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(1.貴州大學生命科學學院/農(nóng)業(yè)生物工程研究院，貴州省農(nóng)業(yè)生物工程重點實驗室，山地植物資源保護與種質(zhì)創(chuàng)新省部共建教育部重點實驗室，貴陽 550025；2.貴州大學茶學院/貴州省山地生態(tài)與農(nóng)業(yè)生物工程2011協(xié)同創(chuàng)新中心，貴陽 550025；3.貴州省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)農(nóng)村部/國家DUS中心貴陽分中心，貴陽 550006)

化感(Allelopathy)是指植物(或微生物)通過向周圍環(huán)境釋放某些化學物質(zhì)，對自身或其附近生物的生長產(chǎn)生的促進或抑制作用[1-2]。利用不同作物間化感作用的性質(zhì)和特點，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應用中布局合理的耕作模式，可以有效利用有限空間、促進作物生長和增加作物產(chǎn)量[3-4]，反之則會對作物的生長不利。例如：芝麻和棉花套作，棉花會受芝麻根系分泌的化感物質(zhì)影響，導致生長緩慢[5]；番茄和黃瓜套作，番茄根部分泌物及植株產(chǎn)生的揮發(fā)物，會對黃瓜的生長有明顯抑制作用[6]。

棉花是我國重要的經(jīng)濟作物，在中國的栽培歷史悠久，且在多地均有種植[7]，棉花是一年生木本植物，高0.6～1.5 m，大多數(shù)的棉地廂寬都在1.2 m左右[8]，種植間距較大，因此利用化感作用，合理的選擇農(nóng)作物與其套種或間種，可以高效利用土地，提高植棉收益。但目前棉花的化感作用主要是對小麥、孜然和向日葵的研究較多[9-10]，而對于棉花與其他重要經(jīng)濟作物的相互作用研究報道較少。

大豆和西瓜也是我國重要的經(jīng)濟作物，全國各地都有大面積種植。在早年間，就有人將西瓜、大豆與棉花進行套作和間作，近幾年也有人報道過“瓜、棉、豆”套作體系[11-12]，此套作體系中對3種作物的生長互有益處，但具體研究未有報道，因此為進一步探明瓜、棉、豆三者種植之間的相互作用，本研究采用陸地棉GK 50為材料，取其地下部分制成不同濃度的水浸提液，通過作物幼苗室內(nèi)培養(yǎng)和盆栽模擬試驗，以白菜為陰性對照，測定相關(guān)生理生化指標，研究棉花植株水浸提液對西瓜和大豆的化感作用，觀察其對西瓜、大豆2種作物的種子萌發(fā)及幼苗生長的影響，以期為“瓜、棉、豆”套作體系提供一定理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 實驗材料

本研究所用材料為陸地棉GK 50棉花植株，由中棉所贈予的種子種植所得；西瓜(新小玉、京欣2號)和白菜(魯白6號)種子購于北京鳳鳴雅世科技有限公司；大豆(中黃37號)種子購于河北慶豐種業(yè)有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1棉花水浸提液制備

參照劉躍鵬等[13]的方法，略有改動。在試驗地中隨機選取生長良好的陸地棉GK 50植株，取其地下部分，于烘箱中60 ℃烘干至恒重，搗碎研磨成粉存于4 ℃?zhèn)溆谩Ｔ谌瞧恐蟹Q取100 g粉碎樣品，加入1 L蒸餾水于180 r·min-1搖床上充分震蕩混勻24 h，經(jīng)2層紗過濾備用；濾液作為水浸提原液，用蒸餾水將原液分別稀釋成4倍(4 ×)、8倍(8 ×)、16倍(16 ×)備用。

1.2.2棉花水浸提液處理大豆等種子

受體種子消毒，參照李彩鳳等[14]和韓志軍[15]的方法。用2%的次氯酸鈉溶液，浸泡充實飽滿的大豆、白菜和西瓜種子消毒10 min，蒸餾水清洗3～5次后，采用濾紙培養(yǎng)皿法，將種子分別置于含蒸餾水、稀釋4倍、8倍、16倍及原液水浸提液的90 mm培養(yǎng)皿中，28 ℃人工氣候箱中暗培養(yǎng)，每次處理各作物100粒種子，每個處理3次重復，以蒸餾水培養(yǎng)為對照，3 d后開始統(tǒng)計各培養(yǎng)皿中的種子萌發(fā)數(shù)，記錄數(shù)據(jù)。

1.2.3棉花水浸提液處理大豆等幼苗

選取充實飽滿的3種作物種子，用2%的次氯酸鈉溶液處理15 min，蒸餾水清洗4次后在28 ℃的氣候箱中暗培催芽2～5 d。選取芽長均一的各品種受體種子，分別置于含蒸餾水、稀釋4倍、8倍、16倍和原液水浸提液珍珠巖培養(yǎng)缽中，每個處理3次重復，光照培養(yǎng)箱(28 ℃、光照時間12 h·d-1)中培養(yǎng)10 d后，洗凈根部珍珠巖，用吸水紙吸干水分，測量株高、主根長，記錄數(shù)據(jù)。

1.2.4保護酶活性及MDA含量測定

取各濃度水浸提液處理后的受試植物幼苗根部，按照蘇州科銘生物技術(shù)有限公司的試劑盒說明書，稱取0.1 g組織，加入1 mL提取液進行冰浴勻漿，4 ℃8 000 g離心10 min，取上清液按步驟加入試劑盒中的試劑，用酶標儀測定相關(guān)吸光值，根據(jù)說明書中配套公式測定SOD、POD、CAT的酶活性以及MDA的含量。

注：A為對白菜的影響，B為對大豆的影響，C為對京欣西瓜的影響，D為對新小玉西瓜的影響；ck、0 ×、4 ×、8 ×、16 ×分別表示濃度為水、原液、稀釋4倍、稀釋8倍、稀釋16倍。下同。圖1 陸地棉GK 50根部水浸提液對幼苗株高的影響

1.2.5結(jié)果分析

以國家農(nóng)業(yè)部發(fā)布白菜類種子發(fā)芽率(85%)、大豆種子發(fā)芽率(85%)、西瓜種子發(fā)芽率(90%)為標準，所得數(shù)據(jù)用SPSS 13.0軟件和Excel 2010軟件進行分析；

發(fā)芽率(%)=(發(fā)芽終止時正常發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總數(shù))×100%。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉花水浸提液對幾種作物的影響

種子萌發(fā)實驗結(jié)果表明，100 g·L-1原液濃度的棉花根部浸提液對白菜、大豆和西瓜的種子萌發(fā)均有顯著抑制作用。和水處理相比，白菜的萌發(fā)率下降了14.1%，大豆萌發(fā)率下降8.93%，京欣西瓜萌發(fā)率下降10.33%，新小玉西瓜下降9.03%(表1)。稀釋4倍的浸提液，對白菜種子仍有顯著抑制作用，相比水處理的萌發(fā)率下降了10.54%，但該濃度下大豆、京欣西瓜和新小玉西瓜的種子萌發(fā)率分別為86.6%、86.7%和87.53%，對比水處理無顯著變化。稀釋8倍的浸提液處理時白菜、大豆、京欣西瓜和新小玉西瓜的萌發(fā)率為87%、89%、92.3%和88.2%，對比水處理無顯著變化。稀釋16倍的浸提液處理時白菜、大豆、京欣西瓜和新小玉西瓜的萌發(fā)率為89.67%、89.43%、90.83%和92.43%，對比水處理也無顯著變化。稀釋4倍的浸提液對白菜萌發(fā)率影響顯著，但對大豆和西瓜種子萌發(fā)率無顯著影響，說明棉花浸提液對白菜的抑制作用更明顯。

作物幼苗盆栽試驗結(jié)果表明，100 g·L-1原液濃度的棉花根部浸提液對白菜幼苗的生長抑制作用最為顯著(圖1 A和圖3 A)，此時白菜株高2.27 cm，根長1.6 cm，而水處理的白菜株高4.1 cm，根長2.53 cm，株高相比矮了44.6%，根長短了36.8%，抑制作用達極顯著水平。該濃度下大豆的株高9.17 cm，根長8.33 cm，水處理的株高10.1 cm，根長9.6 cm，相比矮了9.2%，短了13.2%，抑制作用達顯著水平。高濃度棉花根系浸提液對白菜株高和根的生長抑制作用極顯著，對大豆株高和根的生長抑制作用顯著。

表1 陸地棉GK 50根部不同濃度的水浸提液對作物萌發(fā)率的影響

注：“*”與“**”分別表示在p<0.05與p<0.01上的差異顯著性，本表數(shù)據(jù)為同一處理3次重復平均值，下同。

京欣西瓜在原液濃度處理下株高7.0 cm，根長3.73 cm，水處理的株高6.23 cm，根長3.8 cm，株高相比提高12%，顯著的促進株高的生長，但根長相比無顯著影響。新小玉西瓜在原液濃度下株高8.93 cm，根長3.5 cm，水處理的株高9.17，根長3.7 cm，相比差異都不顯著。說明高濃度棉花根系浸提液對西瓜無抑制作用。

圖2 陸地棉GK 50根部水浸提液對幼苗根長的影響

注：A為白菜幼苗，B為大豆幼苗，C為京欣西瓜幼苗，D為新小玉西瓜幼苗；4 ×、0 ×、ck分別表示濃度稀釋4倍、原液、水處理。圖3 高濃度棉花根部水浸提液對幼苗生長的影響

稀釋8倍的浸提液處理下，顯著促進了3種作物幼苗株高(圖4)，大豆株高12.47 cm，京欣西瓜株高7.26 cm，新小玉西瓜株高11.37 cm，白菜株高4.6 cm，對比水處理的分別增長了23%、17%、24%和12%；該濃度下大豆根長10.96 cm，對比水處理的長了14%，差異達顯著水平，白菜、京欣西瓜和新小玉西瓜根長分別為2.9 cm、3.9 cm和3.9 cm，對比水處理的無差異變化。稀釋16倍的浸提液處理下，極顯著促進了大豆和西瓜的幼苗株高，大豆株高16.3 cm，京欣西瓜株高9.37 cm，新小玉西瓜株高12.2 cm，對比水處理的分別增長了61%、50%和33%；顯著促進白菜的株高，白菜株高4.87 cm，相比水處理的增長了18.7%；在該濃度處理下下對白菜和西瓜的根長無顯著影響，但極顯著促進了大豆的根長，大豆根長12.6 cm，比水處理的長了31%。稀釋8倍和稀釋16倍浸提液處理下大豆、西瓜和白菜的株高都有顯著增長，說明低濃度下棉花根系浸提液對3種作物都有顯著的促進作用。

2.2 根部水浸提液對受體幼苗根系保護酶活性及MDA含量的影響

超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)廣泛存在于動物、植物和微生物中[16]。SOD酶可以催化超氧化物陰離子發(fā)生歧化作用，生成H2O2和O2；POD酶催化過氧化氫氧化酚類和胺類化合物反應，具有消除過氧化氫和酚類、胺類毒性的作用[17]；CAT酶是最主要的H2O2清除酶；植物器官組織在逆境下遭受傷害或衰老時，往往發(fā)生膜脂過氧化作用，生成過氧化脂質(zhì)，后者逐漸分解為一系列復雜的化合物，其中包括MDA，積累MDA對膜和細胞能造成傷害，其含量能用來反映植物受逆境傷害的程度[18]。

注：A為白菜幼苗，B為大豆幼苗，C為京欣西瓜幼苗，D為新小玉西瓜幼苗；16 ×、8 ×、ck分別表示濃度稀釋16倍、稀釋8倍、水處理。圖4 低濃度棉花水浸提液對大豆和西瓜幼苗生長的影響

取棉花根部浸提液處理的幼苗根部，進行SOD、POD和CAT保護酶活性及MDA含量的測定。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在100 g·L-1原液濃度處理下，新小玉西瓜和京欣西瓜的SOD保護酶活性為72.16 U·g-1和71.23 U·g-1，而水處理下SOD酶活性為62.38 U·g-1和58.97 U·g-1，相比分別增加了15.7%和20.8%，差異顯著，2種西瓜的POD和CAT酶活性及MDA含量對比水處理的無明顯變化(圖5)。大豆在原液濃度下的CAT酶活性205.87 nmol·(min·g)-1，MDA含量3.03 nmol·g-1，水處理下的CAT酶活性為238.46 nmol·(min·g)-1，MDA含量2.67 nmol·g-1，相比之下，CAT酶活性下降了13.7%，MDA含量增加了13.5%，差異顯著，但大豆的SOD保護酶活性49.82 U·g-1，POD保護酶活性12 631.21 U·g-1，對比水處理的都無顯著變化。而白菜在原液濃度下，SOD、POD和CAT保護酶活性分別為33.18 U·g-1、4 911.51 U·g-1和53.14 nmol·(min·g)-1，MDA含量2.51 nmol·g-1，水處理下的SOD、POD和CAT保護酶活性為43.91 U·g-1、5 878.87 U·g-1和59.88 nmol·(min·g)-1，MDA含量3.38 nmol·g-1，3種保護酶活性相比之下都顯著下降，分別下降了24.4%、16.5%和11.3%，MDA含量相比增加了25.7%，差異達極顯著水平，其保護酶系統(tǒng)嚴重受損。

注：A為對SOD活性的影響，B為對MDA含量的影響，C為對POD活性的影響，D為對CAT活性的影響；“*”與“**”分別表示在p<0.05與p<0.01上的差異顯著性。圖5 陸地棉GK 50根部水浸提液對幾種作物幼苗保護酶活性及MDA含量的影響

3 結(jié) 論

本研究采用陸地棉GK 50為試驗材料，研究棉花根部不同濃度水浸提液對大豆(中黃37號)、西瓜(京欣2號和新小玉)種子萌發(fā)、幼苗生長及相關(guān)保護酶活性的影響，通過研究發(fā)現(xiàn)，稀釋4倍的浸提液處理，顯著抑制了白菜種子萌發(fā)率，相比水處理的萌發(fā)率下降了10.54%，但該濃度下大豆、京欣西瓜和新小玉西瓜的種子萌發(fā)率分別為86.6%、86.7%和87.53%，對比水處理無顯著變化。原液濃度的棉花根部浸提液極顯著抑制了白菜幼苗的生長，其株高相比水處理矮了44.6%，根長短了36.8%，該濃度下大豆的株高相比矮了9.2%，根長短了13.2%，抑制作用達顯著水平，而京欣西瓜在原液濃度處理下株高相比高了12%，新小玉西瓜在原液濃度下株高相比差異不顯著。稀釋8倍的浸提液處理下，顯著促進了大豆、京欣西瓜、新小玉西瓜、白菜的株高，對比水處理的分別增長了23%、17%、24%和12%。稀釋16倍的浸提液處理下，極顯著促進了大豆、京欣西瓜、新小玉西瓜幼苗株高，對比水處理分別增長了61%、50%和33%，顯著促進白菜的株高，相比水處理增長了18.7%。綜上所述，不同濃度的棉花根部浸提液對白菜和大豆生長表現(xiàn)出了低濃度促進而高濃度抑制的現(xiàn)象；不同濃度的棉花根部浸提液對西瓜生長表現(xiàn)出了低濃度促進而高濃度不抑制的現(xiàn)象。

研究中，棉花高濃度根部浸提液明顯影響了白菜的萌發(fā)和生長，而對西瓜的影響并不顯著。通過檢測白菜、大豆和西瓜的保護酶活性可以發(fā)現(xiàn)，白菜的SOD、CAT和POD保護酶的活性明顯降低，MDA含量大幅增高，但西瓜的SOD酶活性反而贈加，大豆和西瓜的POD、CAT酶活性無顯著變化。而POD酶具有消除酚類和胺類毒性的作用，CAT酶是最主要的H2O2清除酶，在活性氧清除系統(tǒng)中具有重要作用，SOD酶更是機體自我保護系統(tǒng)中極為重要的成分，能使超氧自由基發(fā)生歧化反應，是機體內(nèi)超氧自由基的天然消除劑[19]。因此相比白菜保護酶系統(tǒng)受損嚴重，大豆和西瓜的保護酶依舊在發(fā)揮作用，這也是大豆和西瓜相比白菜受到的抑制作用更小的原因。

化感作用需要達到一定濃度才能發(fā)揮效應，具體表現(xiàn)為“低促高抑”即低濃度促進高濃度抑制，同時不同的植物對化感物質(zhì)的敏感效應也不同[20-21]。本研究中高濃度的棉花浸提液對西瓜的生長影響并不大，證明西瓜對棉花高濃度水浸提液的敏感效應較低，同時低濃度的浸提液能極顯著的促進大豆和西瓜的生長，這些在理論上為“瓜、棉、豆”套種體系提供了一定依據(jù)，但本實驗僅是在室內(nèi)進行的盆栽實驗，而在復雜的自然環(huán)境條件下是否會產(chǎn)生其他影響，還有待研究。

我國人均土地資源稀少，將合適的作物進行合理套作、間作，找到類似瓜、豆、棉等重要經(jīng)濟作物之間的有效套作、間作方式是一個必然選擇，而化感作用亦是研究作物合理套作、間作的一個有效辦法，在實際中應充分有效利用植物間的化感效應，減少植物的相互作用，在提高土地使用效率的同時提高作物的產(chǎn)量。