三葉鬼針草和黑心菊根系分泌物對井欄邊草配子體葉綠素熒光特性的影響

張開梅+沈羽+劉穎+劉俊華+方炎明

摘要：研究了入侵植物三葉鬼針草（Bidens pilosa）和非入侵植物黑心菊（Rudbeckia hirta）的根系分泌物對三葉鬼針草入侵和潛在擴散區代表蕨類植物井欄邊草（Pteris multifida）配子體葉綠素熒光參數的影響。結果表明，與對照相比，除非光化學熒光淬滅系數外，三葉鬼針草和黑心菊均可降低井欄邊草其他葉綠素熒光參數。這種抑制作用隨2種植物根系分泌物濃度升高而增強。處理第十天，抑制效果最明顯。當三葉鬼針草和黑心菊根系分泌物濃度高于12.5%時，在處理4～10 d后，配子體各葉綠素熒光參數均受到顯著影響。綜上所述，三葉鬼針草和黑心菊對井欄邊草配子體光合能力均可產生抑制作用，且三葉鬼針草抑制作用更強。

關鍵詞：三葉鬼針草（Bidens pilosa）;黑心菊（Rudbeckia hirta）;井欄邊草（Pteris multifida）;配子體;葉綠素熒光

中圖分類號：Q945.7 ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ?文章編號：0439-8114（2014）20-4861-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.20.024

Effects of the Root Exudates of Bidens pilosa and Rudbeckia hirta on Chlorophyll Fluorescence of the Gametophyte of Pteris multifida

ZHAND Kai-mei，SHEN Yu，LIU Ying，LIU Jun-hua，FANG Yan-ming

（College of Forest Resources and Environment， Nanjing Forestry University， Nanjing 210037， China）

Abstract： Pteris multifida is a common fern in China， with overlapping distribution area with a main invasive plant Bidens pilosa in China. Root exudates of B. pilosa， as well as non invasive plant Rudbeckia hirta， were applied to investigate their effects on fluorescence in P. multifida gametophytes. We found that gametophytes exposed to both B. pilosa and R. hirta had decreased fluorescence parameters in comparison with the control， except for non photochemical quenching（NPQ）. The inhibitory effects increased with increasing exudate concentrations of both species. The greatest inhibition exhibited at Day 10. Furthermore， it was found that these parameters were markedly affected from Day 4 to Day 10 in the presence of both exudates at a concentration of 12.5% or above. It is concluded that both B. pilosa and R. hirta negatively affected the photosynthetic activity of P. multifida. Comparative research of invasive and non-invasive plants in our experiments demonstrated that invasive plants Bidens pilosa were responsible for the critical damage to local species.

Key words： Pteris multifida; Rudbeckia hirta; Bidens Pilosa; Gametophyte; Chlorophyll fluorescence

蕨類植物配子體為單倍體， 結構簡單， 獨立于孢子體生活，用于研究植物對環境的響應以及揭示其機理都具有獨特的優勢。目前， 蕨類植物配子體對水分等環境因子響應的研究較多[1，2]，而對外來植物入侵響應方面的研究稍顯不足。外來入侵植物可通過化感作用抑制其他植物或自身的生長[3，4]， 如菊科植物紫莖澤蘭（Eupatorium adenophorum）可通過化感作用抑制蕨類植物的配子體生長[5-7]。鑒于外來入侵植物已對蕨類植物配子體產生危害的現狀[5，6]，從化感作用角度開展蕨類植物配子體對外來入侵植物響應的理論研究很有必要。

野外調查發現，部分蕨類植物的自然分布區正處于外來入侵植物，如三葉鬼針草（Bidens pilosa）的入侵區和潛在擴散區中。作為與紫莖澤蘭同科的植物，三葉鬼針草被列為大陸和臺灣的主要入侵物種，其入侵已危害到中國的農、林、牧業生產和生物多樣性[8]。研究發現，三葉鬼針草可通過根系分泌物等化感途徑抑制多種種子植物的生長發育[9]，而對蕨類植物的化感作用未見報道。井欄邊草（Pteris multifida）是三葉鬼針草入侵和潛在擴散區的典型代表蕨類植物，具有重要的生態學意義。作為植物光合作用受生態環境變化影響的內在探針，葉綠素熒光分析發現外來入侵植物對受體植物光合作用產生影響[10-12]。，但是利用葉綠素熒光動力學研究蕨類植物配子體生理的報道較少[13]。為進一步驗證入侵植物對本地植物造成的生態危害，本研究比較了三葉鬼針草與非入侵植物黑心菊根系分泌物對井欄邊草配子體葉綠素熒光的不同影響。

1 ?材料與方法

1.1 ?根系分泌物的收集

將三葉鬼針草和黑心菊種子用無菌水沖洗干凈，置于25 ℃的恒溫箱中萌發。15 d后挑選長勢一致的三葉鬼針草和黑心菊幼苗40棵 （高約15 cm），定植于根系分泌物循環收集系統中，用1% Hoagland 營養液澆灌。此試驗在人工氣候室進行，光照16 h（25 ℃），黑暗8 h （16 ℃），濕度為80%～90%。將樹脂柱連接到根分泌物連續收集系統中，培養液流速為55 mL/min，每天補充失去的水分，連續收集2 d，取下樹脂柱，立即用12 倍柱床體積的去離子水清洗層析柱中的營養液成分，再用15 倍柱床體積玻器蒸餾的甲醇洗脫根分泌物。將收集的總洗脫液于-70 °C條件下減壓濃縮72 h，收集的根系分泌物置于-20 ℃的冰箱內儲存備用。

1.2 ?井欄邊草配子體培養

井欄邊草孢子于2012年9月采自南京林業大學。將帶有成熟孢子的葉片置潔凈紙袋中， 放于干燥通風處使孢子自然散落， 約1周后將孢子去雜并收集于硫酸紙袋中。播種與培養方法參照文獻[14]。20 d后，挑選健壯的， 生長一致的配子體（10 mm×5 mm）用無菌水反復清洗干凈。

1.3 ?材料處理

將三葉鬼針草和黑心菊根系分泌物用0.1% Hoagland營養液稀釋至4個濃度，分別為12.5%、25%、50%和100%，0.1% Hoagland營養液作為對照。將配子體至于培養皿中（直徑60 mm），加入5 mL分泌物溶液。每個培養皿中含有100個配子體，光照條件為37.5 μmol/（m2·s），光照12 h，黑暗12 h，溫度為25 ℃。

1.4 ?葉綠素熒光參數測定

每隔一天測定配子體葉綠素熒光參數，直至第十天為止。迅速收集配子體以備測定。將配子體暗適應2 min，使用Junior PAM（Heinz Walz GmbH， D91090，Effeltrich）測定最大光化學效率（Fv/Fm）、PSII線性電子傳遞的量子效率（ΦPSII）、表觀光合電子傳遞效率（ETR）、光化學熒光淬滅系數（qP）和非光化學熒光淬滅系數（NPQ）。

1.5 ?數據分析

試驗重復3次。數據取各次試驗的平均值， 用SPSS20.0軟件進行單因素方差分析和多重比較。

2 ?結果與分析

2.1 ?PSII線性電子傳遞的量子效率

井欄邊草配子體的PSII線性電子傳遞的量子效率（ΦPSII），在三葉鬼針草和黑心菊根系分泌物的化感作用下產生了劑量效應和時間效應的變化。具體表現為，井欄邊草配子體在三葉鬼針草根系分泌物處理下，隨著處理濃度的升高，ΦPSII值產生了下降的趨勢;隨著時間的延長，ΦPSII值同樣也產生了下降的趨勢。圖1中，井欄邊草配子體在黑心菊根系分泌物處理下，劑量效應和時間效應均與三葉鬼針草根系分泌物產生了相似的變化趨勢。但是第十天黑心菊根系分泌物12.5%、25%、50%和100%各濃度的ΦPSII值分別高出三葉鬼針草根系分泌物對應濃度處理數值的40.0%、52.9%、71.4%和120.0%。三葉鬼針草根系分泌物較黑心菊根系分泌物對井欄邊草配子體ΦPSII的影響更明顯。

2.2 ?最大光化學效率

在三葉鬼針草和黑心菊根系分泌物的化感作用下，井欄邊草配子體的最大光化學效率（Fv/Fm）出現了劑量效應和時間效應的變化。圖2中，井欄邊草配子體在三葉鬼針草根系分泌物處理下，隨著處理濃度的升高，Fv/Fm值呈下降的趨勢;時間效應方面，各處理濃度隨著時間的延長，Fv/Fm值同樣也產生了下降的趨勢。圖2中，井欄邊草配子體在黑心菊根系分泌物處理下，劑量效應和時間效應均與三葉鬼針草根系分泌物產生了相似的變化趨勢。但是第十天黑心菊根系分泌物12.5%、25%、 50%和100%各濃度的處理值分別高出三葉鬼針草根系分泌物對應濃度處理數值的25.5%、34.8%、 42.9%和168.2%。由此可知，隨著處理時間的延長，三葉鬼針草根系分泌物的劑量效應較黑心菊根

系分泌物明顯。

2.3 ?光化學熒光淬滅系數

井欄邊草配子體的光化學熒光淬滅系數（qP）在三葉鬼針草和黑心菊根系分泌物的化感作用下也存在劑量效應和時間效應。圖3中，井欄邊草配子體在三葉鬼針草和黑心菊根系分泌物處理下，隨著處理濃度的升高，qP值產生了下降的趨勢;時間效應方面，各處理濃度隨著時間的延長，qP值同樣也產生了下降的趨勢。但是第十天黑心菊根系分泌物12.5%、25%、50%和100%各濃度的處理值的下降比率分別是三葉鬼針草根系分泌物對應濃度處理數值的72.7%、100.0%、100.0%和266.7%。同樣隨著處理時間的延長，三葉鬼針草根系分泌物的劑量效應較黑心菊根系分泌物明顯。

2.4 ?光合電子傳遞效率

井欄邊草配子體的表觀光合電子傳遞效率（ETR）在三葉鬼針草和黑心菊根系分泌物的化感作用下也產生了劑量效應和時間效應的變化。圖4中，井欄邊草配子體在三葉鬼針草和黑心菊根系分泌物處理下，劑量效應，隨著處理濃度的升高，ETR值產生了下降的趨勢;時間效應，各處理濃度隨著時間的延長，ETR值同樣也產生了下降的趨勢。但是第十天黑心菊根系分泌物12.5%、25%、50%和100%各濃度的處理值分別比第二天處理下降了12.74%、15.20%、13.54%和18.68%。同樣隨著處理時間的延長，三葉鬼針草各組分的計量效應產生了顯著性的下降，下降的顯著性較黑心菊根系分泌物明顯。

2.5 ?非光化學熒光淬滅系數

井欄邊草配子體的非光化學熒光淬滅系數（NPQ）在三葉鬼針草和黑心菊根系分泌物的化感作用下產生了劑量效應和時間效應的變化。圖5中，井欄邊草配子體在三葉鬼針草和黑心菊根系分泌物處理下，劑量效應，隨著處理濃度的升高，NPQ值產生了上升的趨勢;時間效應，各處理濃度隨著時間的延長，NPQ值同樣也產生了上升的趨勢。但是第十天黑心菊根系分泌物各濃度的NPQ值比三葉鬼針草處理組的低。隨著處理時間的延長，三葉鬼針草根系分泌物的劑量效應較黑心菊根系分泌物的明顯。

3 ?小結與討論

本研究中，三葉鬼針草根系分泌物處理下，井欄邊草配子體最大光化學效率（Fv/Fm）、PSII線性電子傳遞的量子效率（ΦPSII）、表觀光合電子傳遞效率（ETR）以及光化學熒光淬滅系數（qP）降低的表現，說明配子體PSII的活性降低，QA氧化態數量降低，導致PSII反應中心開放部分的比例降低，抑制QA 向QB光合電子傳遞，使配子體不能將更多的吸收光能分配給光化學途徑，進一步反映出井欄邊草配子體不能很好地適應三葉鬼針草根系分泌物引起的脅迫環境，尤其在三葉鬼針草根系分泌物濃度較高，根系分泌物處理時間較長時更為明顯。這與前人報道的麻黃（Ephedra equisetina）根粗提物可破壞藍藻類囊體膜，中斷電子傳遞，抑制藍藻光合作用，高劑量的粗提物可導致藍藻死亡的結果類似[15]。非光化學熒光淬滅系數（NPQ）在三葉鬼針草根系分泌物處理下產生了增加的趨勢，表明配子體在這種狀態下其所獲得能量很多以熱的形式耗散而植物自身不能利用，導致植物生長受到抑制。

本研究中，非入侵物種黑心菊對井欄邊草配子體也產生了一定的脅迫作用，這說明植物的根系分泌物在生態環境中對于其他物種確實存在一定的抑制或促進作用，大蒜、茄子等非入侵物種在生活中都會產生一定的根系分泌物對自身周圍的其他物種產生化感作用[16，17]。本研究通過對比試驗，發現外來入侵植物三葉鬼針草的根系分泌物對井欄邊草配子體的抑制作用是遠大于非入侵植物黑心菊。

化感物質在外來入侵植物成功入侵過程中扮演重要角色。前人研究發現，三葉鬼針草中含有多種化感物質，主要包括酚酸、多炔等[9]。目前對三葉鬼針草根系分泌物中抑制井欄邊草配子體光合能力的化感物質的相關研究正在進行中。三葉鬼針草根系分泌物中化感物質的分離、鑒定需要進一步研究，這些物質的作用機理也值得我們進一步探索。

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