4種菊科入侵植物葉水浸提液對狗牙根種子萌發的化感作用

蔣智林, 楊麗萍, 申 科，劉萬學

(1. 普洱學院農林學院, 云南 普洱 665000; 2. 復旦大學中西醫結合研究院傳統藥物比較研究所, 上海 200040; 3. 植物病蟲害生物學國家重點實驗室/中國農業科學院植物保護研究所, 北京 100094)

【研究意義】在替代控制和生態恢復中，替代植物的選擇與應用往往是能否成功建群和生態抵御的關鍵。研究替代植物的種子對入侵植物影響的反應方式和程度，則是闡明替代植物抵御入侵植物或替代控制入侵植物機制的首要環節。因而，研究入侵植物提取液對狗牙根種子萌發的影響，可為應用狗牙根抵御入侵植物入侵及替代控制相關入侵植物的可行性及技術開發提供基礎數據和理論參考。【前人研究進展】植物的化感作用是植物通過淋溶、揮發、殘體分解和根系分泌等方式向環境釋放化學物質，從而對周圍植物(包括微生物)產生直接或間接有害作用，及可能產生的有益作用和自毒效應[1]。外來入侵植物能夠通過與本地植物的直接生長競爭爭奪資源，還可通過釋放化感物質對入侵生境的土著生物進行抑制、排擠和毒殺，從而獲得豐富的生存資源，在與新生境物種的生長競爭中取勝[2]。化感作用被認為是外來植物入侵成功的重要因素之一[3]。如：紫莖澤蘭(AgeratinaadenophoraSpreng.)[4]、飛機草[Chromolaenaodoratum(L.) R. King et H. Rob.][5]、豚草(Ambrosiaartemisiifolia)[6]、薇甘菊(Mikaniamicrantha)[7]、腫柄菊(Tithoniadiversifolia)[8]、五爪金龍(Ipomoeacairica)[9]、小飛蓬(ConyzaCanadensis)[10]、加拿大一枝黃花(Solidagocanadensis)[11]和馬纓丹(Lantanacamara)[12]均能夠通過釋放出各種化感物質而抑制土著植物種子萌發或生長從而獲得自身的生長競爭優勢。研究表明，不同入侵植物不同部位的浸提液能夠抑制受體植物種子的萌發與生長；如腫柄菊的根、莖、葉水浸液對玉米(ZeamaysL.)、水稻(OryzasativaL.)、油菜(BrassicacampestrisL.)、豌豆(PisumsativumL.)、綠豆[Vignaradiata(Linn.) Wilczek]5 種植物種子發芽和生長均具有化感作用[13]；紫莖澤蘭葉片水浸提取物對6種豆科植物的種子發芽率和幼苗有化感作用[14]；小飛蓬水提物不同萃取液對剪股穎(AgrostisgiganteanRoth) 和萵苣(LactvacsaivaL.)的發芽和幼苗生長具有不同強度的化感效應[15]；飛機草浸提液對豇豆(VignasinensisL.)、青瓜(CucumissativusL.)、蘿卜(RaphanussativaL.)、菜心(BrassicaparachinensisL.)、小白菜(BrassicachinensisL.)、大白菜(Brassicaperkinensis)、水稻(OryzasativaL.)、稗草[Echinochloaoryzicola(Vasing) Ohwi.]、任豆(ZeniainsignisChun)和熱研二號柱花草(Stylosanthesguianensiscv. Reyan Ⅱ)種子發芽和幼苗生長均具有化感效應[5,16-17]。狗牙根(Cynodondactylon)為禾本科狗牙根屬草本植物，是最具代表性的暖季型草坪草，廣泛分布于歐洲、亞洲的熱帶及亞熱帶地區，在中國華北、西南及長江中下游等地有著廣泛應用[18]。由于其繁殖力和匍匐莖蔓延力很強，在地面平鋪性能好，且具有抗旱、抗鹽及耐重金屬等優點[19]，因而被廣泛用作固堤保土[20]、鋪建草坪等綠地的建植[21]和生態恢復[22]。但狗牙根能否抵御紫莖澤蘭、小飛蓬、飛機草和腫柄菊等入侵植物的入侵或可否通過狗牙根發揮替代控制作用恢復已被這些物種入侵生境的生態，目前尚少有研究。【本研究切入點】本研究采用室內生物監測法，應用不同濃度的紫莖澤蘭、小飛蓬、飛機草和腫柄菊等4種菊科入侵植物葉水浸提液對狗牙根種子的發芽率、發芽勢和化感效應影響進行比較研究【擬解決的關鍵問題】評價4種入侵植物對狗牙根的化感效應及其作用規律。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗用紫莖澤蘭、小飛蓬、飛機草和腫柄菊4種入侵植物植株的葉均于2018年4-11月采自云南省普洱市思茅區郊區；狗牙根種子購自于普洱當地農業種子公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 供試材料處理 將采集到的植物葉在60 ℃溫度下烘干，用粉碎機粉碎過40目篩后，在干燥處保存。

1.2.2 浸提液制備 參照桂富榮等[4]、林春蕊等[5]、高興祥等[10]、及梁曉華等[13]的方法，分別稱取供試材料各10 g，按W(樣品)∶V(蒸餾水)=1∶10加入蒸餾水，在常溫條件下用搖床振蕩提取48 h，依次用4層紗布和定性濾紙過濾，濾液即為水浸提液母液(0.10 g·mL-1)，置于4 ℃冰箱內保存備用。實驗時，將母液配置成0.25、0.50、1.00和2.00 g·L-14個濃度梯度溶液，以蒸餾水作為對照處理。

1.2.3 種子萌發實驗 采用培養皿濾紙法進行種子萌發實驗[23]。隨機選取成熟、籽粒飽滿的狗牙根種子置于鋪有2層濾紙的培養皿中，每個培養皿放50粒種子，然后分別加入適量的處理液(對照則加入適量蒸餾水)，以濾紙充足吸水,濾紙周邊無余水，種子周圍不形成液膜為度；在25 ℃、80%濕度、光照度1600 lx和光照時間12 h·d-1的條件下培養，每隔24 h檢查濾紙干燥情況，如發現濾紙有部分干燥，即補充處理液或蒸餾水(對照)至上述標準，以胚根突破種皮1 mm，胚芽為種子長1/2為發芽標準，每日記錄發芽數；共記錄28 d；實驗重復3次。

1.3 數據統計與分析

種子發芽率(Seed germination rate, GR)、發芽勢(Seed germination potential, GP)及化感效應指數(Response Index of allelopathic effect, RI)按下列公式計算：

GR%=SN1/SN0×100

(1)

GP%=SNmax/SN0×100

(2)

RI=1-C/T(T≥C)或RI=C/T-1(T

(3)

式中：SNl為供試種子發芽粒數，SN0為供試種子總粒數，SNmax為種子發芽達到最高峰時種子發芽粒數，以最初7 d內發芽種子數計；C為對照種子發芽率，T為處理種子發芽率。RI表示化感作用強度，正值表示促進效應，負值表示抑制效應，其絕對值大小反映化感作用的強弱。

不同物種在不同濃度條件下各指標的差異采用單因變量多因素方差分析(General Linear, Univariate)；不同物種參數間或同一物種間不同濃度間差異采用單因素方差分析(One-way ANOVA)，統計分析軟件為SPSS(SPSS 19.0 Inc., Chicago, USA)。

2 結果與分析

2.1 4種入侵植物葉水提液對狗牙根種子發芽率的影響

由表1可知，4種入侵植物葉水浸提液對狗牙根種子發芽率的化感抑制作用差異顯著(F=1558.18,P<0.05)，且隨著浸提液濃度的升高，其化感抑制效應均表現出遞增效應(F=2552.58，P<0.05)。狗牙根種子在0.00 g·L-1(CK)下的發芽率為39.3 %，隨著處理濃度升高，紫莖澤蘭、小飛蓬、飛機草和腫柄菊水浸提液使狗牙根種子發芽率與對照相比分別降低2.7 %～34.0 %； 8.0 %～34.7 %；13.3 %～36.0 %；及24.0 %～34.7 %。

在浸提液同一濃度下，4種入侵植物對狗牙根種子發芽率的抑制效應差異顯著(P<0.05)。在0.25、0.50和1.00 g·L-1濃度條件下，其抑制強度大小為紫莖澤蘭<小飛蓬<飛機草<腫柄菊(P<0.05)；在2.00 g·L-1濃度條件時，4種入侵植物總體上對狗牙根種子表現出顯著的抑制效應(F=6.33，P=0.02)，飛機草在該濃度下對狗牙根種子發芽率抑制強度最大(P<0.05)，而其他3種入侵植物間對狗牙根種子發芽率抑制效應無顯著差異(P>0.05)。

2.2 4種入侵植物葉水提液對狗牙根種子發芽勢的影響

由表2可知，狗牙根種子的發芽勢在4種入侵植物葉水浸提液處理下均表現出顯著差異(F=1222.86,P<0.05)，且隨著浸提液濃度的升高，狗牙根種子的發芽勢均表現出明顯遞減效應(F=2465.52,P<0.05)。狗牙根種子在0.00 g·L-1(CK)下的發芽勢為33.3；與對照條件相比，在0.25、0.50、1.00和2.00 g·L-1處理濃度下，紫莖澤蘭、小飛蓬、飛機草和腫柄菊水浸提液使狗牙根種子發芽勢分別降低6.0 %、11.3 %、15.3 %和31.3 %；11.3 %、15.3 %、20.0 %和21.3 %；11.3 %、26.0 %、30.0 %和32.7 %；及22.7 %、29.3 %、30.0 %和30.7 %。

表1 不同濃度入侵植物葉水浸提液對狗牙根種子發芽率的影響

表2 不同濃度入侵植物葉水浸提液對狗牙根種子發芽勢的影響

表3 不同濃度入侵植物葉水浸提液對狗牙根種子發芽的化感效應

在浸提液同一濃度下，狗牙根種子發芽勢在4種入侵植物間的差異顯著(F=2465.52,P<0.05)。在0.25、0.50、1.00和2.00 g·L-1濃度條件下，4種入侵植物浸提液所對應處理的狗牙根種子發芽勢大小分別為紫莖澤蘭>小飛蓬=飛機草>腫柄菊、紫莖澤蘭>小飛蓬=飛機草>腫柄菊、紫莖澤蘭>小飛蓬=飛機草>腫柄菊和紫莖澤蘭>小飛蓬=飛機草>腫柄菊。

2.3 4種入侵植物葉水浸提液對狗牙根種子萌發的化感效應

由表3可知，4種入侵植物葉水浸提液對狗牙根種子發芽率的化感效應敏感指數值差異顯著(F=52.47,P<0.05)，均隨浸提液濃度的升高，其化感效應敏感指數值均呈顯著升高趨勢(F=309.77,P<0.05)。在0.25 g·L-1濃度下，狗牙根種子對紫莖澤蘭、小飛蓬、飛機草和腫柄菊水浸提液的化感效應敏感指數值負值(-RI)分別為0.07、0.26、0.51和1.74；隨著濃度的升高，在濃度為0.50、1.00和2.00 g·L-1時，狗牙根種子對紫莖澤蘭、小飛蓬、飛機草和腫柄菊水浸提液的-RI分別為0.25 g·L-1時的4.28、6.04和87.66倍，2.16、2.69和29.10倍，3.05、4.11和21.06倍，2.03、3.66和4.26倍。

在浸提液同一濃度下，狗牙根種子化感效應指數值(-RI)在紫莖澤蘭、小飛蓬、飛機草和腫柄菊4種入侵植物間的差異顯著(F=52.47,P<0.05)。在0.25、0.50、1.00和2.00 g·L-1濃度條件下，4種入侵植物浸提液所對應處理的狗牙根種子-RI值大小分別為紫莖澤蘭<小飛蓬<飛機草<腫柄菊、紫莖澤蘭<小飛蓬<飛機草<腫柄菊、紫莖澤蘭<小飛蓬<飛機草<腫柄菊和紫莖澤蘭<小飛蓬=腫柄菊<飛機草。

3 討 論

外來入侵植物通過化感作用抑制入侵生境植物種子的萌發和生長是其成功入侵的重要原因，且這種化感作用對受體植物的影響效應強度與其濃度有密切關聯[13, 24-25]。外來入侵植物的化感作用可使其自身在與其他植物的生長競爭中據于有利地位，從而提高其生態競爭力而不斷擴散或形成單優群落[2, 26]。不同入侵植物不同部位的浸提液能夠抑制受體植物種子的萌發與生長。本研究中紫莖澤蘭、小飛蓬、飛機草和腫柄菊4種入侵植物葉水浸提液在不同濃度下對狗牙根種子的萌發均具有化感抑制效應，且隨著其濃度的增大其抑制效應越強(表1, 表2)。已有研究亦表明，腫柄菊的根、莖、葉水浸液對玉米(ZeamaysL.)等5 種植物[21]、紫莖澤蘭對豆科與蘆科植物[14]、小飛蓬水提物不同萃取液對剪股穎(AgrostisgiganteanRoth) 和萵苣(LactvacsaivaL.)[15]、飛機草浸提液對豇豆(VignasinensisL.)等9種植物[5,16-17]的種子發芽和幼苗生長均具有化感效應，總體表現出低促高抑現象[31]，且隨著其濃度增大而其抑制效應越強。可見，外來入侵植物紫莖澤蘭、小飛蓬、飛機草和腫柄菊在一定條件下對狗牙根種子萌發均會產生強烈的化感抑制作用。

本研究表明，不同入侵植物浸提液化感作用對狗牙根種子萌發的抑制作用強度也表現出了明顯的差異，在低濃度下，腫柄菊浸提液的抑制作用最強，最弱的是紫莖澤蘭；在高濃度下，小飛蓬浸提液的抑制作用最強，紫莖澤蘭最弱。此外，紫莖澤蘭對狗牙根種子萌發抑制作用的濃度依賴性最強，其次為小飛蓬和飛機草，而腫柄菊的濃度依賴性最弱；因而在狗牙根面臨4種入侵植物入侵或考慮利用狗牙根進行替代控制時，我們需要充分考慮這一因素，及時采取措施，避免和降低4種入侵植物化感物質的積累對狗牙根種子萌發造成的不利影響。

入侵植物的化感作用主要形式是以掉落物進入自然生態系統當中而產生影響。一方面掉落物會分解成為有機質和各種養分，從而提供營養而促使植物的生長；另一方面，掉落物在分解的過程中會釋放各種化學物質，或者結合土壤生態系統中的物質與有機生命體，從而改變物種間的競爭效應[27-29]。本研究中紫莖澤蘭、小飛蓬、飛機草和腫柄菊4種入侵植物葉水浸提物在0.25 g·L-1這一低濃度時就對狗牙根種子表現出顯著的化感抑制效應，而有相關研究表明，在比本研究高的濃度下，入侵植物浸提液對部分植物種子的萌發沒有顯著影響，甚至有輕微促進作用，如腫柄菊葉水提取物在20和10 g·L-1濃度下對豌豆和綠豆種子萌發率無影響[13]，豚草的莖葉提取物在100 g·L-1濃度下對小麥的萌發有輕微促進作用[6]；飛機草在2、100 g·L-1濃度下對稗草種子的萌發，在2、10 和100 g·L-1下對青瓜種子的萌發有輕微促進作用[16]，說明入侵植物浸提液對不同植物種子的作用規律可能存在差異。此外，與其他研究一般將處理濃度設在2～200 g·L-1相比，本研究雖已將實驗濃度設置在較低的水平(0.25～2.0 g·L-1)，但在現實生態系統中，入侵植物的化感物質通過掉落物緩慢釋放，在初期時其濃度會比較低，其濃度會與凋落物的量和堆積程度密切相關[30]，這樣產生的化感效應往往會呈現出時序效應，因而浸提液低濃度(0.25 g·L-1)仍可能高于現實生態系統中入侵植物入侵初期凋落物的溶解濃度，需在進一步研究中進行更低濃度的試驗設置對其化感效物質是否存在促進效應予以驗證。因此，在研究紫莖澤蘭、小飛蓬、飛機草和腫柄菊4種入侵植物以及其他入侵植物化感作用對受體植物種子萌發與幼苗生長的影響中，可以由低到高設置更寬幅度的濃度梯度，或者在自然界取入侵程度不等區域的土壤直接研究其對受體植物的化感影響，以便更好明確其化感效應的作用強度與規律，從而更好為入侵植物機理的闡述和生態恢復策略的運用提供更加科學的理論參考。

4 結 論

紫莖澤蘭、小飛蓬、飛機草和腫柄菊葉片水浸提液(0.25～2.00 g·L-1)對狗牙根種子發芽均有顯著抑制效應，隨著濃度的升高，葉水浸提液對狗牙根種子發芽率、發芽勢抑制作用和化感效應均依次增強，且在高濃度(2.00 g·L-1)處理時，飛機草的抑制作用最強，其它3種間無顯著差異。4種菊科入侵植物均對狗牙根的種子萌發產生較強的化感效應，在應用狗牙根進行替代控制和生態恢復時需充分考量這一因素，采取相應措施加以應對。