馬金虎,楊文秀,孫亮亮,陳 皓,趙 倩,楊小環(huán),*

1 山西農(nóng)業(yè)大學園藝學院,太谷 030801 2 山西農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院,太谷 030801 3 云南農(nóng)業(yè)大學熱帶作物學院,普洱 665000

紫莖澤蘭(Eupatoriumadenophorum)為多年生、叢生狀常綠半灌木植物,是一種世界性惡性雜草,生活力強、化感作用強烈[1- 3]。紫莖澤蘭植株中富含天然活性物質,其提取物對多種植物具有強烈的化感作用,顯著抑制植物的生長發(fā)育,有望被開發(fā)成植物源除草劑應用于雜草的綠色防控。鄭麗等[4]報道,2.5%的紫莖澤蘭葉片水提取液顯著的抑制細葉苦荬、莎草磚子苗、無芒虎尾草、紫花大翼豆、白三葉等種子萌發(fā)和幼苗生長。王亞麒等[5]報道,100 mg/L的紫莖澤蘭浸提液對白三葉、黑麥草和紫花苜蓿種子發(fā)芽和幼苗生長均有顯著的抑制作用。

稗草(Echinochloacrusgalli)、灰綠藜(Chenopodiumglaucum)和反枝莧(Amaranthusretroflexus)分別是禾本科、藜科和莧科雜草中分布最廣,危害最為嚴重的雜草,廣泛分布于全國各地,常以優(yōu)勢草種生于農(nóng)田,危害農(nóng)作物的生長,特別是稗草,2012年來在我國已經(jīng)上升為水稻產(chǎn)區(qū)第一惡性雜草,影響水稻的產(chǎn)量及品質。多年來,對這3種雜草的防除,多采用人工拔除和使用化學除草劑的方法,不僅耗費大量的人力且大量使用化學除草劑除對生態(tài)環(huán)境也造成了一定的破壞[6-7]。作者前期研究發(fā)現(xiàn),紫莖澤蘭提取物對反枝莧和灰綠藜種子萌發(fā)和幼苗生長有顯著地抑制作用,對幼苗活性氧代謝水平有明顯的影響[8]。但是,紫莖澤蘭提取物抑制兩種雜草的細胞生理機制還不清楚,紫莖澤蘭提取物對稗草是否也有化感作用未見報道。為此,本試驗以上述3種主要的田間雜草為研究對象,重點從細胞生理學角度,研究了紫莖澤蘭提取物對3種雜草幼苗根和根邊緣細胞化感作用的影響,旨在明確紫莖澤蘭提取物對3種雜草化感脅迫的生理機制,為紫莖澤蘭提取物開發(fā)成植物源除草劑應用于3種雜草綠色防控提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

紫莖澤蘭提取物的制備方法：采集紫莖澤蘭成熟葉,室溫下陰干,粉碎機粉碎,過40目篩,用95%的乙醇浸泡72 h提取3次。浸提液用砂芯抽濾器(微孔濾膜孔徑為0.45 μm)過濾,合并浸提液。浸提液用旋轉蒸發(fā)器經(jīng)減壓濃縮除去大部分乙醇,得到濃稠的提取物。將提取物溶于適量水中制成混懸液,然后用石油醚進行萃取,共萃取5次。萃取物再用旋轉蒸發(fā)器經(jīng)減壓濃縮后,置低溫真空干燥箱中揮發(fā)掉石油醚得到紫莖澤蘭提取物,4℃低溫下避光保存?zhèn)溆谩Ｔ谑褂脮r,稱適量紫莖澤蘭提取物,先用少量丙酮溶解(每克提取物5 mL丙酮),再配制成不同濃度的提取物水溶液。

供試雜草稗草(Echinochloacrusgalli)、灰綠藜(Chenopodiumglaucum)和反枝莧(Amaranthusretroflexus)的種子均收集于山西農(nóng)業(yè)大學園藝站。

1.2 材料培養(yǎng)和紫莖澤蘭提取物處理

挑選均勻飽滿的3種雜草種子適量,用0.1% HgCl2消毒5 min,然后用蒸餾水洗去HgCl2殘液,再用濾紙吸干種子表面水分。采用紙卷發(fā)芽的方法,反枝莧和灰綠藜分別取100粒、稗草取50粒種子均勻擺放在18 cm×25 cm濾紙的中上部,蓋上同等大小的濾紙,小心將濾紙卷成紙卷。每4個紙卷用橡皮筋扎為一組(4次重復),置于300 mL燒杯中,進行不同濃度的提取物處理(Extracts treatment,ET),并以蒸餾水處理作為對照。實踐中發(fā)現(xiàn),3種雜草種子對ET溶液的脅迫敏感程度不同,尤其是反枝莧,經(jīng)濃度高于600 mg/L ET處理4天后,有爛苗現(xiàn)象。為便于統(tǒng)計3種雜草種子萌發(fā)指標,設定稗草和灰綠藜種子的ET濃度為250、500、750 mg/L和1000 mg/L,而反枝莧種子的ET濃度為150、300、450 mg/L和600 mg/L。將燒杯置于25℃培養(yǎng)箱中,黑暗下進行種子發(fā)芽試驗,每天統(tǒng)計種子的各項發(fā)芽指標,種子萌發(fā)生長8 d結束試驗。此外,按照相同的方法進行種子萌發(fā),設置對照和一個較高濃度的ET(1000 mg/L)對3種雜草種子進行處理,種子萌發(fā)生長至4 d時,取活的幼苗根尖用于根尖電鏡掃描樣品的制作。

將消毒的雙層紗布用橡皮筋固定在500 mL燒杯口上,然后每個雜草品種取200粒消毒的種子置于紗布上,再在種子上覆蓋一層濾紙和一層脫脂棉。在脫脂棉上分別均勻滴加15 mL蒸餾水(作為對照)或500、750 mg/L和1000 mg/L的ET,再用保鮮膜封閉。將燒杯置25℃培養(yǎng)箱內(nèi),進行幼苗根懸空培養(yǎng)。待3種雜草對照的幼苗根長約20 mm時,進行如下處理：(1)不同雜草每處理挑選50個均勻一致的根尖制備根邊緣細胞懸液,用于測定根邊緣細胞(RBC)數(shù)、活率、凋亡率、黏膠層厚度。(2)不同雜草每處理分別取5個根尖,用刀片切取約10 mm長的根尖用于根尖和根尖原位邊緣細胞的顯微觀察拍照。

同上述幼苗根懸空培養(yǎng)方法,進行3種雜草根懸空培養(yǎng)(不進行ET脅迫),待雜草幼苗根生長至約5 mm時,對雜草根尖每隔1 h噴施蒸餾水(作為對照)或500、750 mg/L和1000 mg/L的ET,連續(xù)噴施5次,再生長12 h后切取幼苗根尖,測定其根冠果膠甲基酯酶(PME)活性。

1.3 測定指標與方法

不同雜草種子發(fā)芽和幼苗生長指標的統(tǒng)計 按種子檢驗規(guī)程[9]統(tǒng)計各處理的種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢(G)=Ga/Gn×100%(Ga：3d發(fā)芽種子數(shù)；Gn：供試種子數(shù))、發(fā)芽指數(shù)(GI)= Σ(Gt·Dt-1)(Gt：td 內(nèi)發(fā)芽種子數(shù)；Dt：發(fā)芽天數(shù))、種子活力指數(shù)(VI)=GI×W(W：單株幼苗平均鮮重)、莖長抑制率=(對照莖長-處理莖長)/對照莖長、根長抑制率=(對照根長-處理根長)/對照根長、幼苗鮮重。其中,莖長抑制率、根長抑制率、幼苗鮮重每處理取20株幼苗取平均值。每處理重復4次。

因為n≥6,n-k≥3,根據(jù)性質1,|Ei,j|≥2,取邊且邊(x,y),(x′,y′)∈Ei,j,則在內(nèi)存在x與x′間的哈密頓路HP,不妨令HP={x,P1,u,P2,x′}.同理,在內(nèi)存在y與y′間的哈密頓路HP′,取HP′={y,Q1,v,Q2,y′}.下面構造u,v間內(nèi)不交的路.

根尖電鏡掃描樣品的制作與觀察 參照范華等[10]的方法：切取對照和1000 mg/L ET溶液脅迫處理的根尖大約10 mm,迅速放到3%戊二醛固定液中,0—4℃下固定2 d。用磷酸鹽緩沖液(0.1 mol/L, pH=7.2)洗滌3次,每次15 min,依次用30%,50%,70%,80%,90%和95%的乙醇系列脫水(每一梯度脫水15 min),100%的乙醇脫水兩次,每次20 min,之后叔丁醇置換。樣品用JEOL JFD- 320冷凍干燥,將干燥好的材料用導電膠帶粘在樣品臺上,用JEOL JFC- 1600離子濺射鍍膜儀噴鍍鉑金,噴鍍好的材料放入JEOL JEM- 6490 LV掃描電子顯微鏡下觀察拍照。

根邊緣細胞(RBC)活性測定及根尖邊緣細胞原位觀察 RBC活性測定參考胡忠良等[11]的方法。不同雜草,每處理挑選50個均勻一致的根尖,切取5 mm將其浸泡在盛有200 μL蒸餾水的離心管中,振蕩器振蕩30 s,取出根尖再用50 μL的蒸餾水沖洗兩次。收集細胞懸液轉入微量注射器(規(guī)格1000 μL)擠壓3次,使成團的邊緣細胞分離開。將細胞懸液4 ℃下 500 r/min離心3 min,棄去部分上清液,獲得細胞分散均勻、濃度適宜的細胞懸液備用。取50 μL RBC懸浮液,加入20 μL AO-EB復合染液(AO∶EB= 1∶1),充分混勻,避光染色1 min。取少許懸液,加入血細胞計數(shù)板,在Olympus BX 53(U-RFL-T)熒光顯微鏡(藍色激發(fā)光)下觀察記錄根邊緣細胞總數(shù),活細胞和死細胞數(shù)量(活細胞呈現(xiàn)綠色熒光,死細胞呈橘紅色或紅色熒光)。細胞活率=(活細胞數(shù)/總數(shù)細胞)×100%。每處理重復5次；每處理切取5個根尖置載玻片上,滴加少量AO-EB復合染液立即在顯微鏡下觀察拍照。

RBC 凋亡率的測定 取50 μL備用的細胞懸液,加入75 μL Hochest- 33258染液,暗處染色5 min,吸取少量懸液,加入血細胞計數(shù)板,在紫外UV激發(fā)光下觀察活細胞與凋亡細胞的形態(tài)特征并計數(shù)[12]。

RBC 黏膠層厚度的測定 取50 μL備用的細胞懸液,與50 μL的墨水(India ink)混勻染色5 min,取少量混合液滴在載玻片上,蓋片,在熒光顯微鏡下觀察測量。RBC的黏膠層厚度測量,不同處理測定10個細胞,每個細胞測3個不同位置取其平均值[13-14]。

根冠果膠甲基酯酶(PME)活性測定 參照胡忠良等[11]的方法。不同雜草,隨機剪取不同處理長約5 mm的根尖30個,加入400 μL PME提取液(內(nèi)含0.2 mol/L Na2HPO4, 0.1 mol/L檸檬酸,1 mol/L NaCl, pH=5.8),冰浴研磨后轉移至離心管中,再用400 μL PME提取液清洗研缽1次,合并入離心管中,置于4℃冰箱中,每隔20 min振蕩1次,1 h后,4℃ 15000 r/min離心10 min。取300 μL酶液加入4 mL PME底物溶液(內(nèi)含0.5% w/v果膠,0.05% w/v甲基紅,0.2 mol/L NaCl,pH=6.8),37℃水浴2 h,525 nm波長下測定OD值,根據(jù)標準曲線計算PME活性,活性單位為μmol H+/根尖數(shù)/h。每處理重復3次。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析

所有數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析均采用DPS 6.5軟件處理,采用Duncan新復極差測驗法進行數(shù)據(jù)差異顯著性檢驗(P< 0.05)。利用Excel 2007進行數(shù)據(jù)整理和繪圖,Adobe Photoshop CS5輔助圖片整理。

2 結果與分析

2.1 不同濃度紫莖澤蘭提取物對3種雜草種子萌發(fā)生長的影響

圖1試驗結果表明,750 mg/L以上濃度的紫莖澤蘭提取物脅迫顯著地抑制稗草種子的萌發(fā)生長。750 mg/L提取物脅迫處理與其對照比,種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、活力指數(shù)和幼苗鮮重分別降低了24.7%、6.8%、29.4%和31.2%,幼苗莖長抑制率和根長抑制率分別達到44.0%和80.8%；250 mg/L以上濃度提取物脅迫顯著地抑制灰綠藜種子的萌發(fā)生長。250 mg/L提取物脅迫處理與其對照比種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)和幼苗鮮重分別降低了32.5%、20.7%、23.3%、30.2%和5.1%,幼苗莖長抑制率和根長抑制率分別達到12.7%和60.8%；150 mg/L以上濃度提取物脅迫顯著地抑制反枝莧種子的萌發(fā)生長。150 mg/L提取物脅迫處理與其對照比種子的發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)分別降低了34.8%和20.2%,幼苗莖長抑制率和根長抑制率分別達到7.8%和23.4%；從圖1試驗結果綜合分析,3種雜草對紫莖澤蘭提取物脅迫的敏感程度反枝莧>灰綠藜>稗草。

圖1 不同濃度紫莖澤蘭提取物對雜草種子萌發(fā)及幼苗生長的影響Fig.1 Effects of Eupatorium adenophorum extracts of different concentrations on seed germination and seedlings growth of weeds同一品種不同字母表示處理間差異顯著(P < 0.05),下同；ET：提取物處理,Extracts treatment；P1：稗草,Echinochloa crusgalli；P2：灰綠藜,Chenopodium glaucum；P3：反枝莧,Amaranthus retroflexus

2.2 紫莖澤蘭提取物對3種雜草根尖和根邊緣細胞脅迫傷害的形態(tài)觀察

光學顯微鏡下(圖3),3種雜草對照幼苗根尖均可清晰地觀察到根尖周圍附著大量活的邊緣細胞,根尖結構完整且保持生活力。1000 mg/L紫莖澤蘭提取物處理,3種雜草根尖組織和細胞以及根邊緣細胞大量被殺死,根邊緣細胞數(shù)量減少。

圖2 稗草、灰綠藜和反枝莧根尖和根邊緣細胞的形態(tài)學特征Fig.2 Morphological features of root tips and border cells in Echinochloa crusgalli, Chenopodium glaucum and Amaranthus retroflexu revealed by SEM

圖3 熒光顯微鏡下稗草、灰綠藜和反枝莧根尖和根邊緣細胞的形態(tài)學特征Fig.3 Morphological features of root tips and border cells in Echinochloa crusgalli, Chenopodium glaucum and Amaranthus retroflexu under the fluorescent microscope綠色為活的組織和細胞,紅色和橘紅色為死的組織和細胞

2.3 不同濃度紫莖澤蘭提取物脅迫對3種雜草根邊緣細胞數(shù)量和活率的影響

光學顯微鏡下,稗草根邊緣細胞的形態(tài)大部分呈現(xiàn)梭形、橢圓形或桿狀,細胞較小?；揖G藜、反枝莧根邊緣細胞多數(shù)呈桿形、月牙形或弧形,細胞普遍較大。3種雜草活細胞均呈綠色,死細胞為紅色和橘紅色(圖4)。

試驗結果表明(圖5),紫莖澤蘭提取物處理顯著抑制3種雜草RBC的數(shù)量,提取物濃度越高抑制作用越強烈。1000 mg/L提取物處理,稗草、灰綠藜、反枝莧RBC數(shù)比其對照分別降低了44.5%、48.3%和64.0%(圖4A)；提取物處理還顯著抑制3種雜草RBC的活率。1000 mg/L提取物處理,稗草、灰綠藜和反枝莧的RBC活率分別比其對照降低了92.2%、62.4%和78.6%(圖4B)。

圖4 AO-EB 染色的稗草(A)、灰綠藜(B)和反枝莧(C) RBCFig.4 AO-EB stained RBCs of Echinochloa crusgalli (A), Chenopodium glaucum (B) and Amaranthus retroflexu (C)綠色：活細胞；紅色和橘紅色：死細胞

圖5 紫莖澤蘭提取物對稗草、灰綠藜和反枝莧根系邊緣細胞(RBC)數(shù)量和活率的影響Fig.5 Effects of Eupatorium adenophorum extracts on the numbers and motilities of RBC in Echinochloa crusgalli, Chenopodium glaucum and Amaranthus retroflexu

2.4 不同濃度紫莖澤蘭提取物脅迫對3種雜草根邊緣細胞凋亡率的影響

圖6可見,Hoechest- 33258 染色的3種雜草正常根尖RBC顏色呈藍色且質地均勻一致,細胞核輪廓清晰且呈現(xiàn)較小的藍色亮斑；出現(xiàn)凋亡現(xiàn)象的RBC顏色不均勻,細胞有片狀淺藍色片段或細胞核呈現(xiàn)彌散狀輪廓不規(guī)則較大的亮斑。

從圖7可以看出,紫莖澤蘭提取物處理,隨提取物濃度的升高,3種雜草RBC的凋亡率均逐漸增大。500 mg/L提取物處理,反枝莧、灰綠藜、稗草RBC凋亡率分別比其對照升高了115.5%、83.6%和26.7%。1000 mg/L提取物處理,反枝莧、灰綠藜和稗草RBC凋亡率分別達97.1%、91.3%和81.7%。說明,反枝莧RBC對提取物脅迫的耐性相對較弱。

圖6 Hoechest- 33258 染色的稗草(A)、灰綠藜(B)和反枝莧(C)的根系邊緣細胞(RBC)Fig.6 Hoechest- 33258 stained RBCs of Echinochloa crusgalli (A), Chenopodium glaucum (B) and Amaranthus retroflexu (C)1：正常的 RBC；2：出現(xiàn)凋亡片段的 RBC

圖7 不同濃度紫莖澤蘭提取物對稗草、灰綠藜和反枝莧根系邊緣細胞(RBC)凋亡率的影響Fig.7 Effects of Eupatorium adenophorum extracts of different concentrations on the apoptosis rates of RBC in Echinochloa crusgalli, Chenopodium glaucum and Amaranthus retroflexu

2.5 不同濃度紫莖澤蘭提取物脅迫對3種雜草根邊緣細胞黏膠層厚度的影響

從圖8和圖9可知,隨提取物濃度的升高,3種雜草RBC的黏膠層厚度均逐漸增大。500 mg/L提取物處理,稗草、灰綠藜和反枝莧RBC的黏膠層厚度比其對照分別增加了26.7%、17.4%和20.1%,均達到顯著差異。1000 mg/L提取物處理,稗草、灰綠藜和反枝莧RBC的黏膠層厚度比其對照比分別增加了99.0%、65.5%和61.1%。說明,紫莖澤蘭提取物誘導雜草RBC黏膠層增厚。

2.6 不同濃度紫莖澤蘭提取物脅迫對3種雜草根冠果膠甲基酯酶(PME)活性的影響

從圖10可以看出,750 mg/L和1000 mg/L提取物處理,反枝莧PME活性與其對照比分別升高了4.7%和6.1%,均達到顯著差異。1000 mg/L提取物處理,灰綠藜PME活性與其對照比升高了5.6%,也達到顯著差異。而稗草經(jīng)500、750 mg/L和1000 mg/L提取物脅迫處理,PME活性與其對照比無明顯變化。這可能與其相對耐提取物脅迫有關。

3 討論

細胞毒性是化感物質作用的一個重要特性[15],化感物質與受體植物細胞表面相互作用,破壞細胞的內(nèi)部結構,干擾細胞有絲分裂和基因表達,導致受體植物生長發(fā)育受阻[15- 17]。從本研究結果看,隨著紫莖澤蘭提取物處理濃度的升高,3種雜草的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)等逐漸降低,幼苗的莖長抑制率、根長抑制率增大,幼苗鮮重降低。這一結果說明,紫莖澤蘭提取物對3種雜草種子萌發(fā)生長產(chǎn)生細胞毒性,從而抑制種子的萌發(fā)和幼苗生長。Yang等[18]曾報道,紫莖澤蘭主效化感物質DTD(澤蘭二酮)和HHO(羥基澤蘭酮)導致水稻根尖組織混亂,細胞萎縮。本研究中較高濃度的紫莖澤蘭提取物處理使稗草根尖發(fā)生腫脹變形,灰綠藜根尖抽縮、干癟,反枝莧根尖組織結構嚴重被破壞,根尖表層細胞脫落,內(nèi)層細胞排列混亂(圖2),與其結果相類似。因此推測,試驗中使用的紫莖澤蘭提取物中可能含有DTD和HHO這兩種物質,有待對提取物進行進一步的分離、純化和鑒定并加以證實。

根邊緣細胞是從根冠表面脫落下來并聚集在根部周圍的一群特化細胞,以前人們普遍認為RBC沒有活性[19]。然而進一步的研究表明,多種植物的RBC脫離母體前的存活率超過90%[20]。本研究發(fā)現(xiàn),3種雜草稗草、灰綠藜和反枝莧的RBC的數(shù)量和活率存在品種差異,與Cai等[13]的研究結果發(fā)現(xiàn)相一致。稗草的RBC數(shù)量和脫離根尖后的活細胞較多,而灰綠藜和反枝莧較少,這可能是由于稗草、灰綠藜和反枝莧分屬不同的科屬原因所致,與其物種自身的特性有關。

圖8 紫莖澤蘭提取物處理后稗草、灰綠藜和反枝莧根系邊緣細胞(RBC)的黏膠層Fig.8 The mucilage glue layer around RBCs in Echinochloa crusgalli, Chenopodium glaucum and Amaranthus retroflexu subjected to treatment with Eupatorium adenophorum extracts箭頭所指為黏膠層

化感脅迫誘導細胞凋亡,當受到某些高毒性的化感物質脅迫時,受體植物細胞出現(xiàn)細胞凋亡的特征,如細胞核出現(xiàn)彌散現(xiàn)象等[21],嚴重時可以引起細胞的死亡[12]。本研究發(fā)現(xiàn),紫莖澤蘭提取物脅迫,3種雜草根邊緣細胞Hoechest- 33258染色后部分細胞有的顏色不均勻,細胞有片狀淺藍色片段,有的細胞細胞核呈現(xiàn)不規(guī)則較大的亮斑,出現(xiàn)彌散現(xiàn)象。說明,提取物脅迫誘導細胞凋亡,最終引起細胞死亡。從3種雜草的根邊緣細胞AO-EB染色發(fā)現(xiàn),隨提取物濃度的升高,3種雜草的根邊緣細胞呈現(xiàn)紅色或橘黃色細胞的數(shù)量在增多,這也直接證明了提取物脅迫,降低了根邊緣細胞活率的試驗現(xiàn)象。

圖9 紫莖澤蘭提取物對稗草、灰綠藜和反枝莧根系邊緣細胞(RBC)黏膠層厚度的影響Fig.9 Effects of Eupatorium adenophorum extracts on the thickness of RBC mucilage glue layers in Echinochloa crusgalli, Chenopodium glaucum, and Amaranthus retroflexu

圖10 紫莖澤蘭提取物對稗草、灰綠藜和反枝莧根冠PME活性的影響Fig.10 Effects of Eupatorium adenophorum extracts on the PME activities of root caps in Echinochloa crusgalli, Chenopodium glaucum and Amaranthus retroflexu

當植物根遭到有毒物質和微生物脅迫時,根系邊緣細胞保護植物根尖抵御外界有毒物質和微生物的危害[22]。根邊緣細胞從根尖分離后自主進行新陳代謝,向外分泌一系列化學物質包被在邊緣細胞的外側構成黏膠層,對根邊緣細胞具有保護作用[23]。當根邊緣細胞受到生物或非生物脅迫時迅速向胞外釋放多種化學物質,使黏膠層進一步增厚,以吸附或排斥病原體[24],螯合有毒物質[25],緩解脅迫帶來的傷害。喬永旭等[21]研究發(fā)現(xiàn),化感物質肉桂酸作用下,黃瓜(CucumissativusL.)根邊緣細胞黏膠層增厚,在一定程度上抵御了化感脅迫對根尖的傷害。李安奇等[25]報道,當大豆根邊緣細胞受到土荊芥化感物質脅迫時,根邊緣細胞周圍形成了一些顆粒狀物質,可能與螯合化感物質有關。本研究結果表明,紫莖澤蘭提取物作用下,3種雜草根邊緣細胞黏膠層厚度隨提取物濃度的升高而顯著增厚。說明,根邊緣細胞受到提取物化感脅迫,向外釋放了大量的化學物質,以吸附或螯合提取物,阻滯提取物進一步向細胞內(nèi)滲透。這一現(xiàn)象與豌豆(PisumsativumL.)根邊緣細胞受到鋁脅迫[26]、玉米根邊緣細胞受到銅和土荊芥化感物質脅迫[11,27],出現(xiàn)根邊緣細胞黏膠層厚度增厚的現(xiàn)象相類似。由此可見,根邊緣細胞黏膠層厚度增加是其應對化感脅迫的一種保護性生理反應。

植物受到外界脅迫時會產(chǎn)生一些應急機制來避免自身受到嚴重的傷害,例如產(chǎn)生更多的根邊緣細胞來抵御脅迫[28]。根邊緣細胞的產(chǎn)生速率與果膠甲基酯酶(PME)密切相關,PME通過果膠去甲基化,果膠酸分解,誘導其它果膠酶基因的表達,最終促進根邊緣細胞從根冠釋放[29]。本研究結果顯示,稗草PME活性隨提取物濃度的升高無明顯的變化,而灰綠藜和反枝莧PME活性呈現(xiàn)隨提取物濃度的升高而上升的變化趨勢。出現(xiàn)這種結果的原因可能是提取物脅迫誘導雜草通過上調(diào)根冠細胞中PME基因的表達,使PME活性升高以促進根邊緣細胞的產(chǎn)生。然而,試驗中3種雜草PME活性與RBCs數(shù)量變化趨勢相反,這可能是隨提取物濃度的升高,根尖組織受損加劇,產(chǎn)生根邊緣細胞的能力不斷下降所致。

化感脅迫作用下,PME活性變化還與受體植物對化感脅迫的耐性有密切關系,對化感脅迫敏感的受體植物PME活性變化較強烈[30]。本研究結果顯示,隨提取物濃度的升高,稗草的PME活性變化不明顯,而灰綠藜、反枝莧PME活性較明顯,1000 mg/L提取物脅迫時,PME活性與其對照比均達到顯著差異。說明,灰綠藜、反枝莧對提取物脅迫比較敏感,而稗草不敏感。這也可從提取物脅迫下3種雜草種子萌發(fā)生長指標、提取物對根尖的損傷觀察結果中得到印證。

4 結論

紫莖澤蘭提取物對稗草、灰綠藜、反枝莧種子萌發(fā)生長有較強烈的化感脅迫作用,抑制種子的萌發(fā)和幼苗生長。紫莖澤蘭化感物質抑制雜草根邊緣細胞的產(chǎn)生,誘導邊緣細胞發(fā)生凋亡,破壞根邊緣細胞對根尖的保護系統(tǒng),化感物質進一步對根尖產(chǎn)生脅迫傷害,破壞根尖的組織結構和細胞結構,使根尖不能發(fā)揮正常的運輸水分和營養(yǎng)代謝的功能,從而抑制種子的萌發(fā)和早期幼苗的生長。紫莖澤蘭提取物可開發(fā)成植物源除草劑,用于3種雜草的綠色防控。

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