidenspilosaL.)、勝紅薊(AgeratumconyzoidesL.)、馬唐(Digitariasanguinalis(L.) Scop.)、虎尾草(ChlorisvirgataSw.)等蓋度和重要值會(huì)顯著降低,然而關(guān)于白花金鈕扣是否具有化感作用或化感競(jìng)爭(zhēng)對(duì)其入侵性的貢獻(xiàn)尚缺乏相關(guān)的研究報(bào)道。

本研究通過生物測(cè)定法研究白花金鈕扣地上/地下部水提液對(duì)三葉鬼針草、勝紅薊、馬唐和虎尾草4種主要伴生物種的種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響,初步揭示其化感作用潛力,為進(jìn)一步開展其化感物質(zhì)鑒定和闡明入侵機(jī)制奠基基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試白花金鈕扣:2022年10月采自云南省昌寧縣勐統(tǒng)鎮(zhèn)酒藥寨村(99.64°E,24.55°N,海拔1 746 m)。整株采集后,分為地上部分(莖葉)和地下部分(根系)后在室內(nèi)自然風(fēng)干,然后打成粉末備用。

供試植物種子:三葉鬼針草、勝紅薊、馬唐、虎尾草,為白花金鈕扣的主要伴生物種,均采集于云南省昌寧縣勐統(tǒng)鎮(zhèn)酒藥寨村。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1白花金鈕扣浸提液制備 稱取上述白花金鈕扣地上部和地下部粉末各50 g,按固液比為1∶10(w/w)加入蒸餾水,浸泡48 h,使用超聲波水浴輔助和二層濾紙過濾后,浸提液定溶至質(zhì)量濃度為0.1 g·mL-1(以干物質(zhì)質(zhì)量計(jì)算)。取部分浸提液分別稀釋至質(zhì)量濃度為0.1,0.05,0.025,0.012 5 g·mL-1。調(diào)節(jié)各濃度浸提液pH值與蒸餾水一致(pH=6.58),冷藏(4℃)備用。

1.2.2白花金鈕扣化感潛力測(cè)定 選取大小相對(duì)一致且種子形狀飽滿的前期預(yù)試驗(yàn)種子萌發(fā)良好的三葉鬼針草、勝紅薊、馬唐和虎尾草種子,用10%次氯酸鈉溶液浸泡10 min,用蒸餾水漂洗3次,自然陰干備用。2022年11月10日,吸取5 mL白花金鈕扣浸提液加入放有雙層濾紙、直徑為9 cm的培養(yǎng)皿中,每皿均勻放置30粒已消毒的上述4種伴生雜草種子,以蒸餾水為對(duì)照,每種雜草設(shè)4組重復(fù)。將培養(yǎng)皿置于人工氣候箱中恒溫培養(yǎng),溫度(25±0.5)℃、濕度70%、每天光照12 h。試驗(yàn)開始后,每天對(duì)種子發(fā)芽數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),試驗(yàn)7 d時(shí)測(cè)量莖長(zhǎng)、根長(zhǎng)和生物量。每個(gè)培養(yǎng)皿隨機(jī)抽取10株測(cè)量,取平均值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

白花金鈕扣水提液對(duì)4種伴生物種三葉鬼針草、勝紅薊、馬唐和虎尾草的生物測(cè)定統(tǒng)計(jì)發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、化感作用響應(yīng)指數(shù)等[12-14]。按公式(1)計(jì)算發(fā)芽率(Germination rate,GR):

(1)

按公式(2)計(jì)算發(fā)芽指數(shù)(Germination index,GI):

GI=Σ(Gt/Dt)(Gt:在t天內(nèi)的發(fā)芽數(shù),Dt:第t天)

(2)

按公式(3)計(jì)算抑制率(Inhibitor rate,IR):

(3)

按公式(4)計(jì)算化感響應(yīng)指數(shù)(Allelopathic response index,RI):

RI=1-C/T(T≥C)或RI=T/C-1(T

(4)

式中,C為對(duì)照值,T為處理值。RI>0為促進(jìn)作用,RI<0為抑制作用,絕對(duì)值的大小與化感作用強(qiáng)度一致。

按公式(5)計(jì)算綜合化感指數(shù)(Synthetical allelopathic index,AI):

AI=(發(fā)芽率RI+發(fā)芽指數(shù)RI+莖長(zhǎng)RI+根長(zhǎng)RI+生物量RI)/5

(5)

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

所有數(shù)據(jù)采用DPS V9.05數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行分析,并采用單因素方差分析(One-Way ANOVA)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 白花金鈕扣水提液對(duì)4種伴生雜草種子萌發(fā)的影響

研究結(jié)果表明,4種伴生雜草種子萌發(fā)均受到白花金鈕扣地上/地下部水提液的影響(表1、圖1、圖2)。隨白花金鈕扣水提液濃度增加,三葉鬼針草、勝紅薊、馬唐和虎尾草的種子發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)明顯降低,其中對(duì)馬唐抑制率最大,濃度為0.1 g·mL-1時(shí)萌發(fā)率和發(fā)芽指數(shù)抑制率分別為45.69%和62.22%;其次虎尾草和勝紅薊;最差為三葉鬼針草,地下部在濃度為0.012 5～0.025 g·mL-1時(shí)沒有抑制作用或有促進(jìn)作用(發(fā)芽率為100%)(圖1、圖2)。從白花金鈕扣地上/地下部水提液對(duì)4種雜草種子發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)對(duì)比看,對(duì)發(fā)芽率的抑制顯著小于發(fā)芽指數(shù)(P<0.05),且地上部的抑制率要明顯大于地下部。

圖1 白花金鈕扣地上部對(duì)不同供試雜草發(fā)芽率、根長(zhǎng)、莖長(zhǎng)和生物量的抑制情況Fig.1 Inhibition of aqueous extract of Acmella radicans aboveground part on the germination rate,root length,stem length,and biomass of different weeds注:不同字母表示同種雜草不同處理間差異達(dá)到顯著性水平(P<0.05),下同Note:Different letters indicate a significant difference between treatments to the same weed at the 0.05 level,the same as below

圖2 白花金鈕扣地下部對(duì)不同供試雜草發(fā)芽率、根長(zhǎng)、莖長(zhǎng)和生物量的抑制情況Fig.2 Inhibition of aqueous extract of A. radicans underground part on the germination rate,root length,stem length,and biomass of different weeds

表1 白花金鈕扣水提液對(duì)不同供試雜草種子發(fā)芽的影響(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Table 1 Effects of aqueous extract of Acmella radicans on the seed germination of different weeds (mean±SD)

2.2 白花金鈕扣水提液對(duì)4種伴生雜草幼苗生長(zhǎng)的影響

白花金鈕扣對(duì)三葉鬼針草、勝紅薊、馬唐和虎尾草4種伴生雜草的根長(zhǎng)和莖長(zhǎng)具有明顯的影響。地上/地下部水提液對(duì)三葉鬼針草和勝紅薊的根長(zhǎng)和莖長(zhǎng)均有明顯的抑制作用(P<0.05),而對(duì)馬唐和虎尾草出現(xiàn)“低促高抑”的現(xiàn)象。地上部水提液除了在濃度為0.012 5 g·mL-1時(shí)對(duì)虎尾草的莖長(zhǎng)有促進(jìn)作用外,其余各濃度下對(duì)4種伴生物種的根長(zhǎng)和莖長(zhǎng)均具有明顯的抑制作用;地下部水提液低濃度為0.012 5～0.025 g·mL-1時(shí)對(duì)馬唐和虎尾草的根長(zhǎng)和莖長(zhǎng)具有一定的促進(jìn)作用(表2、圖1、圖2)?？傮w上,白花金鈕扣水提液對(duì)4種伴生雜草根長(zhǎng)的抑制率明顯大于莖長(zhǎng),地上部的抑制率明顯大于地下部(P<0.05)。地上部水提液對(duì)4種雜草的抑制率最高為馬唐,而地下部最高為勝紅薊,最差為虎尾草。

在生物量方面,白花金鈕扣水提液對(duì)三葉鬼針草、勝紅薊、馬唐和虎尾草4種伴生雜草的生物量影響程度不同。同樣地,地上/地下部水提液對(duì)三葉鬼針草和勝紅薊生物量均有明顯的抑制作用(P<0.05),而對(duì)馬唐和虎尾草出現(xiàn)“低促高抑”的現(xiàn)象。總體上,白花金鈕水提液對(duì)4種伴生雜草生物量抑制率最高為勝紅薊,其次三葉鬼針草和馬唐,最差為虎尾草(表2、圖1、圖2)。

從4種伴生雜草根長(zhǎng)、莖長(zhǎng)和生物量的影響對(duì)比看,白花金鈕扣水提液對(duì)根長(zhǎng)抑制率最高,其次為莖長(zhǎng),最差為生物量。從白花金鈕扣地上/地下部水提液對(duì)比看,地上部對(duì)4種伴生雜草的幼苗生長(zhǎng)抑制率明顯大于地下部(P<0.05)。

2.3 白花金鈕扣化感響應(yīng)指數(shù)

研究結(jié)果表明,白花金鈕扣地上/地下部水提液對(duì)4種受體雜草具有不同的化感作用響應(yīng)指數(shù)(表3、表4)。除了在低濃度0.012 5～0.025 g·mL-1時(shí)對(duì)馬唐和虎尾草的根長(zhǎng)、莖長(zhǎng)、生物量的化感響應(yīng)指數(shù)出現(xiàn)“低促高抑”外,其余化感響應(yīng)指數(shù)均表現(xiàn)為抑制作用而為負(fù)值,且隨濃度增加抑制率逐漸增大?？傮w上,白花金鈕扣水提液對(duì)根長(zhǎng)的化感響應(yīng)指數(shù)為最低,其次為莖長(zhǎng)和生物量,最高為發(fā)芽率。從4種伴生雜草的綜合化感指數(shù)來(lái)看,地上部水提液對(duì)4種受體雜草的化感綜合化感指數(shù)均為負(fù)值,抑制率最高為馬唐,其次為勝紅薊和三葉鬼針草,最差為虎尾草;地下部水提液低濃度0.012 5 g·mL-1時(shí)對(duì)馬唐和0.012 5～0.025 g·mL-1時(shí)對(duì)虎尾草為正值,抑制率最高為勝紅薊,其次為三葉鬼針草和馬唐,最差為虎尾草。綜合對(duì)比地上/地下部水提液對(duì)4種伴生雜草的綜合化感指數(shù),白花金鈕扣對(duì)勝紅薊的化感潛力最強(qiáng),其次為馬唐和三葉鬼針草,最差為虎尾草。

表3 白花金鈕扣地上部對(duì)不同供試雜草的化感響應(yīng)指數(shù)(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Table 3 Allelopathic response index of different weeds to the aboveground part of A. radicans (mean±SD)

表4 白花金鈕扣地下部對(duì)不同供試雜草的化感響應(yīng)指數(shù)(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Table 4 Allelopathic Response index of different weeds to the underground part of A. radicans (mean±SD)

綜上可得,白花金鈕扣不同部對(duì)4種伴生雜草均具有顯著的化感作用,且化感作用由大到小依次為勝紅薊>馬唐>三葉鬼針草>虎尾草。

3 討論

在外來(lái)入侵物種的入侵與擴(kuò)散過程中,化感作用通常扮演著重要的角色[15-16]。外來(lái)入侵植物常?？梢酝ㄟ^釋放某種化感物質(zhì)抑制新環(huán)境中臨近的植物生長(zhǎng),從而為自身獲取更多的營(yíng)養(yǎng)、水分等資源,實(shí)現(xiàn)種群的擴(kuò)大和繁殖,并在生存競(jìng)爭(zhēng)中處于優(yōu)勢(shì)地位[3]。白花金鈕扣是云南省近年來(lái)發(fā)現(xiàn)的新入侵植物,已經(jīng)對(duì)入侵地的植物多樣性和生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的危害,然而關(guān)于其化感競(jìng)爭(zhēng)作用尚不清楚。本研究中,白花金鈕扣不僅對(duì)本地植物馬唐和虎尾草具有一定的化感作用,對(duì)入侵植物三葉鬼針草和勝紅薊也具有顯著的化感抑制作用。

本研究表明,白花金鈕扣地上/地下部水提液能降低三葉鬼針草、勝紅薊、馬唐和虎尾草4種主要伴植物種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、根長(zhǎng)和莖長(zhǎng),隨濃度增加抑制效果明顯增強(qiáng),但在低濃度時(shí)對(duì)馬唐和虎尾草種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)具有一定的促進(jìn)作用,這些“低促高抑”的研究結(jié)果與很多相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道一致[13-14,17-19]。種子萌發(fā)對(duì)物種更新至關(guān)重要,種子發(fā)芽率和發(fā)芽速度降低可能會(huì)降低本地種在群落中的多度和早期競(jìng)爭(zhēng)力,相應(yīng)提高外來(lái)種對(duì)地上和地下資源的競(jìng)爭(zhēng)能力[17-19]。白花金鈕扣水提液對(duì)4種主要伴生雜草種子根長(zhǎng)抑制率最大,其次為莖長(zhǎng)和種子萌發(fā),發(fā)芽指數(shù)的抑制明顯大于發(fā)芽率,說(shuō)明其化感作用延緩了三葉鬼針草、勝紅薊、馬唐和虎尾草的幼苗出土?xí)r間,減弱了根系的養(yǎng)分吸收能力,降低對(duì)資源的有效利用,進(jìn)而直接影響這些物種以后的生長(zhǎng)發(fā)育及其在群落中的地位和作用[18-19]。本研究表明,白花金鈕扣具有的化感潛力可以在鄰近植物最脆弱階段(種子萌發(fā))進(jìn)行攻擊和抑制,從而有利于自身的種群建立。

在自然界中,植物通過莖葉等的揮發(fā)物、雨霧的淋溶物、根系分泌物和枯枝分解腐蝕等途徑釋放出的化感物質(zhì)來(lái)影響周圍其他的臨近植物生長(zhǎng)[20]。在植物整個(gè)生活史中都會(huì)產(chǎn)生化感物質(zhì),不用部位(根、莖、葉、花、果等)的化感潛力差異明顯[21-23]。一些研究表明,植物地上部葉片的化感作用會(huì)大于其他部位[19,24-25],如入侵植物牛膝菊(GalinsogaparvifloraCav.)葉片的化感潛力是根的1.15倍[21]。本研究結(jié)果表明,白花金鈕扣地上部水提液對(duì)三葉鬼針草、勝紅薊、馬唐和虎尾草4種伴生物種的化感潛力明顯大于地下部。白花金鈕扣精油含有大量化合物[11],其中主要化合物之一棕櫚酸被證實(shí)對(duì)入侵植物三葉鬼針草、粗毛牛膝菊(GalinsogaquadriradiataRuiz et Pav.)、黑麥草(LoliumperenneL.)和小子虉草(PhalarisminorRetz.)具有較強(qiáng)的化感抑制作用[26]。本研究可以初步推斷白花金鈕扣的化感作用可能是通過釋放揮發(fā)性物質(zhì)造成的,但具體的化感物質(zhì)種類有待于進(jìn)一步研究。

植物化感潛力的差異,不僅取決于目標(biāo)物種、提取物濃度、化感物質(zhì)種類等,還與受體植物的種類相關(guān)[21-25,27-28]。本研究中4種受體植物三葉鬼針草、勝紅薊、馬唐和虎尾草通常為農(nóng)田、果園、荒地等地的主要雜草,其中三葉鬼針草和勝紅薊為入侵性雜草,而馬唐和虎尾草則為本地惡性雜草[29-30]。4種雜草通常具有較強(qiáng)的有性繁殖能力、種子萌發(fā)率高、生長(zhǎng)速度快、化感作用等特征[18,31],容易形成單一雜草群落或成為優(yōu)勢(shì)種群。本研究發(fā)現(xiàn),白花金鈕扣水提液不同濃度對(duì)2種入侵植物三葉鬼針草和勝紅薊種子發(fā)芽率、根長(zhǎng)、莖長(zhǎng)和生物量均有一定的抑制作用,但對(duì)本地植物馬唐和虎尾草出現(xiàn)“低促高抑”的現(xiàn)象。從白花金鈕扣對(duì)4種伴生雜草的抑制率綜合對(duì)比看,白花金鈕扣對(duì)入侵植物的化感潛力要大于本地植物,這與田間調(diào)查發(fā)現(xiàn)的隨白花金鈕扣蓋度增加,三葉鬼針草和勝紅薊的蓋度和重要值的降低程度明顯大于馬唐和虎尾草的結(jié)果相一致。

在植物化感作用評(píng)價(jià)中,化感響應(yīng)指數(shù)是普遍用于度量化感作用強(qiáng)度最重要的指標(biāo),而綜合化感指數(shù)是對(duì)受體植物種子萌發(fā)、根長(zhǎng)、莖長(zhǎng)和生物量的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)[12,14]。由于受體植物種類、化感物質(zhì)種類和濃度差異等,有時(shí)很難根據(jù)單獨(dú)的發(fā)芽率、莖長(zhǎng)、根長(zhǎng)或生物量的化感響應(yīng)指數(shù)對(duì)不同的受體植物得出統(tǒng)一的結(jié)論,因此綜合化感指數(shù)起到了非常重要的作用。本研究中發(fā)現(xiàn),白花金鈕扣地上/地下部水提液對(duì)4種伴生雜草種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、根長(zhǎng)、莖長(zhǎng)和生物量的化感響應(yīng)指數(shù)是不一樣的,低濃度時(shí)對(duì)馬唐和虎尾草的部分響應(yīng)指數(shù)為正值,而且地上/地下部也有差異,因此很難得出4種伴生雜草受到的抑制率順序。從綜合化感指數(shù)來(lái)看,地上部水提液對(duì)4種受體雜草的綜合化感指數(shù)均為負(fù)值,抑制率最高為馬唐,其次為勝紅薊和三葉鬼針草,最差為虎尾草;地下部水提液低濃度虎尾草為正值,抑制率最高為勝紅薊,其次為三葉鬼針草和馬唐,最差為虎尾草。因此,通過綜合對(duì)比地上/地下部水提液對(duì)4種伴生雜草的綜合化感指數(shù),得出了白花金鈕扣對(duì)勝紅薊化感潛力最強(qiáng),其次為馬唐和三葉鬼針草,最弱為虎尾草的結(jié)論。

4 結(jié)論

白花金鈕扣對(duì)4種主要伴生物種三葉鬼針草、勝紅薊、馬唐和虎尾草具有一定的化感抑制作用,隨濃度增加地上/地下部水提液對(duì)三葉鬼針草、勝紅薊、馬唐和虎尾草種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的抑制率逐漸提高,總體上地上部水提液對(duì)種子發(fā)芽率、根長(zhǎng)、莖長(zhǎng)和生物量的抑制率明顯大于地下部。白花金鈕扣對(duì)勝紅薊抑制率最大,其次為馬唐和三葉鬼針草,最差為虎尾草。為了進(jìn)一步確定白花金鈕扣的化感作用機(jī)制,今后需對(duì)相關(guān)的化感物質(zhì)進(jìn)行鑒定,并對(duì)其化感作用機(jī)理進(jìn)行深入研究。