天仙子種子浸提液對黑麥草種子萌發(fā)和幼苗生長的化感作用

馬銀山, 常 妍, 王含睿, 賈云鳳, 李文英, 漆瑞強

(河西學(xué)院農(nóng)業(yè)與生態(tài)工程學(xué)院, 甘肅 張掖 734000)

化感作用是指一種植物通過向環(huán)境中釋放化學(xué)物質(zhì)(即化感物質(zhì))而對另一種植物產(chǎn)生的直接或間接的作用，又叫異株克生[1]。化感作用對于牧草的合理種植、雜草控制、林草間作等方面研究具有重要意義，在植被恢復(fù)以及農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)中起著重要的作用。現(xiàn)已鑒別具有活性的化感物質(zhì)有14類，可由植物各個器官通過揮發(fā)、根系分泌、淋溶、植物殘體分解等方式釋放到環(huán)境中[2]，對周圍其它植物產(chǎn)生影響，使之處于生存競爭優(yōu)勢地位，有利于擴大自己的生存空間和種群數(shù)量[3-4]。

化感抑草是化感研究的一個重要內(nèi)容[5]。目前，常見的化感作用研究是測定一種植物的根、莖、葉浸提液對另一種植物種子萌發(fā)以及生長發(fā)育的抑制或促進。一些研究表明，不同濃度的藍桉葉(EucalyptusmaideniF.)浸提液對黑麥草(LoliumperenneL.)種子萌發(fā)表現(xiàn)為低濃度促進，高濃度抑制趨勢，浸提液使黑麥草幼苗超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase，SOD)，過氧化物酶(Peroxidase，POD)活性先上升后下降，丙二酫(Malondialdehyde，MDA)含量逐漸增加[6]。多裂駱駝蓬(Peganummultisectum(Maxim.) Bobr.)水浸液能顯著抑制黑麥草種子萌發(fā)，使種子萌發(fā)率、發(fā)芽指數(shù)、根長、株高、干重下降，抑制作用隨水浸液濃度的提高而增強；水浸液能顯著提高黑麥草MDA含量；SOD，POD，抗壞血酸過氧化物酶(Aseorbate peroxidase，APX)隨水浸液濃度的提高先升后降[7]。藥用植物含有特定生理活性物質(zhì)，如生物堿、酚酸、黃酮等，而這些物質(zhì)又往往是植物的次生代謝物質(zhì)，分布在根、莖、種子等器官中，所以藥用植物更易釋放化感物質(zhì)，產(chǎn)生化感作用。

天仙子(HyoscyamusnigerL.)為茄科天仙子屬一年生或二年生植物，以種子入藥，具有影響神經(jīng)系統(tǒng)的托烷類生物堿，有解攣鎮(zhèn)痛、安神的功能，主要化學(xué)成分為莨菪堿、阿托品、脂肪油等，以根部及種子中生物堿含量較高[8]。天仙子在甘肅省肅南裕固族自治縣的康樂草地屬入侵種，廣泛分布于草地以及路旁，牲畜采食后易中毒。黑麥草為禾本科優(yōu)質(zhì)牧草，廣布于路邊、草場等，在康樂草地非優(yōu)勢種，但常做為青貯牧草種植。在康樂草地，天仙子往往入侵當(dāng)?shù)夭輬觯瑢?dǎo)致草場牧草質(zhì)量降低，且會因機械采收，將天仙子采收混入青貯飼料中，導(dǎo)致牲畜中毒。為此，本文以天仙子和黑麥草為對象，研究不同濃度天仙子種子浸提液對黑麥草種子萌發(fā)和幼苗生長的生理生化影響，揭示天仙子與黑麥草之間化感作用的機理，為肅南草地雜草生物防治和青貯牧草合理種植提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 參試材料

供試材料采于甘肅省肅南裕固族自治縣康樂草原(39°13′N，99°28′E)，海拔2 700～3 100 m，年降水量558 mm，年平均氣溫2.0℃，無霜期3個月，植物生長季雨水充沛。其中，天仙子種子采集于康樂草原路邊和草地中，黑麥草種子由肅南當(dāng)?shù)啬撩裉峁?/p>

1.2 天仙子浸提液的制備

將天仙子種子沖洗干凈，風(fēng)干粉碎，稱取粉碎樣品100 g，置于三角瓶中，加入1 000 mL蒸餾水，在常溫下浸提48 h(每隔12 h搖動10 min)，過濾得天仙子種子浸提液母液(濃度為0.1 g·mL-1)，取母液加蒸餾水稀釋，分別獲得濃度為0.025，0.05,0.075，0.1 g·mL-1的浸提液，置于4℃冰箱中備用[9]。

1.3 種子萌發(fā)試驗

用培養(yǎng)皿濾紙法測定不同濃度天仙子種子浸提液對黑麥草種子萌發(fā)的影響。將經(jīng)過消毒，用蒸餾水沖洗干凈的籽粒飽滿、大小一致的黑麥草種子，置于墊有兩層濾紙的培養(yǎng)皿中，每個培養(yǎng)皿中放入30粒種子，共5組處理，每組4個重復(fù)。試驗時，分別取5 mL 0.025，0.05，0.075，0.1 g·mL-1濃度的天仙子種子浸提液，加入黑麥草種子萌發(fā)培養(yǎng)皿中，測定種子萌發(fā)和幼苗生長情況。將培養(yǎng)皿放入25℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)10 d，對照組加5 mL蒸餾水，試驗期間，每2 d在培養(yǎng)皿中加2 mL蒸餾水，保持濾紙濕潤，每天定時統(tǒng)計黑麥草種子萌發(fā)數(shù)，10 d后按照下式分別計算發(fā)芽率(GR)和發(fā)芽指數(shù)(GI)。

GR=∑Gt/N

(1)

式中：Gt為10 d內(nèi)正常發(fā)芽種子數(shù)，N為供試種子數(shù)；

GI=∑(Gt/Dt)

(2)

式中：Gt為t日的發(fā)芽數(shù)，Dt為相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù)。

1.2.3幼苗相關(guān)指標(biāo)的測定 幼苗生長采用沙床培養(yǎng)，避免土壤肥力對植株的影響。將沙子洗凈晾干，置于恒溫干燥箱中120℃下烘干，然后在發(fā)芽盒中裝入盒高三分之二沙子。選取籽粒飽滿、大小一致的黑麥草種子，消毒后用蒸餾水清洗干凈，每個發(fā)芽盒均勻放入30粒種子，共5組，每組4個重復(fù)。待植株長出3 cm后，在各個發(fā)芽盒中，按處理分別施加5 ml稀釋后4個濃度梯度的天仙子種子浸提液，對照組加蒸餾水，以后各處理均補充蒸餾水，以保證幼苗的生長，等幼苗施加浸提液生長20 d后進行測量。每組每個重復(fù)隨機取5株，測量黑麥草幼苗根長和株高，將植株放在85℃烘箱中烘至恒重，分別稱量地下生物量和地上生物量。分別取5 g的新鮮幼苗測定各項生理指標(biāo)，其中丙二醛含量采用硫代巴比妥酸法測定[10]；脯氨酸含量采用酸性茚三酮法測定[11]；相對電導(dǎo)率采用DDS-307電導(dǎo)率儀測定[10]；葉綠素含量采用TYS-A型葉綠素測定儀測定。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

為了確定天仙子種子浸提液對黑麥草的化感效應(yīng)，根據(jù)所測數(shù)據(jù)，參照Williamson等[12-13]的方法計算化感綜合效應(yīng)指數(shù)(SE)。SE為處理下黑麥草的發(fā)芽率、地上生物量、地下生物量、株高、根長、MDA含量、脯氨酸含量、葉綠素含量化感效應(yīng)指數(shù)(RI)的平均值。

化感作用效應(yīng)指數(shù)RI，計算公式為：

RI=1-C/T(T≥C)；RI=T/C-1(T

(3)

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

采用SPSS 22.0統(tǒng)計分析軟件對數(shù)據(jù)進行差異顯著性檢驗(LSD法)，采用Microsoft Excel 2003軟件對數(shù)據(jù)進行處理和繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度天仙子種子浸提液對黑麥草種子萌發(fā)的影響

由圖1和表1所示，天仙子種子浸提液對黑麥草種子萌發(fā)率影響差異極顯著(P<0.01)。隨著天仙子種子浸提液濃度的增加，黑麥草種子的萌發(fā)率顯著降低，0.1 g·mL-1處理的黑麥草種子發(fā)芽率最低；天仙子種子浸提液對黑麥草種子發(fā)芽指數(shù)影響差異極顯著(P<0.01)，除天仙子種子浸提液在濃度為0.025 g·mL-1時，與對照相比其他處理對黑麥草種子發(fā)芽指數(shù)的影響均差異極顯著(P<0.01)，發(fā)芽指數(shù)隨著浸提液濃度的增大而降低，0.1 g·mL-1的天仙子種子浸提液對黑麥草種子發(fā)芽指數(shù)的抑制作用最大，發(fā)芽指數(shù)比對照降低了22.6%。

表1 不同浸提液處理下黑麥草種子萌發(fā)和幼苗生長生態(tài)指標(biāo)的方差分析結(jié)果Table 1 Analysis of variance of ecological indexes of Lolium perenne L. seed germination and seedling growth under different extracts

圖1 不同濃度的天仙子種子浸提液對黑麥草種子萌發(fā)率和發(fā)芽指數(shù)的影響Fig. 1 Effect of different concentrations of Hyoscyamus niger seed extract on seed germination rate and germination index of Lolium perenne L.注：圖中不同字母表示差異顯著(P<0.05),下同Note:There was significant difference in different letters at the 0.05 level,the same as below

2.2 不同濃度天仙子種子浸提液對黑麥草幼苗株高和根長的影響

不同濃度天仙子種子浸提液對黑麥草株高影響差異不顯著，對根長的影響差異極顯著(P<0.01)(表1)。天仙子種子浸提液濃度小于0.075 g·mL-1時，對黑麥草株高無影響，與對照相比差異不顯著；當(dāng)浸提液濃度為0.1 g·mL-1時，顯著抑制黑麥草根生長，與對照相比降低17%(圖2)。

圖2 不同濃度的天仙子種子浸提液對黑麥草幼苗株高和根長的影響Fig.2 Effect of different concentrations of Hyoscyamus niger seed extract on seedling height and root length of Lolium perenne

2.3 天仙子種子浸提液對黑麥草幼苗地上生物量和地下生物量的影響

由表1和表2可以看出，不同濃度的天仙子種子浸提液對黑麥草地上生物量有極顯著影響(P<0.01)，對地下生物量有顯著影響(P<0.05)。天仙子種子浸提液對黑麥草幼苗地上生物量的影響表現(xiàn)為低促高抑現(xiàn)象，與對照相比，當(dāng)天仙子種子浸提液濃度小于0.05 g·mL-1時，黑麥草幼苗地上生物量顯著增加(P<0.05)，當(dāng)天仙子種子浸提液濃度大于0.05 g·mL-1時，麥草幼苗地上生物量顯著減少(P<0.05)。黑麥草地下生物量隨天仙子種子浸提液濃度增加而減小，0.1 g·mL-1浸提液處理下，與對照相比，黑麥草地下生物量減少了31%。

表2 天仙子種子浸提液對黑麥草幼苗地上生物量和地下生物量的影響Table 2 Effects of seed extracts from fairyland on aboveground and underground biomass of Ryegrass Seedlings

2.4 不同濃度天仙子種子浸提液對黑麥草幼苗生理指標(biāo)的影響

2.4.1浸提液對黑麥草幼苗丙二醛和脯氨酸含量的影響 由圖3和表3可以看出，天仙子種子浸提液對黑麥草幼苗MDA含量影響差異極顯著(P<0.01)。除天仙子種子浸提液處理為0.025 g·mL-1，其他處理的黑麥草幼苗MDA含量與對照相比均顯著升高(P<0.05)；天仙子種子浸提液對黑麥草幼苗脯氨酸含量影響差異極顯著(P<0.01)。當(dāng)天仙子種子浸提液濃度小于0.05 g·mL-1時，黑麥草幼苗脯氨酸含量與對照相比差異不顯著；天仙子種子浸提液濃度大于0.075 g·mL-1時，與對照相比，黑麥草幼苗脯氨酸含量顯著增加(P<0.05)。

圖3 不同濃度的天仙子種子浸提液對黑麥草幼苗MDA和脯氨酸含量的影響Fig.3 Effect of different concentrations of Hyoscyamus niger seed extract content of Lolium perenne for MDA and proline

2.4.2浸提液對黑麥草幼苗相對電導(dǎo)率和葉綠素含量的影響 由表3和圖4所示，不同濃度天仙子種子浸提液對黑麥草相對電導(dǎo)率影響差異極顯著(P<0.01)。濃度為0.025 g·mL-1時，天仙子種子浸提液對黑麥草葉片相對電導(dǎo)率與對照相比差異不顯著，當(dāng)浸提液濃度大于0.05 g·mL-1時，黑麥草葉片相對電導(dǎo)率顯著升高(P<0.05)；不同濃度的天仙子種子浸提液對黑麥草葉綠素含量有極顯著的影響(P<0.01)，隨著天仙子種子浸提液濃度的增大，黑麥草幼苗葉綠素含量逐漸降低，各處理與對照相比，差異顯著(P<0.05)。天仙子種子浸提液濃度為0.1 g·mL-1時，與對照相比，黑麥草幼苗葉綠素含量減少了30%。

表3 不同浸提液處理下黑麥草幼苗生長生理指標(biāo)的方差分析結(jié)果Table 3 Analysis of variance of physiological indexes of ryegrass seedling growth under different extracts

圖4 不同濃度的天仙子種子浸提液對黑麥草幼苗相對電導(dǎo)率和葉綠素含量的影響Fig4. Different concentrations of Hyoscyamus niger seed extract the relative influence of the conductivity and chlorophyll content of Lolium perenne seedlings

2.5 黑麥草對天仙子種子浸提液化感作用的敏感性比較

從化感綜合效應(yīng)作用指數(shù)來看(表4)，天仙子種子浸提液對黑麥草總體表現(xiàn)為抑制，會抑制黑麥草種子萌發(fā)和幼苗生長。化感作用指數(shù)從強到弱依次為發(fā)芽率>發(fā)芽指數(shù)>根長>地下生物量>株高>地上生物量，說明浸提液對種子萌發(fā)影響作用遠大于對植株的傷害作用。黑麥草抗逆性生理指標(biāo)MDA含量、脯氨酸含量和電導(dǎo)率表現(xiàn)為促進，也進一步說明天仙子種子浸提液對黑麥草植株具很大傷害作用。

表4 黑麥草對天仙子種子浸提液化感作用的綜合性比較Table 4 Comprehensive comparison of allelopathic effects of Lolium perenne L. on seed extracts of Hyoscyamus niger L.

3 討論

3.1 不同濃度的天仙子種子浸提液對黑麥草種子萌發(fā)的影響

種子萌發(fā)是植物生長發(fā)育和形態(tài)建成的基礎(chǔ)，是種子對外界環(huán)境最為敏感的階段。植物釋放的化感物質(zhì)首先通過影響受體生物膜系統(tǒng)，改變酶及其他蛋白質(zhì)的活性，調(diào)控激素的合成，進而影響種子的吸水、呼吸、貯藏物質(zhì)的調(diào)用等過程，影響種子的萌發(fā)[14]。同時，植物釋放的化感物質(zhì)，通過影響其他植物種子內(nèi)部物質(zhì)代謝及各種代謝關(guān)鍵酶的活性，特別是降低種子淀粉酶活性，抑制胚乳養(yǎng)分的分解和供應(yīng)，引起種子劣變，降低種子活力，導(dǎo)致萌發(fā)率降低和萌發(fā)時間延遲[15-16]。植物種子發(fā)芽時間延遲，出苗延后，發(fā)芽指數(shù)降低，嚴重影響其地上和地下資源的競爭能力，導(dǎo)致競爭失敗[17]。本研究中，不同濃度天仙子種子浸提液對黑麥草種子發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)具有不同程度的抑制作用。天仙子種子浸提液濃度大于0.05 g·mL-1時，對黑麥草種子發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)抑制作用顯著，且隨著天仙子種子浸提液濃度的增大，黑麥草種子的發(fā)芽指數(shù)和發(fā)芽率顯著降低。這與徐彩芹等[18]關(guān)于白喉烏頭水浸提液對黑麥草等4種禾本科牧草種子萌發(fā)的化感作用研究結(jié)果一致。

3.2 不同濃度的天仙子種子浸提液對黑麥草生長的影響

植物化感作用對受體的影響主要通過對受體植物苗長、根長、苗干重和根干重來表達[19]。不同濃度的浸提液對受體植物的影響存在顯著差異，供體植物浸提液化感物質(zhì)的濃度高，對受體植物生長抑制率就大，但是，當(dāng)化感物質(zhì)濃度未達到一定程度時，對受體植物生長有一定促進作用[20]。本研究中，不同濃度的天仙子種子浸提液對黑麥草地上生物量表現(xiàn)為低濃度促進、高濃度抑制的雙重作用，原因可能是低濃度下有限的化感物質(zhì)，并未達到抑制黑麥草生長的濃度；另一方面，低濃度處理下，雖然化感物質(zhì)作用不明顯，但浸提液中的有機質(zhì)及其他營養(yǎng)物質(zhì)可能對生長有利，因而表現(xiàn)為促進作用。化感物質(zhì)可通過抑制細胞分裂和生長，阻止胚根生長進而抑制幼苗生長[21]，本研究與該結(jié)果相一致。不同濃度天仙子種子浸提液處理下，黑麥草地下生物量減少，可能是化感物質(zhì)作用下，使植物根系脫氫酶活性和分枝程度降低，側(cè)根數(shù)目減少，體積減少等原因造成的[22]。從表4可以看出，黑麥草幼苗的根受化感物質(zhì)的影響比植株地上部分更為敏感，說明天仙子種子浸提液對黑麥草的不同部位化感效應(yīng)程度不同。不同濃度天仙子種子浸提液對黑麥草幼苗根的抑制作用要比對苗的抑制作用強，可能是因為黑麥草幼苗的根直接接觸天仙子種子浸提液，從生長開始就直接受化感物質(zhì)的影響，而地上部分幼苗的生長通過根吸收營養(yǎng)外，一定時間內(nèi)還可以從胚內(nèi)吸收養(yǎng)分，因此，幼苗的化感效應(yīng)敏感度相對滯后于根。

3.3 不同濃度的天仙子種子浸提液對黑麥草幼苗生化指標(biāo)的影響

化感物質(zhì)破壞受體植物細胞膜是化感抑制作用機制之一[23]。受體植物由于化感作用造成細胞傷害，植物體內(nèi)活性氧自由基代謝失衡，引起自由基積累以及膜脂過氧化，導(dǎo)致膜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能受損，進而影響植物生長發(fā)育過程[24-25]。MDA作為機體受到逆境脅迫后膜脂過氧化的產(chǎn)物，其含量多少可代表質(zhì)膜受損程度的大小，它可與膜蛋白發(fā)生交聯(lián)作用，使膜透性增大，又可與細胞內(nèi)各種成分發(fā)生反應(yīng)，使膜系統(tǒng)中多種酶受到嚴重的損傷。本研究中，不同濃度的天仙子種子浸提液處理下，黑麥草幼苗MDA含量均高于對照，說明黑麥草幼苗在天仙子種子浸提液的影響下，發(fā)生了膜脂過氧化反應(yīng)，導(dǎo)致細胞膜受損，引起MDA含量增高。

脯氨酸含量也是植物在逆境條件下的自衛(wèi)反應(yīng)之一，細胞內(nèi)脯氨酸含量增加，可維持細胞的滲透壓，同時可以保護酶和膜系統(tǒng)免受毒害[26]。隨著天仙子種子浸提液濃度增大，黑麥草植株體內(nèi)脯氨酸含量顯著增加，這說明，黑麥草在化感物質(zhì)的影響下，可能通過增加植株體內(nèi)脯氨酸含量來提高細胞的滲透調(diào)節(jié)能力，調(diào)節(jié)自身代謝，防止水分外滲，同時增強細胞的抗氧化能力，維持電解質(zhì)平衡，以適應(yīng)不利環(huán)境。

電導(dǎo)率是一個間接評定質(zhì)膜完整性及細胞膜滲透性的指標(biāo)，其高低的變化反映了植物細胞膜遭到破壞的程度，細胞膜結(jié)構(gòu)功能改變必然會影響植物對礦質(zhì)元素吸收，以及蛋白質(zhì)合成和酶功能的改變，進而影響植物生長[27]。隨著天仙子種子浸提液濃度的增大，黑麥草幼苗相對電導(dǎo)率明顯增大，浸提液濃度越高，增加越明顯，說明細胞膜受損程度越大。梁靜等[28]在白三葉殘體腐解液對5種草坪草的種子萌發(fā)和幼苗生理特性的研究中得到了相同結(jié)論。

葉綠素是光合作用的關(guān)鍵色素，葉綠素含量高低能反映植物利用光能以及制造有機物的能力，在環(huán)境脅迫或外界干擾條件下，植物生長受抑制，植株養(yǎng)分含量表現(xiàn)出“濃縮/稀釋效應(yīng)”，葉綠素含量顯著增加或降低[29]。在本研究中，天仙子種子浸提液顯著降低黑麥草幼苗葉綠素含量，隨著天仙子種子浸提液濃度的增大，葉綠素含量明顯降低，天仙子種子浸提液抑制了黑麥草的生長。一些研究顯示，化感作用對受體植物葉細胞超微結(jié)構(gòu)的影響主要體現(xiàn)在細胞膜系統(tǒng)和葉綠體等細胞器的破壞上[30]。天仙子種子浸提液施加到黑麥草幼苗時，可能影響其葉綠素合成的膜系統(tǒng)，干擾葉綠素的合成或加速分解，降低了葉綠素水平，減弱了光合能力，使凈同化量下降，從而抑制黑麥草的生長。這與張震等的研究結(jié)果一致[31]。

4 結(jié)論

天仙子種子浸提液可通過降低黑麥草種子萌發(fā)率、延遲種子萌發(fā)時間而抑制種子萌發(fā)。同時浸提液可以抑制黑麥草幼苗根長和株高的生長，使地下和地上生物量積累減少；天仙子種子浸提液通過損害黑麥草幼苗膜結(jié)構(gòu)，影響丙二酫、脯氨酸等各項生理活性指標(biāo)，抑制幼苗的生長。通過種子化感作用參與競爭可能是植物種間競爭的另一種特有方式。