王 璐，陳明霞，邵 云，李春喜，朱群英，翁正鵬

(河南師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453007)

小麥(TriticumaestivumL.)為禾本科小麥屬1年生或越年生草本植物[1]，在我國(guó)分布廣泛，是重要的糧食來(lái)源。大豆是我國(guó)重要的糧食作物、飼料及工業(yè)原料[2]?；ㄉ鷮儆诘位坡浠ㄉ鷮僦参?，種植面積較廣[3]。玉米作為重要的糧食和經(jīng)濟(jì)作物，在地球上的種植面積和總產(chǎn)量位列第3。隨著我國(guó)人口的增加、耕地的減少，糧食供給安全遭到了嚴(yán)峻的考驗(yàn)[4]。因此，小麥等農(nóng)作物的穩(wěn)產(chǎn)和增產(chǎn)成為亟待解決的問(wèn)題。

作為“隱藏”部分的植物根部，其主要功能是攝取水分和養(yǎng)分[5-6]。在生長(zhǎng)過(guò)程中，植物向根周?chē)置卺尫懦龆喾N化合物，產(chǎn)生根際效應(yīng)，這些化合物稱(chēng)之為根系分泌物[7-8]。根系分泌物復(fù)雜、多組分，是植物與土壤進(jìn)行物質(zhì)交換和信息傳遞的重要載體，也是根際對(duì)話(huà)的主要調(diào)控者[9-11]。根系分泌物的量在植物光合作用產(chǎn)物總量中所占比例較大，有時(shí)高達(dá)70%～80%，一般為12%～40%[12]。根系分泌物有很多種，可以促進(jìn)或抑制其他植物的生長(zhǎng)[13]?；凶饔闷毡榇嬖?，間作、套種或者輪作的農(nóng)作物化感作用更加明顯[14]。李翠萍[15]研究了玉米、大豆根系分泌物對(duì)馬鈴薯塊莖萌發(fā)和萌芽生長(zhǎng)的化感效應(yīng)，結(jié)果表明，玉米和大豆是馬鈴薯的良好前茬作物，可與馬鈴薯進(jìn)行間作、套種?；凶饔门c作物根系分泌物的種類(lèi)及濃度密切相關(guān)，李彩鳳等[16]研究了甜菜根系分泌物對(duì)大豆生長(zhǎng)發(fā)育的化感作用，結(jié)果表明，甜菜根系分泌物對(duì)大豆種子萌發(fā)抑制性化感作用隨分泌物濃度的升高而增大。本試驗(yàn)選擇小麥為受體作物，大豆、花生、玉米、甘薯為供體作物，探討這4種作物根系分泌物對(duì)小麥種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響，比較其對(duì)小麥化感作用的強(qiáng)弱，為構(gòu)建高效合理的種植模式提供理論依據(jù)，為我國(guó)小麥產(chǎn)量提高和品質(zhì)優(yōu)化提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試小麥品種豫農(nóng)4023、大豆品種駐豆11、花生品種魯花10、玉米品種洛單248、甘薯品種商薯19號(hào)，均由河南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院在河南省新鄉(xiāng)市獲嘉縣西彰儀村的項(xiàng)目區(qū)提供，試驗(yàn)于2017—2018年在全智能人工氣候植物培養(yǎng)箱(型號(hào)HP1500GS-B)內(nèi)進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將大豆、花生、玉米種子用1%次氯酸鈉溶液消毒 5 min，用蒸餾水沖洗數(shù)次，再用去離子水反復(fù)沖洗，置于 25～28 ℃條件下避光催芽。發(fā)芽后挑選大小一致的種子分別播種于裝有石英砂的塑料盆中，用蒸餾水將石英砂澆透，加入Hoagland營(yíng)養(yǎng)液[17]。從甘薯藤蔓上剪取幼苗，插入盛有Hoagland營(yíng)養(yǎng)液的塑料盆中。4種作物均置于光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，光照/黑暗14 h/10 h，溫度25～30 ℃(光照)、20 ℃(黑暗)，相對(duì)濕度70%以上，光照強(qiáng)度200 lx。每孔1株、10株/盆，培養(yǎng)期間定期通氣。

將培養(yǎng)40 d的幼苗移栽到盛有0.5 mmol/L CaCl2溶液、容量5 L的燒杯中，用泡沫固定。燒杯周?chē)煤诓及?，進(jìn)行根部的避光處理、葉片光照處理。培養(yǎng)4 h (9:00—13:00)后，將根系取出，收集的水溶液即為根系分泌物。再將根系分泌物提取液過(guò)布氏漏斗進(jìn)行抽濾、減壓濃縮，4 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 種子萌發(fā)指標(biāo) 挑選100粒大小一致的小麥種子，用 0.1% HgCl2消毒7 min 后，用去離子水沖洗 3 次后浸泡過(guò)夜，均勻地?cái)[在鋪有3張定性濾紙、直徑 9.0 cm 的培養(yǎng)皿中，分別加入20 mL蒸餾水和大豆、花生、玉米、甘薯根系分泌物水溶液，以蒸餾水為對(duì)照(用R0表示)。4種作物根系分泌物的濃度梯度設(shè)定為每20 mL的水溶液中分別含有1、5、10 mL濃縮后的根系分泌物(分別用R1、R2、R3表示)。每個(gè)處理重復(fù)3次，置于18～22 ℃全智能人工氣候植物培養(yǎng)箱中光照培養(yǎng)。添加根系分泌物水溶液48 h后統(tǒng)計(jì)小麥種子發(fā)芽數(shù)并計(jì)算萌發(fā)率，72 h后記錄小麥胚根的生長(zhǎng)情況。每天補(bǔ)加蒸餾水，以保持濾紙的濕潤(rùn)。

1.3.2 化感指數(shù) 采用 WILLIAMSON等[18]提出的化感指數(shù)(RI)作為衡量指標(biāo)，調(diào)查大豆、花生、玉米、甘薯4種作物根系分泌物對(duì)小麥萌發(fā)率和胚根長(zhǎng)的化感程度：T≥C時(shí)，RI=1-C/T；當(dāng)T

其中C是對(duì)照的萌發(fā)率和胚根長(zhǎng)，T是各處理的萌發(fā)率和胚根長(zhǎng)。當(dāng)RI>0 時(shí)表示促進(jìn)作用，當(dāng)RI<0時(shí)表示抑制作用，RI的絕對(duì)值表示化感作用強(qiáng)度的大小。

1.3.3 幼苗形態(tài)及生理指標(biāo) 將添加根系分泌物水溶液后的幼苗置于人工植物培養(yǎng)箱中繼續(xù)培養(yǎng)，每天加入5 mL根系分泌物處理液，R0加入5 mL 蒸餾水，20 d后選取長(zhǎng)勢(shì)均一、健康的小麥幼苗5株，從種子結(jié)合處切斷，測(cè)定幼苗形態(tài)及生理指標(biāo)。

葉綠素含量(SPAD值)用SPAD-502葉綠素儀測(cè)定，超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍(lán)四唑(NBT)光化還原法測(cè)定，過(guò)氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚比色法測(cè)定，過(guò)氧化氫酶(CAT)活性采用紫外吸收法測(cè)定，丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸TBA顯色法測(cè)定[19-22]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2010和SPSS 17.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，用LSD法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 作物根系分泌物對(duì)小麥種子萌發(fā)的影響

由表1可以看出，大豆、花生、玉米、甘薯這4種作物根系分泌物對(duì)小麥種子的萌發(fā)均表現(xiàn)出一定的抑制作用。小麥種子萌發(fā)率隨著根系分泌物濃度的增加而逐漸降低。當(dāng)4種作物根系分泌物的濃度為R1時(shí)，大豆、花生和玉米根系分泌物對(duì)小麥種子萌發(fā)的抑制作用差異不顯著；當(dāng)濃度為R3時(shí)，大豆和玉米根系分泌物處理下的小麥種子萌發(fā)率顯著高于其他2種作物。與其他處理相比，大豆根系分泌物對(duì)小麥種子萌發(fā)率抑制作用最弱。

不同濃度根系分泌物對(duì)小麥種子胚根的發(fā)育也產(chǎn)生了不同影響。由表1可以看出，4種作物根系分泌物處理對(duì)小麥胚根生長(zhǎng)表現(xiàn)為低濃度促進(jìn)、高濃度抑制的作用。當(dāng)濃度為R1時(shí)，不同作物根系分泌物處理下小麥胚根長(zhǎng)均未達(dá)到顯著性差異；當(dāng)濃度為R2、R3時(shí)，大豆根系分泌物處理下的小麥胚根長(zhǎng)均顯著高于其余3種作物。

表1 作物根系分泌物對(duì)小麥種子萌發(fā)率和胚根長(zhǎng)的影響Tab.1 Effects of root exudates of crops on the germination rate and radicle length of wheat seeds

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫(xiě)字母表示不同作物間差異顯著(P<0.05)，下同。

Note:Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among Different crops (P<0.05),the same below.

2.2 作物根系分泌物對(duì)小麥化感指數(shù)的影響

4種作物根系分泌物對(duì)小麥種子萌發(fā)的化感指數(shù)的影響如圖1所示。隨著根系分泌物濃度的增加，4種作物根系分泌物對(duì)小麥種子萌發(fā)的抑制作用增強(qiáng)。

圖1 作物根系分泌物對(duì)小麥種子發(fā)芽率和胚根長(zhǎng)化感指數(shù)的影響Fig.1 Effects of root exudates of crops on the induction index of wheat seeds germination rate and radicle length

當(dāng)濃度為R1時(shí)，大豆根系分泌物處理對(duì)小麥種子萌發(fā)率的抑制程度最弱，其化感指數(shù)為-0.003。當(dāng)濃度為R1時(shí)，這4種作物根系分泌物對(duì)小麥胚根生長(zhǎng)有一定的化感促進(jìn)作用，大豆根系分泌物處理下的化感促進(jìn)作用最強(qiáng)，其化感指數(shù)為0.108；當(dāng)根系分泌物濃度較高時(shí)，大部分表現(xiàn)出對(duì)小麥胚根生長(zhǎng)的化感抑制作用。

2.3 作物根系分泌物對(duì)小麥幼苗形態(tài)指標(biāo)的影響

由表2可知，大豆、花生、玉米、甘薯這4種作物根系分泌物對(duì)小麥幼苗株高及根長(zhǎng)均表現(xiàn)為低濃度促進(jìn)、高濃度抑制的作用。當(dāng)濃度為R1時(shí)，大豆根系分泌物處理下的小麥幼苗的根長(zhǎng)及株高均顯著高于其余3種作物，其次是花生根系分泌物處理；當(dāng)濃度為R3時(shí)，大豆根系分泌物處理下小麥幼苗的根長(zhǎng)及株高均顯著高于其余3種作物，其次是甘薯根系分泌物處理。

2.4 作物根系分泌物對(duì)小麥幼苗生理指標(biāo)的影響

2.4.1 對(duì)小麥幼苗葉綠素含量的影響 從圖2可以看出，4種作物根系分泌物對(duì)小麥幼苗葉綠素含量的影響基本一致，即與R0相比，隨著根系分泌物濃度的增大，小麥幼苗的葉綠素含量均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。表明這4種作物根系分泌物對(duì)小麥幼苗葉綠素含量均具有一定的抑制作用。同一濃度下，大豆、花生、玉米根系分泌物對(duì)小麥幼苗葉綠素含量的影響未達(dá)到顯著性差異，當(dāng)濃度為R3時(shí)，甘薯根系分泌物處理下小麥幼苗葉綠素含量與其他處理差異顯著。

表2 作物根系分泌物對(duì)小麥幼苗根長(zhǎng)和株高的影響Tab.2 Effects of root exudates of crops on root length and plant height of wheat seedlings

不同小寫(xiě)字母表示不同作物間差異顯著(P<0.05),下同 Different letter showed significcmt difference (P<0.05) among Different crops, the same below圖2 作物根系分泌物對(duì)小麥幼苗葉綠素含量的影響Fig.2 Effects of root exudates of crops on chlorophyll content of wheat seedling

2.4.2 對(duì)小麥幼苗POD活性的影響 如圖3所示，隨著4種作物根系分泌物濃度的增加，小麥幼苗的POD活性均隨之升高。當(dāng)濃度為R3時(shí)，大豆根系分泌物處理下的小麥幼苗POD活性達(dá)到最大；當(dāng)濃度為R1時(shí)，甘薯根系分泌物處理下的小麥幼苗POD活性顯著高于其余3種作物；當(dāng)濃度為R2和R3時(shí)，大豆根系分泌物處理下的小麥幼苗POD活性均顯著高于其余3種作物；其次是甘薯根系分泌物處理，其小麥幼苗POD活性顯著高于花生、玉米根系分泌物處理。

圖3 作物根系分泌物對(duì)小麥幼苗葉片POD活性的影響Fig.3 Effects of root exudates of crops on POD activity in leaves of wheat seedlings

2.4.3 對(duì)小麥幼苗CAT活性的影響 如圖4所示，不同濃度下小麥幼苗CAT活性均高于R0，并隨著根系分泌物濃度的增加，小麥幼苗CAT活性也逐漸升高。當(dāng)濃度為R3時(shí)，甘薯根系分泌物處理下的小麥幼苗CAT活性達(dá)到最大，且除R0外，甘薯根系分泌物處理下的小麥幼苗CAT活性均顯著高于其他3種作物，且較R0增幅大，其次是大豆根系分泌物處理。同一濃度下，大豆、花生和玉米根系分泌物處理間無(wú)顯著差異，但大豆根系分泌物處理下的小麥幼苗CAT活性略高于花生和玉米根系分泌物處理。

2.4.4 對(duì)小麥幼苗SOD活性的影響 如圖5所示。當(dāng)濃度為R1時(shí)，甘薯根系分泌物處理下的小麥幼苗SOD活性顯著高于其他3種作物，且大豆分別與花生、花生與玉米根系分泌物處理間差異達(dá)到顯著水平。當(dāng)濃度為R2和R3時(shí)，甘薯根系分泌物處理下小麥幼苗SOD活性顯著高于其他3種作物，其次是大豆根系分泌物處理，花生和玉米根系分泌物處理下的小麥幼苗SOD活性之間無(wú)顯著性差異。

圖5 作物根系分泌物對(duì)小麥幼苗葉片SOD活性的影響Fig.5 Effects of root exudates of crops on SOD activity in leaves of wheat seedling

2.4.5 對(duì)小麥幼苗MDA含量的影響 如圖6所示，隨著濃度升高，大豆和甘薯根系分泌物處理下的小麥幼苗MDA含量呈下降趨勢(shì)。當(dāng)濃度為R1時(shí)，花生根系分泌物處理下的小麥幼苗MDA含量達(dá)到最大。當(dāng)濃度為R1、R2時(shí)，花生和玉米根系分泌物處理間小麥幼苗MDA含量差異不顯著。當(dāng)濃度為R3時(shí)，大豆、甘薯、花生根系分泌物處理間小麥幼苗MDA含量差異不顯著。

圖6 作物根系分泌物對(duì)小麥幼苗葉片MDA含量的影響Fig.6 Effects of root exudates of crops on MDA content in leaves of wheat seedling

3 結(jié)論與討論

植物化感作用與根系分泌物的種類(lèi)及濃度密切相關(guān)。不同作物的根系分泌物化感效應(yīng)不同，同一作物的根系分泌物在不同濃度下化感效應(yīng)也不同[23]。因根系分泌物具有親水性且不易揮發(fā)，能保證獲得的根系分泌物水溶液的成分絕大多數(shù)是由供試作物根系主動(dòng)分泌的[24]。本研究表明，大豆、花生、玉米、甘薯這4種作物根系分泌物對(duì)小麥種子的萌發(fā)均有一定的化感抑制作用，與前人的研究結(jié)果一致[25-29]。不同濃度的作物根系分泌物對(duì)小麥種子萌發(fā)的抑制作用程度不同，這可能是由于不同作物根系分泌物中影響小麥種子萌發(fā)的化感物質(zhì)成分有所差異或含量不同所致。小麥種子的萌發(fā)對(duì)大豆根系分泌物的敏感程度不高，但大豆根系分泌物中的某些化感物質(zhì)可促進(jìn)小麥幼苗的生長(zhǎng)，其具體成分和作用機(jī)制等問(wèn)題有待進(jìn)一步探究。

葉綠素含量是表征植物生長(zhǎng)狀況的重要指標(biāo)。本研究表明，小麥幼苗中的葉綠素含量總體上隨著4種作物根系分泌物濃度的增加呈下降趨勢(shì)。POD、CAT是植物體內(nèi)重要的活性氧清除劑，具有分解H2O2的作用[30]，SOD對(duì)植物細(xì)胞起保護(hù)作用，在逆境時(shí)其酶活性增加[31]。本研究中小麥幼苗的POD、CAT活性總體上隨著4種作物根系分泌物濃度的增加而增加，這可能是因?yàn)榧尤敫捣置谖锖?，小麥幼苗?xì)胞內(nèi)的活性氧自由基增加[32]，從而導(dǎo)致POD、CAT活性增強(qiáng)。植物在逆境下遭受傷害與活性氧積累誘發(fā)的膜質(zhì)過(guò)氧化作用密切相關(guān)，MDA是膜脂過(guò)氧化的重要產(chǎn)物，因此可通過(guò)測(cè)定MDA含量了解膜脂過(guò)氧化的程度[33-35]。小麥幼苗中MDA含量隨著大豆和甘薯根系分泌物濃度的升高而降低，這可能是由于此條件下保護(hù)酶活性的增強(qiáng)，膜脂過(guò)氧化作用降低，從而使MDA含量降低。綜上所述，本研究中不同濃度的大豆、花生、玉米、甘薯4種作物根系分泌物對(duì)小麥種子和幼苗均有不同程度的影響，相比于玉米和花生處理，大豆和甘薯根系分泌物低濃度處理下小麥的胚根長(zhǎng)、根長(zhǎng)、株高、SOD活性、POD活性、CAT活性的促進(jìn)作用較為明顯。從生化角度來(lái)看，大豆、甘薯與小麥輪作能更好地促進(jìn)小麥生長(zhǎng)，但種植甘薯會(huì)使小麥播期推遲而影響小麥產(chǎn)量，不太適宜作為小麥前茬作物。大豆、花生、玉米、甘薯這4種作物根系分泌物中化感物質(zhì)的種類(lèi)、作用機(jī)制、臨界含量等問(wèn)題有待于進(jìn)一步研究。