鉆形紫菀對小麥與白菜潛在化感作用的研究

賀萍，鄧禹君，胡瀟尹，潘慧敏，鄧洪平

(西南大學生命科學學院，重慶 400715)

鉆形紫菀(Astersubulatus)，又名鉆葉紫菀，為菊科紫菀屬一年生草本植物，原產北美洲，于20世紀30年代在中國首次發現，是2014年中國國家生態環境部公布的第三批外來入侵植物之一，與喜旱蓮子草(Alternantheraphiloxeroides)、紫莖澤蘭(Eupatoriumadenophorum)等并列為中國危害等級最高的惡性入侵雜草[1-4]。鉆形紫菀成熟植株能產生大量瘦果，其果具冠毛且能通過風等媒介廣泛傳播，可在各種生境中，如路旁、房前空地、林園、農田等迅速蔓延，具有廣泛的適生范圍和較大的危害性，對中國經濟和生態環境造成了巨大損失與嚴重影響[1,3,5]。化感作用是指植物或微生物通過釋放代謝過程中產生的化學物質對自身或其他生物體(植物、動物、微生物)產生的直接或間接的促進或抑制作用[6]，入侵植物往往可以通過莖葉揮發、淋溶、根系分泌、植株腐爛分解等途徑釋放化感物質來抑制土著種的生長發育，從而實現成功入侵[7]。當前，國內對紫莖澤蘭、加拿大一枝黃花(Solidagocanadensis)、喜旱蓮子草等常見入侵植物化感作用的研究已經較為深入，而對鉆形紫菀化感作用的研究鮮有報道[8-10]。經調查，鉆形紫菀常侵入農田生態系統，是重要糧食作物小麥(Triticumaestivum)和蔬菜作物白菜(Brassicachinensis)的主要入侵威脅對象。本試驗以小麥和白菜為受體植物，研究了鉆形紫菀水浸提液對其種子萌發、幼苗生長的作用，并測定了鉆形紫菀水浸提液對小麥和白菜幼苗根系活力、細胞差別透性、植物保護酶活性等生理指標的影響，從而初步探討鉆形紫菀潛在化感作用的機理，為鉆形紫菀的防除提供理論和實踐依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

供試材料為鉆形紫菀，于2018年10月鉆形紫菀繁殖期，以隨機取樣方法采自重慶市北碚區嘉陵江邊(29°49′ N，106°26′ E)，該地為鉆形紫菀的典型發生區。采集完成的當天內將鉆形紫菀植株地上部分剪成5 cm小段，在恒溫干燥箱中50 ℃烘干至恒重，儲存于收納箱中，放入干燥劑保持箱內干燥。受體植物小麥(品種：長豐2112)和白菜(品種：四季小白菜)的種子均購于市場。

1.2 實驗方法

1.2.1鉆形紫菀水浸提液的制備 利用萬分之一天平準確稱取10 g烘干的鉆形紫菀莖、葉，加250 mL蒸餾水在室溫下浸提48 h，雙層紗布充分過濾得到40 g·L-1的鉆形紫菀水浸提液母液，并用蒸餾水將水浸提液母液分別稀釋為5、10和20 g·L-1的水浸提液，即刻使用。鉆形紫菀水浸提液母液每兩天制備一次[11]。

1.2.2種子萌發試驗 采用培養皿法。每一培養皿鋪兩層濾紙，放置籽粒飽滿、大小均一的小麥種子50粒或白菜種子100粒，分別加入一定量(以浸沒種子約2/3為準)5、10、20、40 g·L-1的鉆形紫菀水浸提液處理，蒸餾水作為對照，每個處理3組重復[12-13]。在人工氣候箱(培養條件為16 h 25 ℃/8 h 20 ℃，相對濕度80%，24 h黑暗)中培養，培養期間每2 d更換一次蒸餾水或水浸提液。以胚根突破種皮1 mm為萌發標準，每24 h記錄一次各處理下小麥、白菜種子萌發數，并計算第5天萌發率和萌發指數。

萌發率(%)=(5 d內種子萌發數/供試種子數)×100%

萌發指數(GI)=∑(Gt/Dt)

式中:Gt為小麥或白菜第t天的萌發數，Dt為相應的萌發天數。

1.2.3幼苗生長試驗和生理指標的測定 小麥、白菜種子25 ℃黑暗條件下預先催芽2 d后，參照1.2.2進行處理與培養，培養條件僅24 h黑暗改為16 h光照/8 h黑暗，光照強度為15000 lux。培養3 d后分別測定小麥和白菜幼苗鮮重、苗長、根長以及相關生理指標。采用氯化三苯基四氮唑(TTC)比色法測定根系活力[14]；電導率法測定細胞差別透性[15]；硫代巴比妥酸比色法測定丙二醛(MDA)含量[14]；混合液(丙酮∶無水乙醇∶蒸餾水=4.5∶4.5∶1.0)浸提法測定葉綠素含量[16]；氮藍四唑(NBT)光還原法測定超氧化物歧化酶(SOD)活性[17]；愈創木酚法測定過氧化物酶(POD)活性[14]；紫外分光光度法測定過氧化氫酶(CAT)活性[18]。

1.3 數據處理與分析

在Willamson等[19]方法的基礎上進行修正，并作為化感效應的衡量指標。

RI=1-C/T(T≥C)；RI=T/C-1(T

式中：RI表示化感效應指數，C為對照值，T為處理值，RI>0表示促進作用，RI<0表示抑制作用。

由于RI僅表示鉆形紫菀水浸提液對特定生理指標觀測值的促進或抑制效應，而對于某些生理指標，如丙二醛含量和細胞差別透性，其數值越高，表示植物組織受傷害越嚴重，故將丙二醛含量和細胞差別透性的RI納入化感綜合效應(SE)計算時，需要乘以-1[20]，即：

化感綜合效應(SE)為種子萌發率、萌發指數、鮮重、苗長、根長、保護酶(SOD、POD、CAT)活性、葉綠素含量、根系活力的化感效應指數以及丙二醛含量、細胞差別透性化感效應指數負值的算術平均值。

采用Excel 2016進行數據統計與繪圖，采用SPSS 19.0進行單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 鉆形紫菀水浸提液對小麥和白菜萌發的影響

總體而言，小麥和白菜的萌發率以及萌發指數隨著鉆形紫菀水浸提液濃度增加而下降(表1)。小麥萌發率在20和40 g·L-1的實驗組中與對照組表現出顯著性差異(P<0.05)，化感效應指數最低為-0.369，白菜萌發率在5～40 g·L-1的水浸提液中與對照差異達到顯著水平(P<0.05)，化感效應指數最低為-0.210(表2)。由圖1和圖2可見，小麥與白菜的萌發速率在播種后2 d 較高，在第3～5 d趨于平緩。鉆形紫菀水浸提液主要通過抑制小麥與白菜在播種后1 d內的萌發速率從而影響其萌發率，且濃度越大，抑制作用越明顯。水浸提液對小麥、白菜萌發指數的影響較為明顯，分別在10～40 g·L-1處理和所有實驗組處理中與對照表現出顯著性差異(P<0.05)，說明鉆形紫菀水浸提液能夠較明顯地延緩2種受體植物的萌發。綜合各濃度下小麥與白菜萌發率與萌發指數的顯著性差異水平與化感效應指數可知，小麥萌發對較低濃度鉆形紫菀水浸提液不敏感，但在高濃度水浸提液處理下(20，40 g·L-1)受到的抑制較白菜強。

2.2 鉆形紫菀水浸提液對小麥和白菜生長形態的影響

小麥和白菜的生長形態指標隨著水浸提液濃度增加而下降，故鉆形紫菀水浸提液對小麥和白菜生長具有抑制作用。與對照相比，各濃度水浸提液對小麥鮮重和根長的抑制均達到極顯著差異水平(P<0.01)(圖3～5)。5 g·L-1的水浸提液處理下，小麥苗長與對照無顯著差異，其他處理則呈極顯著差異(P<0.01)(圖4)。白菜鮮重和苗長在5和10 g·L-1處理下與對照無顯著性差異，在其他處理下分別呈極顯著性差異(P<0.01)和顯著性差異(P<0.05)(圖3和圖4)。白菜根長在10～40 g·L-1的水浸提液處理下與對照相比均達極顯著差異水平(P<0.01)(圖5)。由表2可知，各濃度水浸提液對小麥鮮重和苗長的抑制更強；小麥根長在5 g·L-1水浸提液處理下的化感效應指數比白菜略低，而在其他濃度下，化感效應指數均高于白菜，結合對顯著性差異水平的分析可知，白菜根長對5 g·L-1的水浸提液不敏感，但在其他濃度水浸提液處理下受到的抑制較小麥強。此外，由表2可知，2種植物根長受到的抑制較鮮重與苗長強，這是由于植物的根系直接接觸到化感物質，受到的損傷較其他部位大。

表1 鉆形紫菀水浸提液對小麥與白菜萌發的影響Table 1 Effect of aqueous extracts of A. subulatus on germination of T. aestivum and B. chinensis

注： 同一指標具有不同大、小寫字母表示分別在1%、5%水平上存在顯著性差異。

Note: The data with the capital and normal letters in the same row respectively mean significant difference atP<0.01,P<0.05.

圖1 鉆形紫菀水浸提液對小麥萌發率的影響Fig.1 Effect of aqueous extracts of A. subulatus on germination rate of T. aestivum

圖3 鉆形紫菀水浸提液對小麥和白菜鮮重的影響Fig.3 Effect of aqueous extracts of A. subulatus on fresh weight of T. aestivum and B. chinensis

圖4 鉆形紫菀水浸提液對小麥和白菜苗長的影響Fig.4 Effect of aqueous extracts of A. subulatus on shoot length of T. aestivum and B. chinensis

同一物種具有不同大、小寫字母表示分別在1%、5%水平上存在顯著性差異。下同。The data with the capital and normal letters in the same species respectively mean significant difference atP<0.01,P<0.05. The same below.

圖5 鉆形紫菀水浸提液對小麥和白菜根長的影響Fig.5 Effect of aqueous extracts of A. subulatus on root length of T. aestivum and B. chinensis

圖6 鉆形紫菀水浸提液對小麥和白菜SOD活性的影響Fig.6 Effect of aqueous extracts of A. subulatus on SOD activity of T. aestivum and B. chinensis

2.3 鉆形紫菀水浸提液對小麥和白菜保護酶活性的影響

鉆形紫菀水浸提液處理對小麥與白菜保護酶活性存在不同程度的抑制，且除白菜CAT活性外，其抑制作用隨水浸提液濃度增加而增強(圖6～8)。對于SOD而言，小麥僅在10～40 g·L-1濃度處理下與對照相比呈顯著性差異(P<0.05)，而白菜實驗組結果均與對照組呈極顯著差異(P<0.01)(圖6)，2種植物最低化感效應指數分別為-0.421和-0.339(表2)。對于POD而言，小麥與白菜的實驗組結果均與對照組呈極顯著差異(P<0.01)(圖7)，最低化感效應指數分別為-0.149與-0.448(表2)。對于小麥CAT活性而言，實驗組結果均與對照組呈顯著性差異(P<0.05)，且在10～40 g·L-1水浸提液處理下的結果與對照相比達到極顯著差異水平(P<0.01)(圖8)。隨濃度的增加，鉆形紫菀水浸提液對白菜CAT活性表現出復雜的影響，實驗組CAT活性均低于對照組并與對照組呈極顯著差異(P<0.01)；而在實驗組內，白菜CAT活性隨水浸提液濃度增加呈波動的變化趨勢，在20 g·L-1水浸提液處理下達到最低水平(化感效應指數為-0.520)，且僅5和20 g·L-1水浸提液處理下的CAT活性存在顯著性差異(P<0.05)。

圖7 鉆形紫菀水浸提液對小麥和白菜POD活性的影響Fig.7 Effect of aqueous extracts of A. subulatus on POD activity of T. aestivum and B. chinensis

圖8 鉆形紫菀水浸提液對小麥和白菜CAT活性的影響Fig.8 Effect of aqueous extracts of A. subulatus on CAT activity of T. aestivum and B. chinensis

2.4 鉆形紫菀水浸提液對小麥和白菜丙二醛含量的影響

隨鉆形紫菀水浸提液濃度的增加，小麥丙二醛含量呈先下降后上升的趨勢(圖9)，在5和10 g·L-1水浸提液處理下小麥丙二醛含量略下降，這可能是小麥對低脅迫環境的生理響應，在20 g·L-1水浸提液處理下小麥丙二醛含量高于對照，但未呈顯著性差異，僅在40 g·L-1水浸提液處理下與對照相比表現出極顯著差異(P<0.01)，化感效應指數為0.244，這說明水浸提液對小麥丙二醛含量影響較小。白菜丙二醛含量隨鉆形紫菀水浸提液濃度增加而逐漸上升，實驗組結果均與對照組呈顯著性差異(P<0.05)，其中在40 g·L-1處理中丙二醛含量遠高于對照，化感效應指數為0.472(表2)，表明水浸提液對白菜丙二醛含量的影響較小麥大(圖9)。

2.5 鉆形紫菀水浸提液對小麥和白菜細胞差別透性的影響

隨著水浸提液濃度增大，小麥和白菜的電解質外滲程度增加，說明化感物質破壞了這兩種受體植物的膜系統(圖10)。小麥的實驗處理結果與對照均呈極顯著差異(P<0.01)；在5 g·L-1水浸提液處理下白菜電解質外滲率與對照組無顯著性差異，在其他濃度下呈極顯著差異(P<0.01)。從兩種植物在各濃度水浸提液處理下的化感效應指數來看，小麥膜系統受到的破壞更大(表2)。

2.6 鉆形紫菀水浸提液對小麥和白菜葉綠素含量的影響

小麥和白菜的葉綠素含量隨著水浸提液濃度的增加而下降(圖11)。在各濃度水浸提液處理下，小麥葉綠素含量與對照相比均呈極顯著差異(P<0.01)，白菜葉綠素含量與對照相比則呈顯著性差異(P<0.05)，在10～40 g·L-1濃度水浸提液處理下，白菜葉綠素含量與對照相比呈極顯著差異(P<0.01)，說明鉆形紫菀水浸提液對小麥和白菜葉綠素含量存在化感抑制效應。從表2可知，除10 g·L-1水浸提液處理外，總體上白菜葉綠素含量受鉆形紫菀水浸提液的影響更大。

2.7 鉆形紫菀水浸提液對小麥和白菜根系活力的影響

鉆形紫菀水浸提液對小麥和白菜根系活力具有抑制作用，且抑制作用隨水浸提液濃度增加而增強。與對照相比，各濃度水浸提液均對小麥根系活力造成了顯著的抑制作用(P<0.05)，化感效應指數為-0.580至-0.260；而5 g·L-1水浸提液處理下，白菜根系活力與對照無顯著性差異，在10～40 g·L-1的水浸提液處理下

圖9 鉆形紫菀水浸提液對小麥和白菜丙二醛含量的影響Fig.9 Effect of aqueous extracts of A. subulatus on MDA content of T. aestivum and B. chinensis

圖10 鉆形紫菀水浸提液對小麥和白菜細胞差別透性的影響Fig.10 Effect of aqueous extracts of A. subulatus on membrane permeability of T. aestivum and B. chinensis

圖11 鉆形紫菀水浸提液對小麥和白菜葉綠素含量的影響Fig.11 Effect of aqueous extracts of A. subulatus on chlorophyll content of T. aestivum and B. chinensis

圖12 鉆形紫菀水浸提液對小麥和白菜根系活力的影響Fig.12 Effect of aqueous extracts of A. subulatus on root activity of T. aestivum and B. chinensis

則呈極顯著差異(P<0.01)，化感效應指數為-0.474至-0.057。由表2可知，小麥根系活力受鉆形紫菀水浸提液的抑制較白菜大(圖12)。

2.8 鉆形紫菀水浸提液對小麥和白菜的化感綜合效應

鉆形紫菀水浸提液對小麥和白菜的化感綜合效應(SE)均為負值，且隨著水浸提液濃度增加而降低，意味著鉆形紫菀對小麥與白菜具有化感抑制作用并隨著水浸提液濃度增加而增強。此外，白菜在各個濃度水浸提液處理下的化感綜合效應(SE)絕對值均大于小麥，說明總體而言，鉆形紫菀對白菜的抑制作用強于小麥(表2)。

表2 鉆形紫菀水浸提液對小麥和白菜的化感綜合效應Table 2 Allelopathic effect of aqueous extracts of A. subulatus of T. aestivum and B. chinensis

3 討論

“化學武器假說”認為，部分入侵植物可以通過向外界環境釋放化學物質以抑制周邊其他植物的萌發與生長，從而獲得更多的空間、水分與營養，進而取代伴生植物[21]。目前，鉆形紫菀已成功入侵中國十多個省區，并不斷向鄰近區域擴散，且MAXENT模型預測表明其潛在分布網格數占中國網格總數的26.33%，這意味著鉆形紫菀具有極強的入侵能力[22]。結果表明，隨著鉆形紫菀水浸提液濃度的增加，本土作物小麥與白菜在萌發、生長以及相關生理指標上受到的抑制增強，意味著鉆形紫菀能夠分泌化學物質抑制本土作物小麥和白菜的萌發與生長，從而在與這2種植物的競爭中取得優勢，說明鉆形紫菀對本土植物的化感抑制效應可能是其入侵能力的來源之一。根據結果推測，當鉆形紫菀釋放的化感物質與某些本土植物接觸時，能降低植物細胞保護酶系統(CAT、POD、SOD)的活性，植物組織清除氧自由基的能力下降，使得生物膜系統受到氧自由基的攻擊而被破壞，膜脂過氧化并產生大量丙二醛，細胞膜透性增加，細胞內容物大量外滲，導致電導率上升；另外，本土植物的呼吸作用在此過程中也會受到抑制，根系活力下降導致植物養分吸收受限，代謝受阻，被鉆形紫菀進一步排擠；此外，鉆形紫菀的化感物質還會降低某些本土植物的葉綠素含量，從而使植物光合速率降低，生長緩慢。本土受體植物在鉆形紫菀化感物質影響下的生理變化最終使其宏觀上表現出萌發延遲以及幼苗弱小的特征，其建群過程受阻，競爭力不足，導致鉆形紫菀能夠迅速占領群落空間并形成單一優勢群落。

不同濃度鉆形紫菀水浸提液對小麥與白菜不同的指標的影響不同。例如：小麥萌發對較低濃度鉆形紫菀水浸提液不敏感，但在高濃度水浸提液處理下(20和40 g·L-1)受到的抑制較白菜大；各濃度水浸提液對小麥鮮重和苗長的抑制更強，而白菜根長在10～40 g·L-1水浸提液處理下受到的抑制較小麥強；小麥與白菜不同生理指標受到水浸提液的影響具有一定差別，但綜合來看，白菜生理指標受到的抑制更大。綜合考慮所有指標可知，相比小麥，各濃度鉆形紫菀水浸提液對白菜表現出更強的化感抑制效應(表2)。這可能是由于小麥的種子實際上是穎果，果實具有胚乳無子葉，且較白菜種子更大，儲存更多營養，能夠在一定程度上更好地彌補自身受到的抑制[23]；種子的大小也影響到了小麥和白菜的營養生長，小麥的根系更為粗壯[24]，許多研究表明，化感物質能夠直接破壞受體植物的根尖分生結構，抑制分生細胞有絲分裂[25-26]，故小麥粗壯的根系可能對鉆形紫菀化感物質的抵御作用更強(這也基本符合本研究關于鉆形紫菀水浸提液對小麥與白菜根長影響的結果)，從而使得小麥植株受到的化感抑制效應更小，這可為鉆形紫菀的防治對策提供參考。此外，某些本土植物對入侵植物也會具有類似的化感抑制作用從而能夠在一定程度上抵御鉆形紫菀的入侵。鑒于鉆形紫菀具有快速擴散的趨勢，而且農田、草地等生態系統由于物種單一、抵御力較差而更容易受到鉆形紫菀的侵入，因此可以進一步著眼于篩選出對鉆形紫菀具有強烈化感抑制效應或對鉆形紫菀化感抑制效應具有耐受性的本土植物，探討在鉆形紫菀發生區的合理種植模式，從而達到控制鉆形紫菀的目的。

4 結論

鉆形紫菀水浸提液對小麥和白菜的萌發和生長具有抑制作用，且總體而言隨濃度增加其抑制作用增強，這是通過抑制保護酶(SOD、POD、CAT)活性、破壞膜系統、降低根系活力和葉綠素含量來實現的。說明鉆形紫菀對某些本土植物具有化感抑制效應，并能夠阻礙其建群過程、降低其競爭力，從而實現自身對空間以及資源的占據，進而形成單一優勢群落。綜合考慮所有指標可知，相比白菜，小麥對鉆形紫菀分泌的化感物質敏感性更低，說明小麥在某種程度上能更好地抵御鉆形紫菀的入侵，這與其種子構造和大小相關，可為鉆形紫菀的防除提供參考。