3種圭亞那柱花草根系分泌物對雜草幼苗生長的影響

王俐媛, 王 堅, 丁西朋, 歐芳秀, 李佳旭, 李雪楓*

(1. 熱帶特色林木花卉遺傳與種質創新教育部重點實驗室/海南大學林學院, 海南 海口 570228；2. 海南大學動物科技學院,海南 ?？?570228；3. 中國熱帶農業科學院熱帶作物品種資源研究所, 海南 ?？?570228)

植物通過適當的途徑向環境釋放化感物質，從而直接或間接影響鄰近或下茬植物萌發和生長的效應稱為植物化感作用[1]，其中根系分泌是化感物質釋放的主要途徑之一[2-3]。研究已表明，糧食作物可以通過根系分泌途徑產生和釋放化感物質來抑制雜草種子萌發和生長，如小麥(TriticumaestivumL.)根系分泌的DIMBOA(2,4-二羥基-7-甲氧基-(2H)-1,4-苯并噁嗪-3(4H)-酮)能抑制牛筋草(Eleusineindica(L.) Gaertn.)、苣荬菜(SonchusarvensisL.)、寶蓋草(LamiumamplexicauleL.)、看麥娘(AlopecurusaequalisSobol.)、雞眼草(Kummerowiastriata(Thunb.) Schindl.)、小藜(ChenopodiumserotinumL.)、蒲公英(TaraxacummongolicumHand.-Mazz.)和薺(Capsellabursa-pastoris(L.) Medic.)等8種雜草的生長[4]，水稻(OryzasativaL.)根系分泌的羥基肟酸、環己烯酮、黃酮和二萜內酯等非酚酸類化合物能顯著抑制水田雜草稗草(Echinochloacrus-galli(L.) Beauv.)、異型莎草(CyperusdifformisL.)的生長[5]，蕎麥(FagopyrumesculentumMoench.)的根系分泌物強烈抑制反枝莧(AmaranthusretroflexusL.)、藜(C.albumL.)和稗草的生長[6]；栽培牧草也可以通過根系釋放化感物質抑制雜草的生長，如禾本科牧草多花黑麥草(LoliummultiflorumLam.)的根系浸提液顯著抑制稗草、鴨舌草(Monochoriavaginalis(Burm. F.) Presl ex Kunth)、AeschyoaindicaL.、千金子(LeptochloachinensisL.)和丁香蓼(LudwigiaprostrataRoxb.)等5種雜草的根與莖的生長[7]，豆科牧草紅豆草(OnobrychisviciaefoliaScop.)的根系分泌物對藜、稗草、反枝莧、白茅(Imperatacylindrica(L.) Beauv.)、狗尾草(Setariaviridis(L.) Beauv.)、野燕麥(AvenafatuaL.)和龍葵(SolanumnigrumL.)等7種雜草的種子萌發和幼苗生長均有抑制作用，且濃度越大抑制作用越明顯[8]。因此，利用植物根系分泌物可抑制雜草生長這一特性來生態、安全地防控雜草已成為雜草防控新技術的重要研究內容之一[9-10]。

柱花草(Stylosanthesspp.)刈牧兼用，是世界熱帶地區種植面積最大、應用最廣泛的優良豆科牧草之一[11]。自1962年起，中國先后從馬來西亞、哥倫比亞、澳大利亞、巴西等國家引進大量柱花草種質[12-13]，其中圭亞那柱花草(StylosanthesguianensisSw.)是柱花草屬中種質資源最豐富的種[13]。采用引種篩選、雜交育種、輻射誘變、細胞工程育種和轉基因育種等手段，經過30多年的選育和適應性試驗，我國已培育出了熱研2號(S.guianensisSw. ‘Reyan No. 2’)等13個經國家草品種審定委員會審定通過的圭亞那柱花草系列品種(由1988—2020年國家草品種審定委員會審定通過的草品種名錄整理)。它們具有適應性強、耐干旱貧瘠、抗寒性強、長勢好、產草量高等優良特性[14-16]，在人工草地建植、天然草地改良、膠園果園行間覆蓋和綠肥等方面具有廣泛的應用前景[11]。Khanh等[17]研究指出，柱花草是具有強烈化感作用的植物之一，以柱花草植株為覆蓋物可使稻田雜草的生物量減少80%；袁洋等[18]也發現：較高濃度的柱花草水浸提液可抑制狗牙根(Cynodondactylon(L.) Pers.)和鬼針草(BidenspilosaL.)的種子萌發和幼苗生長。柱花草的根系中也含有豐富的次生代謝產物[19-20]，在遭受脅迫的環境下，其根系中的次生代謝物的含量還會顯著增加[19,21]。但目前關于柱花草根系分泌物對雜草生長的化感作用的機制還不清晰，使得人們在利用柱花草的化感作用特點進行高效、可持續的雜草防控方面尚存在困難。因此，本研究通過比較3種圭亞那柱花草品種的根系分泌物對熱帶地區常見5種雜草幼苗生長的影響，以期初步揭示柱花草根系分泌物對雜草的化感效應，為利用柱花草根系分泌物特征開發生態安全的田間雜草控制策略提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選取圭亞那柱花草的3個栽培品種——‘熱研2號’、‘熱研5號’(S.guianensisSw. ‘Reyan No. 5’)和熱研21號(S.guianensisSw. ‘Reyan No. 21’)為供體植物，其中‘熱研2號’和‘熱研5號’是從CIAT184柱花草群體中篩選出的適合中國熱帶地區種植的耐寒耐旱優質品種[13]，熱研21號則是利用衛星搭載‘熱研2號’柱花草種子經空間誘變選育而成的高產抗病品種[11]，3種柱花草種子均由中國熱帶農業科學院熱帶作物品種資源研究所國家熱帶牧草中期備份庫提供。選取海南島危害較為嚴重的5種入侵雜草——含羞草(MimosapudicaL.)、鬼針草、假臭草(EupatoriumcatariumV.)、羽芒菊(TridaxprocumbensL.)和蒺藜草(CenchrusechinatusL.)[22]為受體植物。雜草的種子均采自于海南大學海甸校區及周邊。

1.2 試驗方法

1.2.1試供種子催芽處理 根據預試驗測算的不同種類種子的發芽時間分批進行催芽處理，以保證各種種子同期萌發。其中，柱花草的種子80℃水浴處理3 min[23]，取出晾涼后再用75%的酒精表面消毒5 min，然后用蒸餾水洗去表面殘余的酒精，自然晾干后將種子置于鋪有濕潤雙層濾紙、直徑9 cm的培養皿中催芽；受體植物中含羞草種子采取與柱花草種子一致的方式催芽處理，鬼針草、假臭草、羽芒菊和蒺藜草的種子在消毒處理后，直接選取均一飽滿的種子置于同等規格的培養皿中。所有培養皿均上蓋置于25℃黑暗條件下培養至露白(胚根突破種皮0.5～1 cm)，中途每天開蓋添加1 mL蒸餾水。

1.2.2柱花草根系分泌物的收集 參考劉允熙等[23]的研究方法，采用水培法收集3種圭亞那柱花草的根系分泌物。將露白的柱花草種子移植至盛有1/2 Hoagland營養液(pH=5.8)、液面覆雙層脫脂紗布的15 mL玻璃管，每管1株柱花草；玻璃管放入上蓋有20個孔洞的培養箱中，每孔1個玻璃管，使浸入營養液的根系避光生長。培養箱置于25℃/14 h黑暗、30℃/10 h光照、相對濕度75%的人工氣候箱內培養。每天定時向玻璃管內補充營養液，使水培溶液保持在恒定水平。10 d后，收集水培液，用含有柱花草根系分泌物的水培液進行后續試驗處理。

1.2.3雜草育苗及根系分泌物影響試驗 在收集柱花草根系分泌物的同時，用相同培養方法培養5種雜草。待各雜草幼苗在1/2 Hoagland營養液中生長10 d后，將其中一部分雜草幼苗(90株)從試管中取出，分別轉移至上述收集的含有柱花草根系分泌物的玻璃管中繼續生長，每株對應一個玻璃管。以一部分雜草幼苗(60株)分別移植到原本生長同種植物的玻璃管中繼續生長為對照。每處理設6個重復。

1.2.4指標測定與計算 各雜草植株在含有柱花草根系分泌物的營養液中繼續生長7 d后，先用游標卡尺測量每株雜草的株高和根長，計數其側根數量，然后用感量0.1 mg天平分別稱量其地上生物量和地下生物量，計算各雜草的單株總生物量、根冠比、化感效應指數(Allelopathic response index,RI)和化感綜合效應(Synthetical effect of allelopathy,SE)。

(1)

其中：T為處理值，CK為對照值，RI>0表示存在促進作用，RI<0表示存在抑制作用，RI絕對值的大小與化感作用強度一致[24]。

(2)

其中：RIR、RIH、RIL、RIRB、RIHB、RITB分別為同一處理下各雜草的根長、株高、側根數、地下生物量、地上生物量、總生物量的化感效應指數，SE>0表示化感綜合效應為促進，SE<0表示化感綜合效應為抑制，SE的絕對值越大表示化感綜合效應越強。

1.3 數據的處理與分析

實驗的數據采用SPSS 21.0(SPSS Inc.，Chicago，IL，USA)進行分析，GraphPad Prism 8(GraphPad Software Inc.，San Diego，CA，USA)進行作圖。為清晰地呈現出各指標的變化情況，不同圭亞那柱花草根系分泌物處理后各種雜草的根長、株高、側根數、生物量和根冠比指標均用化感效應指數制圖或表。用單因素方差分析法(One-Way ANOVA)進行不同處理間的多重比較，Duncan法在P<0.05水平進行差異顯著性檢驗。為明確雜草幼苗的不同表型指標變化對圭亞那柱花草根系分泌物化感綜合效應的影響程度，以各根系分泌物對5種雜草各個指標的化感綜合效應為“參考值”(母序列)，計算6個指標與化感綜合效應的關聯度，用灰色關聯法分析化感綜合效應與各生長指標化感效應指數的相關性。

(3)

(4)

2 結果與分析

2.1 圭亞那柱花草根系分泌物對雜草幼苗形態特征的化感效應

2.1.1圭亞那柱花草根系分泌物對雜草根長的化感效應 3種圭亞那柱花草根系分泌物處理對含羞草幼苗的根長均有促進效應，但僅RY2處理的促進效應顯著(P<0.05)。3種圭亞那柱花草根系分泌物處理對鬼針草和蒺藜草幼苗的根長均有化感抑制效應，其中RY2和RY5處理下各幼苗根長的化感效應指數間均無顯著差異，均比CK顯著降低(P<0.05)，而RY21處理下的化感效應指數均與CK無顯著差異(圖1)。假臭草和羽芒菊幼苗在RY5處理下根長的化感效應指數與其CK均無顯著差異，而RY2和RY21處理對其幼苗根長均有顯著促進效應(P<0.05)(圖1)。

圖1 3種圭亞那柱花草根系分泌物處理下5種雜草幼苗根長的化感效應指數Fig.1 Allelopathic response index of root length of five weeds seedlings treated with root exudates from three varieties of S. guianensis Sw.注：*表示同種雜草在不同根系分泌物處理下與對照差異顯著(P<0.05)；不同小寫字母表示同種雜草在不同根系分泌物處理時差異顯著(P<0.05)；RY2、RY5和RY21分別表示熱研2號柱花草根系分泌物處理、熱研5號柱花草根系分泌物處理和熱研21號柱花草根系分泌物處理；下同Note:* indicates that the same weed is significantly different from the control under different root exudates (P<0.05). Different lowercase letters indicate the significant differences of the same weed under the treatments of different root exudates (P<0.05). RY2,RY5 and RY21 represent the root exudate treatment of S. guianensis Sw. ‘Reyan No. 2’, S. guianensis Sw. ‘Reyan No. 5’ and S. guianensis Sw. ‘Reyan No. 21’,respectively. The same as below

2.1.2圭亞那柱花草根系分泌物對不同雜草株高的化感效應 RY5根系分泌物處理抑制5種雜草的株高生長，而RY2和RY21根系分泌物處理促進含羞草、羽芒菊和蒺藜草幼苗的株高生長(圖2)。其中：RY21處理對含羞草幼苗的株高具有顯著促進效應(P<0.05)，化感效應指數為0.25，與RY5和RY21處理間差異顯著(P<0.05)；RY2和RY21處理下羽芒菊幼苗株高的化感效應指數間無顯著差異，均比CK顯著增加(P<0.05)；RY5處理對蒺藜草幼苗的株高具顯著抑制效應(P<0.05)，化感效應指數為-0.12，而RY21處理具顯著促進效應(P<0.05)，化感效應指數為0.07(圖2)。3種圭亞那柱花草根系分泌物處理下鬼針草和假臭草幼苗株高的化感效應指數間無顯著差異，且與其CK均無顯著差異(圖2)。

圖2 3種圭亞那柱花草根系分泌物處理下5種雜草幼苗株高的化感效應指數Fig.2 Allelopathic response index of plant height of five weeds seedlings treated with root exudates from three varieties of S. guianensis Sw.

2.1.3圭亞那柱花草根系分泌物對不同雜草側根數的化感效應 3種圭亞那柱花草根系分泌物對含羞草、鬼針草和假臭草幼苗側根數的化感效應指數均無顯著影響，卻顯著抑制羽芒菊幼苗的側根數(P<0.05)，且RY21對羽芒菊幼苗側根數的化感抑制效應顯著大于RY2的化感抑制效應(P<0.05)，與RY5的化感抑制效應無顯著差異，化感效應指數高達-0.83(圖3)；RY2、RY21根系分泌物對蒺藜草幼苗的側根數無顯著影響，但RY5根系分泌物處理使其側根數顯著增加(P<0.05)，化感效應指數為0.30(圖3)。

圖3 3種圭亞那柱花草根系分泌物處理下5種雜草幼苗側根數的化感效應指數Fig.3 Allelopathic response index of lateral root number of five weeds seedlings treated with root exudates from three varieties of S. guianensis Sw.

2.2 圭亞那柱花草根系分泌物對不同雜草生物量積累和分配的化感效應

2.2.1圭亞那柱花草根系分泌物對不同雜草生物量的化感效應 不同雜草幼苗的地下生物量、地上生物量和總生物量對3種圭亞那柱花草根系分泌物的響應具有顯著差異(表1)。3種圭亞那柱花草根系分泌物對含羞草幼苗的地下生物量無顯著影響，但RY5和RY21處理對其地上生物量有顯著抑制效應(P<0.05)，而總生物量僅在RY5處理下比CK顯著降低(P<0.05)，化感效應指數為-0.10。3種圭亞那柱花草根系分泌物處理下鬼針草幼苗的地上生物量和總生物量的化感抑制效應不顯著，均與其CK間無顯著差異；RY2和RY5處理對鬼針草幼苗的地下生物量有顯著促進效應(P<0.05)，化感效應指數分別為0.24和0.33。3種圭亞那柱花草根系分泌物對假臭草幼苗的地上生物量和總生物量的化感效應不顯著，RY2和RY5處理對假臭草幼苗的地下生物量有顯著抑制效應(P<0.05)，化感效應指數均為-0.41，但RY21處理對其地下生物量有顯著促進效應(P<0.05)，化感效應指數為0.35。除RY5根系分泌物處理對羽芒菊幼苗的地下生物量有顯著抑制效應外(P<0.05)，其他根系分泌物處理對羽芒菊的地下生物量、地上生物量和總生物量均無顯著影響。3種柱花草根系分泌物處理對蒺藜草幼苗的地下生物量、地上生物量和總生物量均有抑制效應，但RY2處理的抑制效應不顯著，RY5處理的抑制效應均顯著(P<0.05)，化感效應指數分別為-0.47，-0.17，-0.20，RY21處理僅對其地下生物量的抑制效應顯著(P<0.05)(表1)。

表1 3種圭亞那柱花草根系分泌物處理下5種雜草幼苗單株生物量的化感效應指數Table 1 Allelopathic response index of seedling biomass per plant of five weeds treated with root exudates from three varieties of S. guianensis Sw.

2.2.2圭亞那柱花草根系分泌物對不同雜草根冠比的影響 3種圭亞那柱花草根系分泌物處理下含羞草和鬼針草幼苗的根冠比的化感促進效應不顯著，均與其CK間無顯著差異(圖4)；RY2和RY5處理對假臭草幼苗的根冠比均有顯著抑制效應(P<0.05)，化感效應指數分別為-0.40和-0.39，RY21處理對其根冠比具化感促進效應，但促進效應不顯著；羽芒菊和蒺藜草幼苗在RY5處理下的根冠比均比CK顯著降低(P<0.05)，化感效應指數分別為-0.42和-0.35，而在RY2和RY21處理下其根冠比與其CK間均無顯著差異(圖4)。

圖4 3種圭亞那柱花草根系分泌物處理下5種雜草幼苗根冠比的化感效應指數Fig.4 Allelopathic response index of root-shoot ratio of five weeds seedlings treated with root exudates from three varieties of S. guianensis Sw.

2.2.3圭亞那柱花草對不同雜草的化感綜合效應 3種圭亞那柱花草根系分泌物對含羞草幼苗生長的總化感綜合效應為促進，對假臭草、鬼針草、羽芒菊和蒺藜草幼苗的總化感綜合效應均為抑制，其中RY2、RY5和RY21對含羞草的促進效應間無顯著差異、對鬼針草的抑制效應間也無顯著差異，而RY2對蒺藜草的抑制效應顯著弱于RY5和RY21(P<0.05)，RY21對假臭草幼苗的化感綜合效應為促進，RY2對羽芒菊幼苗的化感綜合效應為促進(表2)。RY2、RY5和RY21根系分泌物對5種雜草幼苗的化感綜合效應間均存在顯著差異(P<0.05)，其中RY2和RY5根系分泌物對5種雜草幼苗生長的總化感綜合效應均為抑制效應，分別為-0.10和-0.48，而RY21根系分泌物對5種雜草幼苗生長的總化感綜合效應為促進(0.10)(表2)。

表2 不同圭亞那柱花草根系分泌物影響下5種雜草的化感綜合效應Table 2 Synthetical effect of allelopathy of five weeds treated by different S. guianensis Sw. root exudates

2.3 各生長指標的化感效應指數與化感綜合效應的相關性分析

測定的6個生長指標中，總生物量、地上生物量和株高可以較大程度反映雜草生長狀況受圭亞那柱花草根系分泌物的影響程度，與根系分泌物化感綜合效應的關聯度分別為0.855，0.848，0.835，根長、地下生物量和側根數的化感效應指數與化感綜合效應的關聯度均大于0.6，但數值依次減小(表3)，說明這3個指標也有一定的參考意義，但在表征各雜草對不同柱花草根系分泌物的化感響應時逐漸趨于不敏感。

表3 化感綜合效應與各生長指標化感效應指數的相關性Table 3 Correlation between synthetical effect of allelopathy and allelopathic response index of growth indexes

3 討論與結論

植物可以通過根系分泌途徑釋放的化學物質與周圍植物及其他有機物發生復雜的化學作用[25]，這些物質主要包括糖類、氨基酸、有機酸、酚酸等低分子化合物、粘液等高分子化合物和其他初生、次生代謝物[26]，一般把在植物與植物種間起化學抑制或促進作用的低分子化合物稱為化感物質(allelochemical)[1]，化感物質與其化感作用對象之間具有一定的選擇性和特異性[27-28]。本研究發現，同種柱花草根系分泌物對不同種雜草幼苗的影響情況不同，其中熱研5號柱花草根系分泌物對羽芒菊、蒺藜草和假臭草幼苗的生長有較強抑制作用，對鬼針草和含羞草幼苗的影響較弱；熱研2號柱花草根系分泌物對假臭草化感綜合效應為抑制作用，對羽芒菊的化感綜合效應為促進作用。這與Zhang等[4]研究小麥根系分泌物、李瑞華等[8]研究紅豆草根系分泌物對不同種雜草的化感作用不同這一結論基本一致。本試驗中柱花草化感作用的5種受體雜草均為外來入侵植物歸化逸生后在海南島廣泛分布，其中含羞草是豆科多年生亞灌木狀草本植物，假臭草和鬼針草為菊科一年生草本植物，羽芒菊為菊科多年生草本植物，而蒺藜草為禾本科一年生草本植物[22]，說明柱花草根系分泌物對雜草的化感作用也具有選擇性，與受體雜草各自的遺傳背景、進化歷史以及是否是該生境本土植物有關。長期鄰近生長的植物之間適應彼此釋放的化感物質而共存生長，新的植物進入該生境必然會遭到原生植物釋放的化感物質不同強度的干擾[29]，入侵植物也會釋放自身的化感物質抑制原生植物的生長[30]，最終的生長情況是二者互相的化感作用及其種間競爭等多種因素共同作用的結果。3種柱花草根系分泌物對含羞草的綜合化感效應均為促進作用，可能是由于含羞草與柱花草同屬于豆科植物，本身也具有較強的化感作用和入侵性[31]，對柱花草根系分泌物的影響不敏感，還需要進一步的實驗驗證。

本試驗中熱研5號柱花草根系分泌物對5種雜草主要表現為化感抑制效應，且其化感效應強于熱研2號和熱研21號柱花草，這與孔垂華[10]研究不同品種小麥、水稻化感作用及李志華和沈益新[32]研究紫花苜蓿(MedicagosativaL.)的化感作用所得到的結果一致，即作物的化感作用強度與供體植物的具體品種有關。牧草栽培種大多由野生近緣植物經人工栽培和選育逐步演化而來，每種牧草都有眾多不同馴化程度的種質資源，但并非同一牧草的任意品種均能表現出化感作用。3種圭亞那柱花草根系分泌物的化感潛力存在差異的原因可能在于兩個方面：一是不同品種釋放的化感物質種類和濃度不同造成的[10,32]；二是根系分泌物釋放進入生長基質(土壤、營養液等)后會受到土壤微生物活性、基質理化反應和代謝作用的干擾[33]。本研究中，我們通過在人工氣候箱內收集含有柱花草根系分泌物的營養液來培養各雜草幼苗，使雜草生長不受外界環境及其他植物競爭等的影響，可最大限度地反應根系分泌物的本質。但是，營養液培養法收集的根系分泌物與自然條件下植物根系分泌物間必然有一定差異，而且根系只是化感物質的釋放通道而不是化感物質的合成場所[34]。有研究發現，根系中含有檸檬酸、蘋果酸等有機酸類次生代謝產物[19-20]，當柱花草遭受生物、非生物脅迫時，柱花草根系的次生代謝產物含量會發生顯著變化[21,35]。由此可推測，其釋放至環境的化感物質必然也會顯著變化。因此，為進一步明確柱花草根系分泌物對雜草生長的化感作用，還應進行土壤栽培條件下圭亞那柱花草與雜草的生長干擾情況等的研究，而且根據本研究灰色關聯分析的結果，在進行柱花草化感效應的生物響應情況研究中，應重點關注總生物量、地上生物量和株高這3個生長指標。

綜上所述，3種圭亞那柱花草根系分泌物對含羞草幼苗生長無顯著化感效應，對鬼針草、蒺藜草、羽芒菊和假臭草這4種雜草的總化感綜合效應均為抑制作用，但熱研21號柱花草根系分泌物對雜草抑制能力最弱，熱研2號柱花草次之，而熱研5號柱花草根系分泌物除鬼針草的地下生物量外，對5種雜草的株高、地下生物量、地上生物量和總生物量均有化感抑制效應，說明人工草地建植中可以應用熱研5號柱花草及其根系分泌物進行雜草管理和天然除草劑的開發，從而保障牧草產量增收和生態環境安全。