紫莖澤蘭對(duì)水稻種子萌發(fā)的化感作用*

趙燭芳，楊佩儒，何麗萍 ，文 彬

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，云南 昆明，650201；2.中國(guó)科學(xué)院 西雙版納熱帶植物園/熱帶植物資源與可持續(xù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 勐臘 666303)

化感作用指植物(含微生物)釋放化學(xué)物質(zhì)到周圍環(huán)境，進(jìn)而影響其他生物(包括植物和微生物)生長(zhǎng)發(fā)育的現(xiàn)象，是生物入侵成功的重要原因，也是入侵植物造成生態(tài)危害和經(jīng)濟(jì)損失的重要原因之一[1]；同時(shí)，它也是植物在長(zhǎng)期進(jìn)化過程中形成的一種適應(yīng)機(jī)制，被稱為生物入侵的新武器，有利于保持本物種在空間和資源競(jìng)爭(zhēng)中的優(yōu)勢(shì)[1]。化感作用對(duì)受體植物的影響表現(xiàn)為促進(jìn)和抑制2 種不同的效果，一般表現(xiàn)為低促高抑的現(xiàn)象。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，豆科作物殘茬和秸稈分解物能夠促進(jìn)禾本科和茄科作物的生長(zhǎng)，如大豆殘茬覆蓋可提高玉米的苗高和生物量，苜蓿秸稈覆蓋可促進(jìn)馬鈴薯、黃瓜和萵苣等作物的生長(zhǎng)[2]；而高濃度的化感物質(zhì)會(huì)對(duì)受體植物產(chǎn)生抑制作用，且抑制效果隨濃度的升高而增強(qiáng)。

紫莖澤蘭(Eupatorium adenophoraSpreng.)是云南常見的入侵植物，在2003 年發(fā)布的《第一批外來物種入侵物種名單》中排列第一[3-4]。紫莖澤蘭入侵定植后，會(huì)通過化感作用影響農(nóng)作物和本土植物生長(zhǎng)，影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，破壞生態(tài)平衡，對(duì)農(nóng)牧業(yè)和林業(yè)的危害極大[5]，對(duì)田間雜草和其他一些入侵植物的種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)也有抑制效應(yīng)[6-7]。水稻(Oryza sativaL.)是世界上最重要的糧食作物之一，它構(gòu)成了世界億萬人的基本營(yíng)養(yǎng)來源。隨著全球人口的不斷增長(zhǎng)，水稻增產(chǎn)也成為當(dāng)今世界農(nóng)業(yè)的重要課題。水稻育種和種植管理是提高水稻產(chǎn)量的2 個(gè)重要方面，通過生態(tài)安全性手段提高產(chǎn)量是當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)的趨勢(shì)，特別是隨著水稻山地種植面積不斷增加，雜草的控制變得尤為重要[3,8-9]。

隨著水稻旱種模式的推廣，研究水稻化感效應(yīng)可在一定程度上減少入侵雜草對(duì)水稻生產(chǎn)的危害。魏聰?shù)萚10]研究發(fā)現(xiàn)：五爪金龍的水浸液和腐化液可抑制水稻種子發(fā)芽和生長(zhǎng)，表明在水稻生產(chǎn)中應(yīng)盡量避免五爪金龍?jiān)诘咎锛捌渲苓叺某霈F(xiàn)和腐爛。蔣芝華等[11]研究表明：入侵植物刺莧的化感物質(zhì)通過影響丙二醛和氧離子的含量阻礙抗氧化代謝能力，從而抑制水稻種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)。甄偉偉[12]認(rèn)為：空心蓮子草經(jīng)過水浸后產(chǎn)生的化感物質(zhì)可通過向土壤或水體釋放化感物質(zhì)影響水稻生長(zhǎng)，為水稻生產(chǎn)中入侵空心蓮子草的防治提供依據(jù)。本研究采用紫莖澤蘭不同組織水浸提取液對(duì)2 個(gè)云南水稻品種的種子進(jìn)行處理，以期為防治和減輕紫莖澤蘭對(duì)水稻生產(chǎn)的危害提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

新鮮紫莖澤蘭采自云南省西雙版納傣族自治州勐臘縣象明彝族鄉(xiāng)境內(nèi)孔明山。水稻云陸142為滇東南主要種植的陸稻品種，由云南寸土豐農(nóng)業(yè)科技公司提供；傣家稻為西雙版納當(dāng)?shù)胤N植的主要品種，購(gòu)自西雙版納傣族自治州勐臘縣勐侖鎮(zhèn)市場(chǎng)。

1.2 水浸提取液的制備

野外分別采集新鮮紫莖澤蘭的根、莖和葉片，帶回室內(nèi)烘干、粉碎。稱取干葉片粉末20 g，加超純水200 mL，攪拌均勻，置于搖床上振蕩24 h，4 ℃低溫離心15 min，取上清液得到質(zhì)量濃度為0.10 g/mL 的葉片提取母液；再用超純水將其配置成0.02、0.04、0.06、0.08 和0.10 g/mL水提取液，置于4 ℃冰箱保存?zhèn)溆?，保存期不超過1 周。根和莖的提取液制備方法與此相同。

1.3 試驗(yàn)方法

挑選籽粒飽滿、大小均勻的水稻種子，用0.1% NaClO 溶液表面消毒10 min，蒸餾水沖洗3 次，室內(nèi)晾干備用。

采用培養(yǎng)皿紙上發(fā)芽法進(jìn)行種子萌發(fā)試驗(yàn)，測(cè)定化感活性[13]。取50 粒種子置于培養(yǎng)皿中，加測(cè)試溶液2.5 mL 濕潤(rùn)發(fā)芽紙，每處理的6 次重復(fù)置于同一個(gè)自封袋內(nèi)，以減少水分損失；將培養(yǎng)皿置于30 ℃、濕度50%的恒溫光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，隔天觀測(cè)，記錄種子萌發(fā)情況并更換濾紙和測(cè)試溶液。以根長(zhǎng)超過種子長(zhǎng)度、芽長(zhǎng)超過種子1/2 長(zhǎng)度為萌發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，連續(xù)3 d 種子發(fā)芽數(shù)保持不變時(shí)結(jié)束試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，每皿隨機(jī)選取15 株幼苗測(cè)量幼苗苗高和根長(zhǎng)[14]，并用硫代巴比妥酸法測(cè)定丙二醛含量[15]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)水稻種子發(fā)芽數(shù)計(jì)算種子發(fā)芽率(germinating rate，GR)、化感效應(yīng)敏感指數(shù)(response index，RI)和抑制率[16]。計(jì)算公式為：

式中：C為對(duì)照值；T為處理值；RI 表示化感作用強(qiáng)度，RI＞0 表示促進(jìn)，RI＜0 表示抑制，絕對(duì)值的大小與化感作用強(qiáng)度一致。

使用SPASS 20.0 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和LSD多重比較分析；使用Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析并作圖。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表述為6 次重復(fù)的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 紫莖澤蘭水浸提取液對(duì)水稻種子萌發(fā)的影響

由表1 可知：紫莖澤蘭提取液處理云陸142和傣家稻2 個(gè)水稻品種種子后，發(fā)芽率均降低，且隨著提取液質(zhì)量濃度的增加，降低幅度增大；不同部位的提取液處理種子后，發(fā)芽率開始顯著下降的質(zhì)量濃度各不相同。對(duì)云陸142 種子而言，發(fā)芽率顯著下降的葉片提取液質(zhì)量濃度為0.02 g/mL，根提取液為0.04 g/mL，而莖提取液為0.06 g/mL；當(dāng)葉提取液質(zhì)量濃度增加至0.10 g/mL時(shí)，種子發(fā)芽率僅為1.67%，幾乎不發(fā)芽，此時(shí)其發(fā)芽率化感效應(yīng)敏感指數(shù)為—54.40，種子受到嚴(yán)重的抑制作用。對(duì)傣家稻種子而言，發(fā)芽率顯著下降的葉提取液質(zhì)量濃度為0.02 g/mL，根和莖的提取液質(zhì)量濃度為0.06 g/mL；當(dāng)葉提取液質(zhì)量濃度升至0.10 g/mL 時(shí)，傣家稻種子發(fā)芽率為0，種子完全不發(fā)芽；此質(zhì)量濃度的根和莖提取液處理種子后，發(fā)芽率也僅為12.00%和8.33%。

表1 紫莖澤蘭提取液對(duì)水稻種子萌發(fā)的影響Tab.1 Effects of Eupatorium adenophorum extracts on the germination of rice seeds

2.2 紫莖澤蘭水浸提取液對(duì)水稻幼苗生長(zhǎng)的影響

2.2.1對(duì)云陸142 水稻幼苗的影響

由圖1 可知：經(jīng)不同質(zhì)量濃度的紫莖澤蘭提取液處理云陸142 種子后，水稻幼苗的生長(zhǎng)均受到抑制，其苗高均顯著低于CK 處理(5.48 cm)；隨著提取液質(zhì)量濃度的升高，其抑制作用加強(qiáng)；且紫莖澤蘭不同組織的抑制強(qiáng)度呈現(xiàn)為葉＞莖＞根。當(dāng)提取液質(zhì)量濃度為0.10 g/mL 時(shí)，紫莖澤蘭葉、莖、根提取液對(duì)云陸142 幼苗苗高的抑制率均達(dá)到最大值，其中葉提取液的抑制率最高，為73.84%，根和莖提取液的抑制率分別為57.91%和72.14%。此外，紫莖澤蘭提取液處理后，水稻幼苗根長(zhǎng)也均顯著低于CK 處理(9.51 cm)，且抑制作用強(qiáng)于對(duì)苗高的抑制。根提取液為0.04 和0.06 g/mL 時(shí)，水稻幼苗根長(zhǎng)無顯著差異，但與其他質(zhì)量濃度提取液處理間呈顯著差異；當(dāng)提取液質(zhì)量濃度增大到0.10 g/mL 時(shí)，葉提取液處理后水稻種子根長(zhǎng)為0，對(duì)應(yīng)的抑制率為100%，完全抑制了根的生長(zhǎng)，此時(shí)根提取液處理種子后的根長(zhǎng)也僅為0.20 cm，幾乎不生長(zhǎng)。

圖1 紫莖澤蘭水浸提取液對(duì)云陸142 水稻種子幼苗生長(zhǎng)的影響Fig.1 Effects of Eupatorium adenophorum extracts on the seedling growth of Yunlu142 seeds

2.2.2對(duì)傣家稻幼苗的影響

由圖2 可知：紫莖澤蘭提取液處理傣家稻種子后，其幼苗的苗高和根長(zhǎng)均低于CK 處理。當(dāng)提取液質(zhì)量濃度為0.02 g/mL 時(shí)，根和莖提取液處理的傣家稻幼苗苗高分別為4.48 和4.72 cm，顯著低于CK 處理(5.14 cm)；當(dāng)提取液質(zhì)量濃度增至為0.10 g/mL 時(shí)，莖和葉提取液處理幼苗的苗高均為0，抑制率達(dá)到100%，完全抑制了幼苗生長(zhǎng)，此時(shí)根提取液處理幼苗的抑制率達(dá)到62.11%。此外，紫莖澤蘭提取液對(duì)傣家稻幼苗根的抑制作用高于對(duì)苗的影響，且隨著提取液質(zhì)量濃度的增加，幼苗的根長(zhǎng)均減小。當(dāng)提取液質(zhì)量濃度為0.02 g/mL時(shí)，莖和葉提取液處理傣家稻幼苗的根長(zhǎng)顯著低于CK 處理；當(dāng)提取液質(zhì)量濃度為0.10 g/mL 時(shí)，莖和葉提取液處理傣家稻幼苗的根長(zhǎng)均為0，完全抑制了根的生長(zhǎng)，此時(shí)根提取液處理幼苗根長(zhǎng)抑制率為95.17%，高于對(duì)苗高的抑制率，說明水稻根長(zhǎng)對(duì)紫莖澤蘭提取液更敏感。

圖2 紫莖澤蘭水浸提取液對(duì)傣家稻種子幼苗生長(zhǎng)的影響Fig.2 Effects of E. adenophorum extract on the seedling growth of Daijia rice seeds

2.3 紫莖澤蘭水浸提取液對(duì)水稻幼苗丙二醛含量的影響

由圖3 可知：2 個(gè)水稻品種幼苗的丙二醛含量隨著紫莖澤蘭提取液質(zhì)量濃度的升高而增加。在相同質(zhì)量濃度下，葉提取液處理的水稻幼苗丙二醛含量最高。當(dāng)提取液質(zhì)量濃度為0.02 g/mL時(shí)，葉提取液處理的云陸142 幼苗丙二醛含量(27.73 nmoL/g)顯著高于CK 處理(24.49 nmoL/g)；0.04 和0.06 g/mL 莖提取液處理幼苗的丙二醛含量顯著低于0.08 和0.10 g/mL 莖提取液處理；0.06、0.08 和0.10 g/mL 葉提取液處理傣家稻的幼苗丙二醛含量均顯著高于CK、0.02 和0.04 g/mL 葉提取液處理。

圖3 紫莖澤蘭提取液對(duì)云陸142 (a)和傣家稻(b)幼苗丙二醛含量的影響Fig.3 Effects of E. adenophorum extract on the malondialdehyde (MDA) content in Yunlu142 (a) and Daijia (b)

3 討論

化感作用是外來生物取得成功入侵的重要手段。種子萌發(fā)是植物生活史和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的開端，也是較為脆弱和敏感的階段。衡量入侵植物的化感作用除考察其對(duì)受體植物種子萌發(fā)的影響外，通常也將幼苗的株高和根長(zhǎng)作為重要評(píng)價(jià)指標(biāo)[17]。

本研究中，紫莖澤蘭根、莖、葉的水浸提取液對(duì)云陸142 和傣家稻2 個(gè)水稻品種的種子萌發(fā)均表現(xiàn)出化感作用。在不同質(zhì)量濃度水浸提取液處理下，紫莖澤蘭對(duì)2 個(gè)水稻品種種子萌發(fā)的影響效應(yīng)不同，當(dāng)提取液質(zhì)量濃度為0.10 g/mL 時(shí)，紫莖澤蘭的葉提取液對(duì)2 個(gè)水稻種子的萌發(fā)均表現(xiàn)出很強(qiáng)的抑制作用，發(fā)芽率幾乎為0，說明高質(zhì)量濃度下其化感物質(zhì)對(duì)受體種子具有較強(qiáng)的毒性和抑制作用；提取液質(zhì)量濃度降低為0.02 g/mL時(shí)，對(duì)傣家稻種子萌發(fā)抑制作用不明顯。這與前人研究結(jié)果相似，如朱吉風(fēng)等[14]研究表明：油菜不同器官對(duì)高粱種子的化感作用總體呈現(xiàn)“低促高抑”的規(guī)律；拱健婷等[18]用紫莖澤蘭葉片水浸液處理魯三3 號(hào)玉米種子，發(fā)現(xiàn)低質(zhì)量濃度(0.001和0.005 g/mL)促進(jìn)種子萌發(fā)，而高質(zhì)量濃度(0.025 g/mL)表現(xiàn)為化感抑制。

植物不同組織的化感效應(yīng)也不一致。楊海艷等[19]研究發(fā)現(xiàn)：腫柄菊不同部位的水浸提液對(duì)水稻種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的抑制作用順序?yàn)槿~＞花序＞莖，這可能與葉片是植物釋放化感物質(zhì)的主要部位有關(guān)；熊勇等[20]研究表明：紫莖澤蘭的根提取液對(duì)水稻種子發(fā)芽的化感效應(yīng)最強(qiáng)；本研究中，紫莖澤蘭的葉提取液對(duì)2 個(gè)水稻品種種子的發(fā)芽抑制作用均表現(xiàn)為最強(qiáng)，而根提取液的抑制作用不明顯，幾乎可以忽略，推測(cè)這種差異可能與試驗(yàn)樣本采集的時(shí)間和試驗(yàn)操作處理有關(guān)。受體植物不同部位對(duì)化感物質(zhì)的反應(yīng)也不同。王一峰等[21]研究發(fā)現(xiàn)：核桃葉片浸提液對(duì)小麥幼苗主根長(zhǎng)的影響最強(qiáng)；楊海婧等[22]認(rèn)為：油菜莖、葉提取液對(duì)秦艽的胚根生長(zhǎng)具有較強(qiáng)的化感抑制作用。本研究中2 個(gè)水稻品種種子的根長(zhǎng)對(duì)紫莖澤蘭提取液的化感效應(yīng)更敏感。當(dāng)提取液質(zhì)量濃度為0.10 g/mL 時(shí)，葉提取液對(duì)幼苗根長(zhǎng)的抑制率為100%；而此質(zhì)量濃度下，對(duì)幼苗苗高的抑制率僅約為40%。這可能是由于植物根系直接接觸提取液，首先破壞了根系細(xì)胞膜，導(dǎo)致根生長(zhǎng)受到嚴(yán)重抑制[23]。

紫莖澤蘭的化感作用可以促進(jìn)水稻幼苗體內(nèi)丙二醛的積累，導(dǎo)致幼苗的膜質(zhì)過氧化，破壞細(xì)胞的膜系統(tǒng)。袁馳等[24]研究也發(fā)現(xiàn)：不同基因型水稻幼苗的丙二醛含量隨著處理液濃度的增加而升高。這與本研究結(jié)果相同，其中，云陸142 幼苗的丙二醛含量對(duì)紫莖澤蘭的化感作用響應(yīng)比傣家稻更強(qiáng)。

4 結(jié)論

紫莖澤蘭的水浸提取液對(duì)2 個(gè)水稻品種種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)均有化感作用，其抑制強(qiáng)度與紫莖澤蘭的組織部位、提取液質(zhì)量濃度及水稻品種有關(guān)，高質(zhì)量濃度的提取液對(duì)種子具有毒性。紫莖澤蘭對(duì)水稻種子的化感抑制作用隨著水浸提取液質(zhì)量濃度的增加而增大，其不同組織部位化感抑制強(qiáng)度表現(xiàn)為葉＞莖＞根；隨著紫莖澤蘭提取液質(zhì)量濃度的升高，水稻幼苗的丙二醛含量增加；云陸142 水稻對(duì)紫莖澤蘭化感作用的效應(yīng)高于傣家稻。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，尤其是在受紫莖澤蘭入侵嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)用地中，應(yīng)選擇對(duì)其化感效應(yīng)弱的品種，并及時(shí)根除入侵植物；在無法根除的情況下，需經(jīng)常剪割地上部分并清除干凈，也可避免或減輕因化感作用對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)生的不利影響，減少作物產(chǎn)量損失。