假蒼耳不同部位水浸提液對五種十字 花科植物化感作用的研究

姚樹寬，李鳳蘭，彭麗娜，馮旭，董佳敏，馮哲,張俊峰， 趙巧芩，馮珊珊，徐永清*，胡寶忠,2*

(1.東北農業大學生命科學學院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.哈爾濱學院，黑龍江 哈爾濱 150086)

Molisch于1937年第一次提出化感作用，定義為植物或者微生物通過產生生物化學物質而影響其他植物的現象，并指出這種相互作用包括抑制作用和促進作用兩方面[1]。1984年Rice[2]將化感作用定義進一步完善，植物或微生物通過釋放代謝物質到環境中，對其他植物產生直接或間接的有利或有害的作用稱為化感作用?；形镔|幾乎存在于植物體的各個器官當中(根、莖、葉、花、果實)，莖、葉器官所含化感物質最多，在植物相互作用的過程中發揮著重要的作用[3]，且只有經過適當的途徑才能從植物各器官中釋放到環境當中，從而對周圍的植物或者微生物起到化感作用。自然條件下，植物主要通過5個途徑產生化感作用：植物根系分泌化感物質產生化感作用；植物地上部分受雨、霧和露水淋溶浸出化感物質產生化感作用；植物莖葉向體外揮發釋放化感物質產生化感作用；植株枯枝落葉在土壤中降解釋放化感物質產生化感作用；種子萌發和花粉傳播化感物質產生化感作用[4-5]。越來越多的研究顯示外來植物成功入侵很大程度上是借助于化感物質的釋放對入侵地植物造成影響。紫莖澤蘭(Eupatoriumadenophora)、薇甘菊(Mikaniamicrantha)、飛機草(Eupatoriumodoratum)入侵機制均發現化感物質主要通過淋溶途徑作用到周圍植物[6-8]，紫莖澤蘭、白三葉(Trifoliumrepens)、三七(Panaxnotoginseng)等植物的凋落物水提液化感作用的研究均顯示出對供試植物種子萌發、幼苗生長具有顯著的抑制作用，且抑制作用隨著濃度的升高而越加顯著[6,9-10]。而百合(Liliumbrownii)和中間錦雞兒(Caraganaintermedia)的化感研究表現出對某些供試植物種子萌發具有“低促高抑”雙重效應，由此可見，植物間的化感作用存在復雜的相互作用機制[11-12]，需要系統全面的研究。

假蒼耳(Ivaxanthiifolia)原產北美，是菊科(Compositae)假蒼耳屬(Iva)一年生植物[13]，1966年首次在歐洲的塞爾維亞地區被發現[14]，并于20世紀80年代入侵我國，目前東北三省已有一定的分布[15]。假蒼耳最高可達4.5 m，生長速度極快，繁殖能力強，入侵后能迅速定居且快速傳播；占領發生區后，除少數蒿屬可以生存，大批土著野生植物被其演替消亡，對生物資源多樣性構成巨大威脅[16-17]；入侵到農作物區，一方面影響作物生長，降低農產品的品質和產量，另一方面受污染的飼草會導致牛奶的品質變劣，對農、林、牧業生產均有較大威脅，受到國家政府的高度重視，1997年的《中華人民共和國進境植物檢疫潛在危險性病、蟲、雜草名錄(試行)的通知》將假蒼耳列為我國潛在的危害性入侵雜草[18]，國內外對其研究包括生理生化及化學成分的分離鑒定[18-19]，化感研究則有趙薇等[20]對作物和雜草的影響，與其他入侵植物的研究相比，處于起步階段，對其化感作用及其入侵機制的系統研究迫在眉睫。

本試驗采用室內生物學測定法研究假蒼耳對5種十字花科植物種子萌發及幼苗生長的影響，探究假蒼耳的化感作用，構建假蒼耳化感效應研究的模型和快速檢測評價體系，建立化感研究體系方法,為假蒼耳的闡述外來入侵植物入侵途徑，入侵機制研究提供理論依據與試驗支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

假蒼耳于2016年9月采集于東北農業大學校園內試驗田，蘿卜(Raphanussativus)、白菜(Brassicacampestris)、油菜(Brassicapekinensis)、芥菜(Brassicajuncea)、甘藍(Brassicaoleracea)種子購買于哈爾濱市香坊區公濱種子站。

1.2 試驗方法

1.2.1假蒼耳水浸提液的制備 將假蒼耳的根、莖剪成<2 cm的片段，室內自然陰干，用粉碎機粉碎過0.425 mm(40目)篩儲藏備用，分別稱取假蒼耳根、莖粉末各40 g，加1000 mL蒸餾水(25±1) ℃浸提48 h，5000 r·min-1離心5 min，用循環水式真空泵抽濾，再用孔徑為0.45 μm濾膜過濾，獲得質量濃度為40 g·L-1假蒼耳根、莖浸提液母液，用無菌蒸餾水稀釋成10、20、30 g·L-1浸提液4 ℃保存備用。

1.2.2化感作用測定 試驗前將供試種子用1% NaClO消毒30 min，用無菌蒸餾水沖洗3次，選取30粒大小一致、粒飽滿的供試種子置于直徑90 mm，鋪有2層濾紙的培養皿中，分別加入不同濃度(10、20、30、40 g·L-1)假蒼耳根或莖浸提液5 mL，蒸餾水為對照(CK)，于(25±1) ℃ 4000 lx、12 h光照下培養7 d，每天適當補充浸提液，各處理重復3次。

1.2.3測定項目和方法 胚根或胚軸突破種皮1～2 mm為標準，每24 h觀察記錄萌發種子數，在第5 天時計算發芽勢(GE)，第7天統計發芽率(GR)，計算發芽指數(Gi)、活力指數(Vi)，同時從每個培養皿中隨機取出5個植株幼苗，用濾紙輕輕吸干表面水分，用直尺測量幼苗根長(cm)、苗高(cm)，用電子天平測量苗鮮重(g)，算出各指標平均值。各指標計算公式如下：

發芽率=7 d內正常發芽種子數/供試種子數×100% 發芽勢=5 d內發芽種子數/供試種子數×100% 發芽指數(Gi)=∑(Gt/Dt)

式中：Gt為第“t”日的種子發芽數量；Dt為種子發芽試驗第“t”日。

活力指數(Vi)=S∑(Gt/Dt)=S×Gi

式中：S表示幼苗的生長量(長度或重量)；Gi表示種子發芽指數。

RI=(1-C/T)×100%

式中：RI為化感指數，Bruce等[21]提出用來衡量化感作用的指標，C為對照值，T為處理值，當RI>0表示為促進作用，當RI<0表示為抑制作用。RI絕對值代表化感作用強度的大小。

綜合化感效應指數(SE)：供體植物對同一受體植物的各個測試指標的RI的算術平均值[22]。

1.3 數據處理

用Excel 2010、Graphpad prism 5軟件進行數據處理、方差分析并繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同濃度假蒼耳根、莖浸提液對種子萌發的影響

2.1.1根浸提液對種子萌發的影響 由圖1A可知，假蒼耳根浸提液對5種植物種子的發芽率化感作用不同，5種植物發芽率大致是隨著假蒼耳根浸提液濃度的增高而降低，10 g·L-1根浸提液處理條件下，蘿卜、白菜、油菜發芽率均高于空白對照組，差異不顯著(P>0.05)，芥菜和甘藍發芽率均低于對照組，差異顯著(P<0.05)，40 g·L-1根浸提液處理條件下5種植物發芽率均低于對照組，差異顯著(P<0.05)，蘿卜、白菜、油菜、芥菜、甘藍發芽率分別下降15.28%，10.39%，17.38%，23.55%，26.87%，根浸提液對芥菜和甘藍的抑制作用最強。

發芽勢是指種子發芽的整齊程度，是種子發芽快慢和能力強弱的標志。由圖1B可知，假蒼耳根浸提液對5種植物種子發芽勢化感作用不同，10 g·L-1根浸提液處理條件下，蘿卜、白菜、油菜發芽勢均高于空白對照組，差異不顯著(P>0.05)，芥菜發芽勢低于對照，差異不顯著(P>0.05)，甘藍發芽勢低于對照組，差異顯著(P<0.05)，當假蒼耳根浸提液濃度>20 g·L-1時，對5種植物發芽勢整體呈抑制作用，且隨著濃度增高抑制作用越強；40 g·L-1根浸提液濃度處理條件下，5種植物發芽勢均低于對照組，差異顯著(P<0.05)。

由圖1C，D可知，不同濃度假蒼耳根浸提液對5種植物發芽指數和活力指數的化感作用不同，活力指數是反映種子正常發芽的一個綜合指標。蘿卜、白菜、油菜發芽指數和活力指數隨著濃度升高呈現先增加后降低的趨勢，即“低促高抑”雙重效應，芥菜、甘藍發芽指數和活力指數隨著濃度增高呈下降趨勢(P<0.05)。10 g·L-1根浸提液處理條件，蘿卜、白菜、油菜活力指數均高于對照組，差異顯著(P<0.05), 蘿卜、白菜、油菜發芽指數高于對照組，僅白菜差異顯著(P<0.05)，芥菜、甘藍發芽指數和活力指數均低于對照組，差異顯著(P<0.05)，40 g·L-1根浸提液處理條件下，5種植物發芽指數和活力指數均低于對照組，差異顯著(P<0.05)。

圖1 不同濃度假蒼耳根浸提液對種子萌發的影響Fig.1 Effects of different concentrations of I. xanthiifolia root extract on seed germination 不同字母表示差異性顯著(P<0.05)。下同。Different letters mean significant difference at P<0.05. The same below.

2.1.2莖浸提液對種子萌發的影響 由圖2A可知，不同濃度假蒼耳莖浸提液對5種植物發芽率的化感作用不同，隨著莖浸提液濃度的增大，對種子萌發率抑制作用越強，低濃度可提高白菜、油菜發芽率，即“低促高抑”雙重效應，10 g·L-1莖浸提液處理條件下，促進白菜、油菜種子的萌發，同對照相比差異顯著(P<0.05)，蘿卜發芽率也高于對照組，差異不顯著(P>0.05)，顯著抑制了芥菜和甘藍種子的發芽率(P<0.05)，40 g·L-1莖浸提液處理條件下，對5種植物種子發芽率均表現為抑制作用，與對照組相比差異顯著(P<0.05)，對5種植物的化感抑制作用強弱順序為：甘藍>芥菜>白菜>油菜>蘿卜。

由圖2B可知，不同濃度假蒼耳莖浸提液對白菜、油菜發芽勢亦表現為“低促高抑”雙重效應，10 g·L-1假蒼耳莖浸提液處理下促進作用最強。10 g·L-1浸提液處理條件下，白菜、油菜發芽勢均高于對照組，差異顯著(P<0.05)，蘿卜發芽勢也高于對照組，差異不顯著(P>0.05)，芥菜、甘藍發芽勢顯著低于對照組(P<0.05)；40 g·L-1浸提液處理條件下，5種植物發芽勢均低于對照組，差異顯著(P<0.05)，對芥菜和甘藍的抑制作用最強。

由圖2C，D可知，假蒼耳莖浸提液對5種植物發芽指數和活力指數的化感作用不同，蘿卜、白菜、油菜發芽指數和活力指數隨著莖浸提液濃度的升高呈現先增高后降低的趨勢，即“低促高抑”雙重效應，芥菜、甘藍呈下降趨勢。10 g·L-1浸提液處理條件下促進作用最強，蘿卜、白菜發芽指數和活力指數均高于對照組，差異顯著(P<0.05)，芥菜、甘藍發芽指數和活力指數均低于對照組，除甘藍活力指數外，均差異顯著(P<0.05)，40 g·L-1莖浸提液處理下，5種植物發芽指數和活力指數均低于對照組，差異顯著(P<0.05)。

圖2 不同濃度假蒼耳莖浸提液對種子萌發的影響Fig.2 Effects of different concentrations of I. xanthiifolia stem extract on seed germination

2.2 不同濃度假蒼耳根、莖浸提液對幼苗生長的影響

2.2.1根浸提液對幼苗生長的影響 由圖3可知，不同濃度假蒼耳根浸提液對5種植物幼苗生長的化感作用不同，低濃度時促進幼苗的生長，隨著濃度的升高抑制幼苗的生長，即表現為“低促高抑”雙重效應。10 g·L-1假蒼耳根浸提液處理條件下，對蘿卜、白菜、油菜3種植物的根長、苗高、苗鮮重均有一定的化感促進作用，同對照組相比，除白菜苗高外，均差異顯著(P<0.05)，而對芥菜、甘藍2種植物的根長、苗高、苗鮮重均有一定的抑制作用，且根長、苗高同對照組相比差異顯著(P<0.05)；當假蒼耳根浸提液濃度>20 g·L-1時，對5種植物的根長、苗高、苗鮮重呈抑制趨勢，40 g·L-1濃度的浸提液抑制作用最強；40 g·L-1濃度假蒼耳根浸提液處理條件下，對蘿卜、白菜、油菜、芥菜、甘藍5種植物的根長、苗高、苗鮮重均低于對照組，差異顯著(P<0.05)；根浸提液對蘿卜的抑制作用最弱，對芥菜、甘藍的抑制作用最強。

圖3 不同濃度假蒼耳根浸提液對幼苗生長的影響Fig.3 Effects of different concentrations of I. xanthiifolia root extract on seed growth

2.2.2莖浸提液對幼苗生長的影響 由圖4可知假蒼耳莖浸提液對5種植物幼苗生長的影響規律，假蒼耳莖浸提液對蘿卜、白菜、油菜植物幼苗生長影響表現為低濃度促進高濃度抑制，對芥菜、甘藍幼苗生長影響表現為抑制作用。當假蒼耳莖浸提液濃度為10 g·L-1作用下，對蘿卜、白菜的根長、苗高、苗鮮重均有一定的促進作用，同對照組相比差異顯著(P<0.05)，對油菜、芥菜、甘藍的根長、苗高、苗鮮重均有一定的抑制作用，同對照組相比差異顯著(P<0.05)；隨著假蒼耳莖浸提液濃度的升高，對5種植物幼苗根長、苗高、苗鮮重抑制作用增強，40 g·L-1假蒼耳莖浸提液對5種植物抑制作用最強，當假蒼耳莖浸提液濃度為40 g·L-1時，對蘿卜、百菜、油菜、芥菜、甘藍5種植物的根長、苗高、苗鮮重均有顯著差異性(P<0.05)，對芥菜、甘藍的根長、苗高、苗鮮重抑制作用最強。

2.3 不同濃度假蒼耳根、莖浸提液對5種植物發芽率化感指數的影響

發芽率是直接反映植物種子發芽能力的指標，化感物質影響種子萌發的作用強度可以通過發芽率化感指數進行評價。分析了5種受體植物發芽率的化感指數。由圖5和圖6可知，不同濃度的假蒼耳根、莖浸提液對十字花科的5種植物均有化感效應，對蘿卜、白菜、油菜發芽率化感指數的影響總體趨勢表現為低濃度促進高濃度抑制的雙重效應，對芥菜、甘藍發芽率化感指數影響總體趨勢是抑制作用。不同濃度不同部位的假蒼耳浸提液對十字花科5種植物發芽率化感指數強弱順序不同，根浸提液對5種植物發芽率化感指數強弱為：甘藍>芥菜>油菜>蘿卜>白菜，莖浸提液對5種植物發芽率化感指數強弱為：甘藍>芥菜>油菜>白菜>蘿卜，芥菜、甘藍為最敏感植物，蘿卜對假蒼耳根浸提液中化感物質敏感性最弱。從不同部位假蒼耳浸提液對十字花科5種植物發芽率化感指數的影響可知，假蒼耳2種浸提液對5種植物化感作用的強弱順序為莖浸提液>根浸提液。表明相對于根來說假蒼耳莖是產生化感物質的主要部位，這些化感物質可以通過淋溶的方式釋放到周圍環境中從而對周圍的生物產生影響。

圖4 不同濃度假蒼耳莖浸提液對幼苗生長的影響Fig.4 Effects of different concentrations of I. xanthiifolia stem extract on seed germination

2.4 不同濃度假蒼耳根、莖浸提液對5種植物根長化感指數的影響

植物種子萌發后，胚根最先突破種皮，發育成主根，從周圍環境吸收水分與無機營養，供幼苗生長發育，因而幼苗期，根部可能是最先接觸到化感物質并受到影響的，根的生長變化也可能是化感作用強弱最直接的反映。分析5種受體植物根長的化感指數，由圖7和圖8可知，不同濃度的假蒼耳根、莖浸提液對十字花科的5種植物幼苗生長均有化感效應，植物對浸提液中的化感物質敏感性存在一定的差異，對蘿卜、白菜、油菜根長化感指數的影響總體表現為“低促高抑”的雙重效應，芥菜、甘藍根長化感指數的影響表現為抑制作用。兩部位不同濃度假蒼耳浸提液對5種植物化感指數強弱順序不同，依敏感程度由強到弱為甘藍>芥菜>油菜>白菜>蘿卜，芥菜、甘藍為敏感植物，蘿卜敏感性最弱。

綜合對比發芽率和根長化感指數可以看出，化感物質對種子萌發和幼苗生長都有不同程度的影響，就本試驗涉及的5種植物而言，敏感性較強的芥菜、甘藍種子萌發時受到較大抑制，而后在幼苗生長發育的過程中再次受阻，可見化感物質對敏感性植物的化感作用具有疊加效應。而相對抗性較強的蘿卜、白菜，種子萌發所受的化感抑制低于根長受到的抑制，這說明化感物質對幼苗的影響可能更強烈。

2.5 不同濃度假蒼耳根、莖浸提液對5種植物綜合化感效應指數的影響

為了綜合分析假蒼耳根、莖水浸提液對十字花科5種植物種子萌發和幼苗生長發育的化感效應，統計5種植物的發芽率、發芽勢、發芽指數、活力指數、幼苗根長、苗高、苗鮮重7個指標的RI值計算出綜合化感效應指數(SE)。由圖9和圖10可知，隨著假蒼耳根、莖水浸提液濃度的升高，芥菜、甘藍受抑制程度逐漸增強，在40 g·L-1時，達到最大； 蘿卜、白菜、油菜受假蒼耳根、莖水浸提液的影響表現為“低促高抑”的雙重效應，在假蒼耳浸提液濃度為10 g·L-1時，對蘿卜、白菜、油菜表現為促進作用，高于10 g·L-1時，表現為抑制作用，且隨著濃度的升高抑制作用逐漸增強。比較根、莖浸提液對十字花科植物的綜合化感指數，可以看出假蒼耳莖浸提液對5種受體植物的影響更大，說明假蒼耳莖中有影響種子萌發和幼苗生長發育的主要化感物質。綜合化感效應指數同發芽和根長的化感指數相比，發現各指數反映的化感作用趨勢一致，綜合化感指數能更加全面地反映假蒼耳的化感作用強度。

圖5 不同濃度假蒼耳根浸提液對5種 植物發芽率化感指數的影響Fig.5 Effect of different concentrations of I. xanthiifolia root aqueous extract on the allelopathic indices of five recipient plants germination rate

圖6 不同濃度假蒼耳莖浸提液對5種 植物發芽率化感指數的影響Fig.6 Effect of different concentrations of I. xanthiifolia stem aqueous extract on the allelopathic indices of five recipient plants germination rate

圖7 不同濃度假蒼耳根浸提液對5種 植物根長化感指數的影響Fig.7 Effect of different concentrations of I. xanthiifolia root aqueous extract on the allelopathic indices of five recipient plants root length

圖8 不同濃度假蒼耳莖浸提液對5種 植物根長化感指數的影響Fig.8 Effect of different concentrations of I. xanthiifolia stem aqueous extract on the allelopathic indices of five recipient plants root length

圖9 不同濃度假蒼耳根浸提液對5種 植物綜合化感效應指數的影響Fig.9 Effect of different concentrations of I. xanthifolia root aqueous extract on the comprehensive allelopathy index of five recipient plants

圖10 不同濃度假蒼耳莖浸提液對5種 植物綜合化感效應指數的影響Fig.10 Effect of different concentrations of I. xanthiifolia stem aqueous extract on the comprehensive allelopathy index of five recipient plants

3 討論

植物化感作用是自然界中普遍存在的一種生態機制，主要影響植物種子的萌發及幼苗生長，且不同部位對受體的化感作用存在差異[23-24]，有研究表明，植物化感作用的強弱不僅與浸提液濃度、化感物質種類有關，還與受體植物的種類有關[25]。本研究以不同濃度假蒼耳根、莖浸提液處理十字花科Raphanus和Brassica兩個屬5種植物：蘿卜、白菜、油菜、芥菜、甘藍，觀察其對種子萌發及幼苗生長的影響，結果表明假蒼耳根、莖浸提液對5種種子的萌發及幼苗生長均具有明顯的抑制或促進作用。芥菜、甘藍種子萌發及幼苗生長均表現為抑制作用，隨著假蒼耳根、莖浸提液濃度的升高其抑制作用不斷增強，且莖浸提液抑制作用要強于根浸提液的抑制作用，這與胡遠彬等[24]和趙微等[20]研究勁直黃芪、假蒼耳水浸提液對種子發芽和幼苗生長的結果一致。不同植物對假蒼耳浸提液化感作用的響應不同，同為Brassica屬的4種植物白菜、油菜、芥菜、甘藍之間也表現出顯著的差異性，其中甘藍最敏感，芥菜次之，白菜和Raphanus屬的蘿卜則敏感性較差，這與張汝民等[26]研究幾種牧草幼苗對冷蒿莖葉水浸提液化感作用結果一致，這說明假蒼耳浸提液中發揮化感作用的化感物質具有選擇性和依賴性，這一現象可能與植物種的進化歷史有關[27]，在長期的協同進化過程中，土著植物更習慣于相互之間的化感作用，而當外來植物入侵到一個新的生境時，向環境中釋放化感物質，土著植物對其敏感性表現出相對差異性[28]。同一植物對不同濃度的化感物質也會產生不同的響應，高濃度下具有顯著性的抑制作用，低濃度下作用不顯著或者起促進作用[29]。假蒼耳根、莖浸提液對蘿卜、白菜、油菜種子萌發及幼苗生長基本上呈現“低促高抑”的雙重效應，與王蓓等[30]對核桃化感作用進行研究，發現受體植物表現出高濃度抑制低濃度促進的雙重效應相一致?；凶饔镁C合化感效應指數分析發現假蒼耳不同部位浸提液對受體植物的化感作用不同，莖浸提液的化感作用要強于根，表明莖是產生假蒼耳化感物質的重要部位，由此推測假蒼耳化感物質主要通地上部分淋溶與揮發進入環境，而較少來自根系釋放途徑。假蒼耳植株高大，入侵地平均株高可達2.5 m，且莖稈粗壯，地上部分每年累積生物量巨大，自然淋溶條件下也會對周圍的生物造成強烈的化感作用，從而破壞入侵地的生態平衡。因此應該采取有效措施，降低假蒼耳地上殘株進入自然環境的量，從而降低對土著生物的影響。

4 結論

假蒼耳根、莖浸提液對十字花科5種植物種子萌發和幼苗生長均具有顯著的化感效應，且5種植物之間存在一定的差異，其中對蘿卜、白菜、油菜總體化感作用趨勢為“低促高抑”的雙重效應，而對芥菜、甘藍表現為抑制作用，說明不同植物對假蒼耳浸提液中化感物質敏感性不同；當濃度達到20 g·L-1，5種受試植物種子萌發和幼苗生長均受到顯著的抑制，且隨著濃度的增加而增強；不同部位浸提液對5種十字花科植物化感作用強弱為莖>根。