紫莖澤蘭葉浸提液對4種冰草的化感作用

魯京慧

(河北旅游職業學院，河北承德 067000)

化感作用是指植物或微生物(供體)向周圍環境中釋放特定的化學物質，影響其他植物、微生物和動物(受體)生長發育的現象，在群落的形成和演替中起著重要作用，普遍存在于各類生態系統，是整個生態系統化學關系網的一部分[1-3]。供體植物在周圍環境中能夠釋放化感物質，抑制其他受體植物種子的生長發育，從而對群落中物種的組成和分布格局產生影響，化感作用大多數表現為有害的抑制作用，但種間相互有益的促進作用也是客觀存在的[4-8]。近年來，化感作用的研究日益深入和廣泛，多種植物的化感效應得到評價、開發和利用，化感作用已成為有害生物控制、增加作物產量和促進環境可持續性發展的重要途徑之一，在自然界中，化感物質積累到一定量后，就會抑制其他植物種子萌發和幼苗生長，從而影響植物的競爭力[9-14]。

紫莖澤蘭(EupatoriumadenophorumSpreng.)是菊科澤蘭屬多年生草本植物，為我國西南地區的主要外來入侵植物，對全球自然和農業生態系統造成了嚴重危害[9-14]，入侵后造成物種多樣性和生態系統過程發生改變[15-19]。禾本科植物在生態系統中占據重要地位，紫莖澤蘭與禾本科植物之間通過次生物質(化感物質)為媒介相互作用和識別[9]。目前，國內外學者關于入侵植物化感作用研究較多，但紫莖澤蘭對禾本科植物的化感作用還鮮有報道[16-19]。紫莖澤蘭耐貧瘠，入侵后排擠當地植物，表現出較強的競爭優勢，并且種子產量高，適應光和養分變化的能力強，其繁殖及擴散能力強，它的入侵帶來了一些頗具爭議的生態環境問題[15-19]。其中，紫莖澤蘭的化感作用是引起這種現象頗受關注的生態問題，紫莖澤蘭的化感作用對周圍環境和其他植物影響的具體表現形式是抑制還是促進仍有待深入探討[15-19]。鑒于此，本試驗以4種典型冰草為受體，以紫莖澤蘭為供體，開展紫莖澤蘭葉浸提液對不同禾本科植物的生理響應及化感研究，從化感作用方面研究紫莖澤蘭對于揭示其危害機制、廣泛蔓延特性和紫莖澤蘭的田間防治有著重要的指導意義，并且為深入探討紫莖澤蘭對于禾本科植物的化感作用與其入侵關系提供數據支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

2013年7月，在紫莖澤蘭生長期采摘其葉片作供體。供試材料采于在四川省涼山州地區，紫莖澤蘭植株高約1.5～2.5 m，瘋狂生長已形成單優群落，采集大量的成熟葉片。采集的紫莖澤蘭成熟葉片帶回河北師范大學資源與環境科學學院，在室溫條件下晾干，將紫莖澤蘭葉片剪成<2 cm的小段放入燒杯中浸泡，浸泡過程中不斷攪動，加蒸餾水配成0.01、0.02、0.03、0.04 g/mL濃度溶液，在室溫25 ℃下放置36 h，每12 h搖動5 min，用2層濾紙抽濾3次后得紫莖澤蘭葉浸提母液，將母液貯存于冰箱4 ℃冷藏。

受體為蒙古冰草、扁穗冰草、蒙農雜交冰草、沙生冰草種子，購于河北省農業科學院。選取健壯飽滿、無損傷、無蟲害的種子，用65%乙醇消毒5 min后，蒸餾水沖洗干凈，100 ℃水 5 min 處理，放置24 h。供試受體種子用3 g/L高錳酸鉀溶液浸泡消毒10 min后，蒸餾水沖洗2～3次。

1.2 試驗方法

在河北師范大學資源與環境科學學院實驗室內，采用培養皿濾紙法進行4種冰草種子萌發和幼苗生長試驗。選取上述預處理后籽粒飽滿、大小均勻、色澤一致的種子，整齊排列在清洗、消毒、放有雙層濾紙的培養皿中(發芽床，直徑 9 cm)，每個培養皿60粒，加入15 mL各濃度紫莖澤蘭葉提取液，對照(CK)選用去離子水，每個濃度梯度設置3組重復，每天定時向培養皿中補充相應處理溶液，每3 d更換1次濾紙。

培養條件：每天光照時間為09：00—19：00，光強 3 000 lx，恒溫25 ℃，相對濕度75%～80%。連續培養觀察并逐日記錄種子萌發數目，以胚根沖破種皮達1 mm為發芽標準，待連續3 d無萌發時測量根長、苗高、鮮質量(精確到 0.01 g)，計算各處理種子的萌發率、萌發指數，將種子萌發數和根長、苗高測定值換算成對照抑制百分率。

通過種子發芽和幼苗生長試驗分析紫莖澤蘭葉提取液的化感作用，并取受體幼苗的根和幼葉測定其生理生化指標。

對照抑制百分率=(1-處理/對照)×100%；

萌發率=種子發芽數/供試種子數×100%；

萌發指數GI=(Gt/Dt)，Gt表示在第t天種子的發芽數；Dt代表相應的發芽天數；

采用 Williamson[20]化感指數(RI)：

RI=1-C/T(T≥C)；RI=T/C-1(T

式中：C為對照值，T為處理值。當RI<0時，表示抑制作用；RI>0時，表示促進作用。RI的絕對值大小代表化感作用的強弱。

1.3 測定指標

采用愈創木酚法測定過氧化物酶(POD)活性；氮藍四唑(NBT)光還原法測定超氧化物歧化酶(SOD)活性；硫代巴比妥酸(TBA)法測定丙二醛(MDA)含量；四氮唑法測定根系活力(TTC)；過氧化氫分解法測定過氧化氫酶(CAT)活性[21]；多酚氧化酶(PPO)活性測定采用分光光度計[22]；液氮分離純化測定苯丙氨酸解氨酶(PAL)活性[23]。

1.4 數據分析

采用Excel 2003.0和SPSS 18.0統計分析軟件分別對數據進行單因素方差分析，在置信水平為95%(P<0.05)的基礎上采用LSD多重比較，采用Origin 7.5軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 紫莖澤蘭葉浸提液對不同植物種子萌發的影響

從表1可以看出，紫莖澤蘭葉浸提液對不同受試作物的化感作用不同，4種受體植物各項測定指標均隨濃度的增加呈先提高后降低趨勢，0.01、0.02 g/mL紫莖澤蘭葉浸提液處理下4種受體植物各指標絕大部分高于對照，其中對根長的促進效應最為顯著，濃度0.04 g/mL各指標均低于對照，表現為化感抑制作用。紫莖澤蘭葉浸提液濃度由0～0.03 g/mL，4種冰草種子萌發率的化感效應指數均為正，并且隨濃度的增加逐漸降低，當浸提液濃度達到0.04 g/mL時，4種冰草種子萌發率的化感效應指數均為負，沙生冰草為-0.19，孟農雜交冰草為-0.20，扁穗冰草為-0.33，蒙古冰草為-0.69；當浸提液濃度為0.01～0.02 g/mL時，各項指標均達最大，并且對根長、苗高、鮮質量起到促進作用，當浸提液濃度達到 0.04 g/mL 時，紫莖澤蘭葉浸液對4種冰草根長、苗高、鮮質量的抑制作用最大，其中對鮮質量的抑制率沙生冰草為77.78%，蒙農雜交冰草為57.14%，扁穗冰草為76.92%，蒙古冰草為83.33%。蒙古冰草受紫莖澤蘭葉浸提液的影響最明顯。

2.2 紫莖澤蘭葉浸提液對4種冰草SOD、POD、CAT活性的影響

SOD的主要功能是清除氧自由基，防止其對細胞膜系統傷害的一種很重要的抗氧化酶。從圖1-A可以看出，4種冰草SOD活性隨紫莖澤蘭葉浸提液濃度的增加呈先降低后升高的變化趨勢，呈“N”字形變化規律。當浸提液濃度為 0.01 g/mL 時，4種冰草SOD活性均低于對照，說明4種冰草在此濃度范圍內均未受到脅迫。當浸提液濃度高于 0.02 g/mL 時，隨著浸提液濃度增加，4種冰草SOD活性急劇增加并且均高于對照。浸提液濃度達到0.04 g/mL時，與對照相比，4種冰草SOD活性分別增加了140.23%、135.92%、121.78%、110.56%，即紫莖澤蘭葉浸提液對4種冰草的化感抑制效應增強，為了抵御這種脅迫而啟動SOD保護酶體系的保護作用，因此SOD活性升高。

表1 紫莖澤蘭葉水浸提液對不同冰草種子萌發的影響

POD在植物體內主要作用之一就是催化H2O2降解，可抑制逆境條件下細胞膜脂過氧化作用，降低細胞膜遭受傷害。從圖1-B可以看出，紫莖澤蘭葉浸提液濃度在0.01～0.02 g/mL 時，4種冰草POD活性低于對照，隨著浸提液濃度的增加，4種冰草POD活性升高，浸提液濃度達0. 03 g/mL時，4種冰草POD活性達到最高點，這可能是由于植株受到脅迫后調動了POD保護酶體系所致；而隨著浸提液濃度的繼續升高，化感脅迫作用已經超出POD的保護范圍，此時POD活性急劇降低，當浸提液濃度達到0.04 g/mL時，與對照相比，4種冰草SOD活性分別降低了38.36%、31.56%、34.23%、25.68%。

CAT可清除體內的H2O2，是植物體內重要的活性氧清除劑之一。從圖1-C可以看出，隨著紫莖澤蘭葉浸提液濃度的增加，4種冰草CAT 活性呈現先降低后升高的變化趨勢，呈“V”字形變化規律。當浸提液濃度在0.01～0.02 g/mL時，4種冰草CAT活性均低于對照，化感效應表現為促進作用，浸提液濃度達到0.02 g/mL時，蒙古冰草、扁穗冰草、蒙農雜交冰草CAT均達最低，而沙生冰草在浸提液濃度為 0.01 g/mL 時最低；隨著浸提液濃度的繼續增加，4種冰草生長受到抑制，CAT活性持續升高；在浸提液濃度高于 0.03 g/mL 時，4種冰草CAT活性均明顯高于對照，以此抵御這種化感脅迫。

2.3 紫莖澤蘭葉浸提液對4種冰草MDA含量和TTC的影響

植物器官在逆境條件下或衰老時，往往發生膜脂過氧化作用，MDA作為膜脂過氧化作用的最終產物，是膜質過氧化程度的指標之一，用于表示細胞膜脂過氧化程度和植物對逆境條件反應的強弱。從圖2-A可以看出，4種冰草MDA含量隨紫莖澤蘭葉浸提液濃度的增加呈明顯上升，當浸提液濃度小于0.02 g/mL時，4種冰草在保護酶系的保護范圍內，MDA含量較對照低，化感效應表現為促進作用；當質量濃度大于0.02 g/mL時，化感抑制效應使得膜脂過氧化程度增強，同時保護酶系的綜合保護能力降低。MDA含量逐漸增加，標志著細胞受傷害的程度加劇。總體看來，4種冰草MDA含量的增幅不大，表明其受到傷害的程度較小，當浸提液濃度為0. 04 g/mL時，4種冰草MDA含量明顯高于對照，此時冰草種子受到嚴重傷害，也可能是因為種子隨著時間延長受到病菌侵染霉變，內部毒害物質上升所致。

從圖2-B可以看出，4種冰草TTC與MDA變化趨勢一致，不同濃度的紫莖澤蘭葉浸提液對4種冰草TTC有不同程度的抑制作用。當浸提液濃度為0. 01 g/mL時，4種冰草TTC隨浸提液濃度的增加呈顯著下降，與對照比較，分別下降了10.56%、30.72%、32.29%、38.75%，表明浸提液對4種冰草種子內部反應較為劇烈，其物質和能源的轉化率要低于對照，從而在一定范圍內降低了種子的成苗率和抗逆性。當浸提液濃度大于0. 02 g/mL時，4種冰草TTC隨浸提液濃度的增加顯著提高，并且均高于對照，抑制作用及強度越強，這可能是由于化感效應使根系活力增強以抵御外界的脅迫，在酶的作用下，種子中大量的淀粉、脂肪、蛋白質水解提供幼苗生長需要的物質和能源，物質轉化率越高對幼苗生長越有利，并可以提高成苗率和幼苗的抗逆性，對植株正常生長具有促進作用。

2.4 紫莖澤蘭葉浸提液對4種冰草PAL、PPO活性的影響

從圖3-A可以看出，隨著紫莖澤蘭葉浸提液濃度的升高，4種冰草PAL活性與PPO變化規律基本保持一致。當浸提液濃度為0.01 g/mL時，4種冰草PAL活性達到最低，這可能是由于浸提液在低濃度化感效應為促進作用，植株次生代謝狀況趨于平衡，因此PAL活性較低；當浸提液濃度大于 0.01 g/mL 時，4種冰草PAL隨浸提液濃度的增加呈逐漸提高趨勢，在此過程中，4種冰草體內次生代謝趨緩，從而引發PAL活性升高，以加速次生代謝，保證幼苗的正常生長。

從圖3-B可以看出，隨著紫莖澤蘭葉浸提液濃度的升高，4種冰草PPO活性先降低后提高，呈“V”字形變化規律。相同浸提液濃度下，4種冰草PPO活性大小基本表現為蒙古冰草>扁穗冰草>蒙農雜交冰草>沙生冰草；當浸提液濃度為0.04 g/mL時，4種冷草分別高出對照63.58%、52.17%、62.35%、54.43%。

3 討論與結論

化感作用作為植物的一種競爭手段，存在于多種生態系統中，主要通過植物地上部分的揮發、根際分泌、雨水淋洗、植株殘體的腐解以及花粉等途徑向環境中釋放化感物質，從而對周圍生物產生直接或間接的有害或有利的影響[1-3，9-13]。本研究表明，紫莖澤蘭葉片的化感物質對不同受體植物具有不同效應，并且作用強度也不盡相同，4種冰草種子萌發表現為低濃度下促進萌發、高濃度下抑制萌發的雙重化感效應，其中尤以沙生冰草和蒙農雜交冰草最為敏感，與眾多學者的研究結果[10-13，24]一致，表明紫莖澤蘭中存在化感物質并且具有較高的活性。與對照相比，4種冰草的鮮質量、根長、苗高均不同程度地受到了紫莖澤蘭化感作用的影響。紫莖澤蘭葉浸提液的抑制作用降低了4種冰草根表面的吸收面積和地上部分光合面積，從而降低了根的吸收效率和地上部分的光合同化率，具體表現在4種冰草鮮質量均低于對照，化感物質對根長的抑制使4種冰草根系變小，吸收養分能力下降，光合能力變弱，降低了4種冰草對資源的有效利用。本研究還發現，在4種冰草種子萌發早期紫莖澤蘭葉浸提液化感作用較弱，加之生物量較低，化感物質釋放總量有限，隨4種冰草發育時間的延長，紫莖澤蘭化感作用增強，更多的化感物質積累到受體植物體內從而抑制了種子萌發和幼苗生長。

化感作用是植物普遍存在的現象，主要干擾受體植物的一些高級代謝過程和生長調節系統。植物化感作用首先是對細胞膜的傷害，將化感物質脅迫的信號傳送到細胞內，從而對激素、離子吸收等產生影響[4，6-8，10-12]。激素、離子吸收以及水分狀況的變化會對植物產生抑制作用，從現有的資料來看，化感作用幾乎能影響植物生理生化的每一個方面，大多數化感物質是影響植物的細胞膜。CAT活性隨浸提液濃度的增加呈先提高后降低趨勢，種子吸脹過程中，生理活動恢復加強，不可避免地與體內生物大分子蛋白質、核酸和脂類等起反應且產生破壞其結構和功能的H2O2等自由基，CAT可把H2O2分解為H2O和O2，以清除H2O2的毒害作用[25-29]。現在普遍認為植物受到脅迫后，保護酶活性下降，而本研究當紫莖澤蘭葉浸提液濃度高于0. 02 g/mL時，4種冰草CAT活性均明顯高于對照，浸提液濃度為0.04 g/mL時4種冰草CAT 活性達到最高，表明高濃度紫莖澤蘭葉浸提液引起種子代謝紊亂，造成無氧呼吸上升，大量消耗貯藏物質，使得CAT活性明顯增強。

MDA是膜脂過氧化產物，其含量是膜脂過氧化程度的一個重要標志，而且與細胞膜的損害程度直接相關，可以反映植物遭受逆境傷害的程度。同時，MDA本身也是一種有害物質，它能強烈地與細胞內各種成分發生反應，引起酶和膜的嚴重損傷，導致膜結構及生理完整性的破壞[12-14，25-26]。紫莖澤蘭葉浸提液濃度達到0. 02 g/mL以后4種冰草MDA含量均高于對照，并且隨浸提液濃度的升高MDA含量增加越高，其中沙生冰草MDA含量最低，其他3種冰草均較高，說明紫莖澤蘭葉浸提液使4種冰草細胞的膜脂過氧化程度增高，膜透性增大，對逆境條件反應增強，表明在紫莖澤蘭葉浸提液化感作用下蒙農雜交冰草、扁穗冰草、蒙古冰草膜脂過氧化程度較為明顯，進一步說明沙生冰草和蒙農雜交冰草對逆境的抵抗能力最強，其次是扁穗冰草，最弱的是蒙古冰草。TTC活力在低濃度浸提液處理下低于對照，高濃度浸提液處理下明顯上升，與MDA變化趨勢一致，主要是由于紫莖澤蘭葉浸提液脅迫通過抑制、清除內源活性氧酶的活性，導致活性氧的積累和膜脂過氧化加劇，致使4種冰草根系細胞膜受到傷害。4種冰草在低濃度紫莖澤蘭葉浸提液下MDA含量低于對照，能夠引起保護酶活性下降，減弱機體清除自由基能力；隨著浸提液濃度的增加，MDA含量增加，在化感作用下，4種冰草細胞膜受到破壞，造成植株生理代謝紊亂，伴隨著SOD、POD和CAT 保護酶系統的啟動，PPO和PAL活性升高，以抵御外界的脅迫，最終導致低濃度的促進和高濃度的化感抑制作用。這可能由于低濃度浸提液能激發保護酶活性保護4種冰草不受傷害，而高濃度浸提液脅迫下各種酶活性急劇降低[10-14，24-26]，表明在浸提液下雖然保護酶活性加強，但其調節能力依然有限，這也是受體植物對紫莖澤蘭化感作用適應的生理調節反應。

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