陳黎 劉成功 萬志兵 章維

(黃山學院，黃山，245041) (中國林業(yè)科學研究院林業(yè)研究所) (黃山學院) (安徽省懷寧縣林業(yè)局)

植物間的化感作用是植物通過根系分泌、莖葉淋溶、地上揮發(fā)和枯落物殘體分解等途徑，向環(huán)境釋放化學物質(化感物質)，并對周圍其他受體植物生長發(fā)育產生促進或抑制作用的現(xiàn)象[1-4]，主要包括化感偏害作用、自毒作用、自促作用和互惠作用等[5]。植物化感作用作為一門新興交叉學科，已成為國內外學者的研究熱點[6-8]。自然條件下，植物的組織或器官均能向環(huán)境中釋放酚酸類、萜類以及炔類等次生化合物，并通過植物—土壤的反饋強度和方向影響著植物種間關系、群落結構、演替規(guī)律和功能發(fā)揮[9-11]。研究發(fā)現(xiàn)，包括果實在內的植物器官凋落物腐解后釋放的次生代謝物改變土壤的理化性質的同時也會影響其他植物的正常生長[12-13]，而火炬樹(Rhustyphina)的果穗及山核桃(Caryacathayensis)的外果皮中所含的化感活性物質均會不同程度的影響著其他植物的生長[14-15]，米槁(Cinnamomummigao)的果皮、種皮等器官凋落物的浸提物會顯著抑制其幼苗生長[16]。另有研究表明，植物化感作用具有可遺傳性，不同種質的化感潛力不同，相同植物所含化感成分的差異對種子的萌發(fā)抑制作用也不同[17]。在農林經(jīng)營中，化感作用是立體復合經(jīng)營的重要影響因子，尤其是優(yōu)勢樹種不斷產生和積累的化感物質會改變周圍的土壤性質及林下植被生長[18-19]。因此，處理好植物與植物之間、植物與環(huán)境之間的關系，是獲得較好經(jīng)營效益的關鍵所在[20-21]。

南方紅豆杉(Taxuschinensisvar.mairei)為紅豆杉科紅豆杉屬植物，主要分布于我國南方地區(qū)，為國家一級保護樹種，全株含紫杉醇及其衍生物[22]，種子具有深休眠性[23]。生產栽培中為增加前期土地效益，提高生產力，降低南方紅豆杉純林造林所引發(fā)的土壤肥力退化等問題，將其與其他樹種復合栽培的經(jīng)營模式已有報道，南方紅豆杉與厚樸(Magnoliaofficinalis)和黨參(Codonopsispilosula)的復合經(jīng)營提高了厚樸的藥用部分生物量[24]；南方紅豆杉與杉木(Cunninghamialanceolata)套種有助于其優(yōu)良冠型和干材的形成[25]。研究發(fā)現(xiàn)，南方紅豆杉種皮和種仁均含有大量種子萌發(fā)抑制物質，且浸提液對其他植物具有明顯化感效應[26-28]，但對于南方紅豆杉結種期和凋落期這些化感物質釋放乃至分解進入土壤后是否會影響與其套種植物生長的研究尚未受到重視。為深入了解南方紅豆杉與其他植物生長過程中的關系，文中以白菜籽為受體，探究南方紅豆杉種子不同部位浸提物對白菜籽萌發(fā)和幼苗生長的化感作用，旨在了解南方紅豆杉種子部分對其他植物的化感作用，為南方紅豆杉林分套種或間種植物，實現(xiàn)合理的栽培布局提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供體材料南方紅豆杉種子于2016年11月份采集于黃山市黟縣紅豆杉基地(海拔100～280 m)，樹齡為20 a左右，種子長5.78 mm，寬4.55 mm，胚長1.53 mm，平均每粒種子質量0.071 0 g，含水量6.35%，生活力77.25%，胚乳呈油質淺黃色；受體材料‘鄭白886’小白菜種子，以下簡稱白菜籽(純度96%、凈度98%、含水量≤7%、發(fā)芽率≥85%、成活率98%，河北豐樂種業(yè))，研究中所涉及的甲醇和乙醚皆為分析純。

1.2 南方紅豆杉種子浸提液制備

選取新鮮飽滿的南方紅豆杉種子3 500粒，用解剖刀分離出種皮、胚乳和種胚各50 g，研磨后放入錐形瓶中，加入80%甲醇溶液4 ℃下浸提36 h(每隔3 h震蕩1次)后濾出上清液，剩余部分用80%乙醚溶液同樣方法浸提36 h?；旌蟽纱芜^濾液，35 ℃下濃縮蒸干后用蒸餾水定容至50 mL，得1.00 g·mL-1種子浸提母液，再將浸提母液分別用蒸餾水稀釋為1.00、0.75、0.50、0.25 g·mL-14個梯度溶液，保存于5 ℃下備用。

1.3 受體白菜籽萌發(fā)試驗

種子萌發(fā)試驗采用培養(yǎng)皿紙上發(fā)芽法。將白菜籽在35 ℃溫水中浸種20 min，各取100粒飽滿種子拭干表面水分，擺放在墊有雙層定量濾紙的培養(yǎng)皿中，分別加入上述不同梯度質量濃度的南方紅豆杉種子浸提液3 mL，以蒸餾水為空白對照組(CK，即質量濃度為0 g·mL-1)，各處理4次重復。在光照12 h(25 ℃)/黑暗12 h(25 ℃)，75%濕度，4 000 lx人工氣候箱中培養(yǎng)，每隔24 h統(tǒng)計1次種子發(fā)芽數(shù)(以種子露白為發(fā)芽標準)，每天18:30添加相應質量濃度浸提液2 mL，確保濾紙濕潤。72 h發(fā)芽試驗結束，測定幼苗根系活力(TTC法)、根長、莖長、葉片葉綠素質量分數(shù)(丙酮-乙醇混合液提取法)以及鮮質量和干質量。

1.4 南方紅豆杉種子浸提液生物測定及化感效應評價指標

參考Williamson et al.[29]和Lin et al.[30]的方法，采用以下指標及計算方法對南方紅豆杉種子化感效應進行評價：

發(fā)芽率=(發(fā)芽終期種子發(fā)芽數(shù)/測試種子總數(shù))×100%；

發(fā)芽勢=(48 h后種子發(fā)芽數(shù)/測試種子總數(shù))×100%；

發(fā)芽指數(shù)=∑(Gt/Dt)(式中：Gt為不同時間的發(fā)芽數(shù)；Dt為相應的發(fā)芽時間)；

活力指數(shù)=S×GI(式中：S為試驗終期幼苗莖長；GI為發(fā)芽指數(shù))；

發(fā)芽速度指數(shù)=2×(1×X3+2×X2+3×X1)(式中：X1為24 h后發(fā)芽種子數(shù)；X2為48 h后發(fā)芽種子數(shù)；X3為72 h后發(fā)芽種子數(shù))；

化感效應敏感指數(shù)=(1-T/C)×100%(式中：C為對照組數(shù)值；T為處理組數(shù)值；RI為化感效應敏感指數(shù)，RI>0表示化感抑制作用，RI<0表示化感促進作用)；

化感綜合效應為同一處理下受體白菜籽的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽活力指數(shù)、發(fā)芽速度指數(shù)以及幼苗的根長、莖長、根系活力、物質積累量和葉片葉綠素質量分數(shù)等化感效應敏感指數(shù)的算術平均值。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計在Excel 2013中完成，方差分析及多重比較(Duncan新復極差法)等分析處理均在SPSS21.0數(shù)據(jù)分析軟件中完成。

2 結果與分析

2.1 南方紅豆杉種子浸提液對受體白菜籽萌發(fā)的影響

受體白菜籽在不同質量濃度南方紅豆杉種皮、胚乳和種胚浸提液下的發(fā)芽勢與CK類似，萌發(fā)培養(yǎng)48 h后發(fā)芽率均出現(xiàn)迅速增長，此后逐漸趨于平緩(表1)。由表2可知，南方紅豆杉種子浸提液對白菜籽萌發(fā)性狀的化感作用不完全一致。0.25 g·mL-1種皮浸提液有利于提高白菜籽的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和發(fā)芽活力指數(shù)，且發(fā)芽活力指數(shù)顯著大于CK，而其余萌發(fā)性狀與CK差異不顯著，隨著種皮浸提液質量濃度的增大，白菜籽萌發(fā)受抑制作用加強。供體胚乳和種胚浸提液均對白菜籽萌發(fā)有著顯著的化感抑制作用，且抑制作用均隨浸提液質量濃度的增大而增強，當種胚浸提液質量濃度達1.00 g·mL-1時，白菜籽萌發(fā)率為零，此時種胚中的抑制物質完全限制了白菜籽的萌發(fā)。對比供體種子不同部位浸提液對白菜籽萌發(fā)的影響發(fā)現(xiàn)，相同質量濃度下白菜籽萌發(fā)的受抑制強度差異顯著，由強到弱的順序為種胚、胚乳、種皮，種皮浸提液培養(yǎng)下的白菜籽平均發(fā)芽率、平均發(fā)芽勢、平均發(fā)芽指數(shù)、平均發(fā)芽活力指數(shù)和平均發(fā)芽速度指數(shù)分別是胚乳和種胚的1.72倍和4.45倍、1.65倍和4.45倍、1.80倍和5.05倍、2.47倍和10.78倍、1.76倍和4.93倍。說明南方紅豆杉種子的種胚雖小，但其所含抑制萌發(fā)物質的活性顯著高于種皮和胚乳。

表1 南方紅豆杉種子不同部位浸提液對白菜籽發(fā)芽進程的影響

表2 南方紅豆杉種子不同部位浸提液對白菜籽萌發(fā)的化感作用

2.2 南方紅豆杉種子浸提液對受體白菜幼苗生長量的影響

由表3可知，質量濃度為0.25 g·mL-1時，種皮浸提液下生長的白菜莖長顯著長于CK，高出66.58%，胚乳浸提液下白菜莖長比CK長19.95%，但差異不顯著，種胚浸提液下白菜莖長則比CK短13.72%。質量濃度為0.50 g·mL-1時，種皮浸提液對白菜莖生長仍具有顯著促進作用，而胚乳和種胚浸提液表現(xiàn)出抑制作用，其中種胚浸提液的抑制作用更顯著，莖長比CK短了90.52%。隨著浸提液質量濃度的增大，各部位浸提液下白菜莖長逐漸變短，抑制作用增強，莖長敏感指數(shù)增大。質量濃度為1.00 g·mL-1時，各部位浸提液對白菜莖長敏感指數(shù)均超過45%，其中種胚浸提液形成完全抑制。說明低質量濃度南方紅豆杉種皮和胚乳浸提液能夠促進白菜幼苗莖生長，且前者顯著大于后者，而種胚浸提液以及高質量濃度的種皮和胚乳浸提液不利于受體白菜的莖生長，且同一質量濃度下種胚浸提液的抑制作用大于胚乳，種皮最小。

同時發(fā)現(xiàn)，供體種子浸提液會抑制受體幼苗的根生長，且與浸提部位有關，抑制強度由強到弱的順序為種胚、胚乳、種皮(表3)。質量濃度為0.25 g·mL-1時，胚乳和種胚浸提液下受體幼苗根長與CK相比差異顯著，種皮浸提液下受體幼苗根長也縮短了4.25%。隨著質量濃度增加，各部位浸提液的抑制作用顯著增強，根長逐漸變短，根長抑制指數(shù)隨之增大。質量濃度為0.50 g·mL-1時，種胚浸提液對根長的抑制與CK相比差異顯著，敏感指數(shù)為88.04%，是種皮的2.31倍。質量濃度為0.75 g·mL-1時，胚乳浸提液對根長的敏感指數(shù)達到86.96%，是種皮和種胚的1.38倍和0.90倍。1.00 g·mL-1種胚浸提液下白菜根長生長完全受限。相同部位相同浸提液質量濃度對根長的化感敏感指數(shù)整體上大于對莖長的化感敏感指數(shù)。

表3 南方紅豆杉種子不同部位浸提液對白菜幼苗生長的化感作用

2.3 南方紅豆杉種子浸提液對受體白菜幼苗根系活力的影響

由表4可知，不同質量濃度南方紅豆杉種皮、胚乳和種胚浸提液對受體幼苗根系活力的化感作用不同。質量濃度為0.25 g·mL-1時，供體種皮和胚乳浸提液下的受體幼苗根系活力高于CK，但差異不顯著，而種胚浸提液大大降低了受體幼苗的根系活力，分別比種皮、胚乳和CK降低了21.44%、19.90%和19.35%，化感抑制顯著；質量濃度達0.50 g·mL-1時，供體浸提液對受體幼苗根系活力均形成顯著抑制作用，且隨質量濃度增加，抑制作用越顯著；質量濃度為0.75、1.00 g·mL-1時，胚乳浸提液對受體幼苗根系活力的抑制作用顯著大于種皮，而種胚浸提液的抑制作用始終顯著大于種皮和胚乳。說明低質量濃度的南方紅豆杉種子種皮和胚乳浸提液對白菜幼苗根系活力具有化感促進作用，種胚浸提液和高質量濃度種皮與胚乳浸提液則對白菜幼苗根系活力具有化感促抑制作用。

表4 南方紅豆杉種子不同部位浸提液對白菜幼苗根系活力的影響

2.4 南方紅豆杉種子浸提液對受體白菜幼苗鮮質量和干物質積累的影響

由表5可知，低質量濃度(0.25 g·mL-1)的南方紅豆杉種子浸提液對白菜幼苗的鮮質量和干質量均形成抑制，處理組鮮質量與CK均達到顯著水平，種胚浸提液下受體幼苗干質量與CK差異顯著。浸提部位間也存在差異，種胚浸提液對受體幼苗鮮質量和干質量的抑制強度要顯著大于種皮和胚乳。隨質量濃度增加，受體幼苗鮮質量和干質量受抑制程度增強，化感敏感指數(shù)增大。質量濃度為0.50 g·mL-1時，胚乳和種胚浸提液對幼苗鮮質量的化感敏感指數(shù)分別達50.07%和58.05%，抑制作用顯著大于種皮，而種胚浸提液下幼苗干質量僅為1.03 mg，比CK減少了73.04%，抑制作用也顯著大于種皮和胚乳，其化感敏感指數(shù)比后兩者之和仍高77.38%；質量濃度超過0.75 g·mL-1時，供體種子浸提液對幼苗鮮質量和干質量的抑制力由強到弱的順序均表現(xiàn)為種胚、胚乳、種皮、CK，且差異顯著。

表5 南方紅豆杉種子不同部位浸提液對白菜幼苗鮮質量和干物質積累的化感作用

2.5 南方紅豆杉種子浸提液對受體白菜幼苗葉片葉綠素質量分數(shù)的影響

由圖1可知，不同質量濃度南方紅豆杉種皮、胚乳和種胚浸提液處理下，受體幼苗葉綠素質量分數(shù)相較CK均表現(xiàn)出不同程度的下降，且隨浸提液質量濃度的增大，下降越明顯。質量濃度為0.25 g·mL-1時，種皮浸提液下生長的白菜幼苗葉綠素a、葉綠素b和葉綠素(a+b)質量分數(shù)分別比CK下降了12.59%、22.92%和14.31%，其中種胚浸提液下生長的受體幼苗葉綠素a和葉綠素(a+b)質量分數(shù)顯著低于種皮；質量濃度為0.50 g·mL-1時，種胚浸提液下生長的白菜幼苗葉綠素a、葉綠素b和葉綠素(a+b)質量分數(shù)分別比CK下降了34.96%、57.10%和38.66%，葉綠素b質量分數(shù)比種皮和胚乳兩個部位浸提液分別減少0.033、0.023 mg·g-1，葉綠素(a+b)質量分數(shù)比種皮浸提液減少0.033 mg·g-1，且均達到顯著水平；當質量濃度達到0.75 g·mL-1后，胚乳浸提液下生長的白菜幼苗葉綠素a和葉綠素(a+b)質量分數(shù)顯著低于種皮，而葉綠素b質量分數(shù)顯著高于種胚，但與種皮未達到顯著差異。

2.6 南方紅豆杉種子浸提液對受體白菜幼苗化感效應的綜合評價

由表6可知，質量濃度為0.25 g·mL-1的南方紅豆杉種皮浸提液對受體種子萌發(fā)和幼苗生長的化感綜合效應與其發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽活力指數(shù)、發(fā)芽速度指數(shù)及幼苗根系活力和莖長的化感敏感指數(shù)一致，均為負值，表現(xiàn)出化感促進作用，而質量濃度為0.50 g·mL-1種皮浸提液及胚乳和種胚浸提液對受體種子萌發(fā)和生長的化感綜合效應均為正值，表現(xiàn)出化感抑制作用。各部位浸提液對受體種子萌發(fā)和生長的化感綜合效應均呈現(xiàn)出明顯的質量濃度效應，即隨著浸提液質量濃度的升高化感綜合效應數(shù)值越大，抑制作用越強。相同質量濃度下，南方紅豆杉種子各部位浸提液對受體種子萌發(fā)和生長的化感作用綜合效應的絕對值由大到小的順序為種胚、胚乳、種皮。

表6 南方紅豆杉種子不同部位浸提液對白菜籽萌發(fā)及其幼苗生長化感作用的綜合效應

3 結論與討論

種子萌發(fā)是植物生命進程的起點，植物體內的化感物質不僅對自身種子萌發(fā)具有促進或抑制作用[31]，同時也會影響其他植物種子萌發(fā)和幼苗生長[29]。研究發(fā)現(xiàn)，東北紅豆杉(Taxuscuspidata)種子浸提液會顯著抑制白菜種子發(fā)芽[32]。南方紅豆杉作為紅豆杉屬的重要種，其大量結實后經(jīng)淋溶和微生物分解對周圍植物同樣具有影響，文中從南方紅豆杉種子種皮、胚乳和種胚三個角度出發(fā)，研究其化感作用。結果表明：南方紅豆杉種子不同部位浸提液均在不同程度上影響了白菜籽萌發(fā)，這主要與南方紅豆杉種子不同部位均含有種子萌發(fā)抑制物質有關[26]。隨著種皮浸提液質量濃度增加對白菜籽萌發(fā)抑制逐漸增強，這與Dai et al.[33]發(fā)現(xiàn)南美蟛蜞菊(Wedeliatrilobata)提取物對受體種子萌發(fā)呈低質量濃度促進高質量濃度抑制的現(xiàn)象一致，而南方紅豆杉胚乳和種胚浸提液均會顯著抑制白菜籽萌發(fā)，該現(xiàn)象與張翔宇等[34]大花黃牡丹(Paeonialudlowii)種子浸提液對白菜種子萌發(fā)的研究相似，當質量濃度達到1.00 g·mL-1時，白菜籽在種胚浸提液中失去萌發(fā)能力，表明種胚中高濃度的化感成分對白菜籽的萌發(fā)活力造成了毒害。相同質量濃度下，南方紅豆杉種胚浸提液對白菜籽的萌發(fā)抑制力最強，其次是胚乳，可見同一植物不同器官內化感物質種類和質量分數(shù)差異會引起器官間化感差異的觀點[35]，同時推測南方紅豆杉種子的抑制萌發(fā)物質主要存在于種胚。

化感作用能夠以影響相鄰植物或后入同種或他種植物的生長和發(fā)育來改變種間互作強度，在生物入侵、植被配置和群落構建中發(fā)揮重要作用[36]。Tian et al.[37]發(fā)現(xiàn)，紫莖澤蘭(Ageratinaadenophora)入侵10 a后的土壤對其伴生植物的生長存在明顯的化感抑制，且有研究發(fā)現(xiàn)，受體幼苗生長對這種化感作用具有質量濃度依賴性[7]。本研究顯示，白菜幼苗莖生長對南方紅豆杉種皮和胚乳浸提液同樣具有依賴性，即低質量濃度促進高質量濃度抑制，且對白菜幼苗生長和物質積累隨浸提液質量濃度的增加抑制程度加強，而種胚浸提液不利于白菜生長，即生長抑制，這可能與南方紅豆杉種胚中含有更多的、復雜的化感物質有關[38]。根系生長活力是反映根系生長和地上部分營養(yǎng)狀況的重要指標[39]。與藿香(Agastacherugosa)浸提液對幼苗根系活力的影響類似[40]，本研究中低質量濃度南方紅豆杉種皮和胚乳浸提液對白菜幼苗根系活力具有化感促進作用，高質量濃度下具有明顯的抑制作用，而種胚浸提液則對白菜根系活力表現(xiàn)出明顯的抑制作用。此外，根生長受南方紅豆杉種子浸提液的抑制強度要高于莖生長，反映了根系對化感物質的敏感性強于地上部分，這可能是因為根系比莖優(yōu)先接觸化感物質，根系首先受到脅迫所致。

葉綠素是反映植物光合效率和同化能力的關鍵色素，其質量分數(shù)大小很大程度上影響植物的正常生長，而化感物質的存在則會引起植物光合色素質量分數(shù)的變化[41]。本研究中不同質量濃度南方紅豆杉種皮、胚乳和種胚浸提液下白菜幼苗葉片葉綠素a、葉綠素b和葉綠素(a+b)質量分數(shù)均顯著低于對照組，且隨浸提液質量濃度的增大越明顯，這與香根草(Vetiveriazizanioides)水浸液對黑麥草(Loliummultiflorum)幼苗葉綠素質量分數(shù)的影響相似[42]。另外，白菜幼苗莖長和物質積累量的變化規(guī)律均與葉片葉綠素質量分數(shù)相一致，可推測，新鮮南方紅豆杉種子浸提液阻礙了白菜幼苗體內的葉綠素合成，致使幼苗光合效率和同化能力降低，進而抑制了植株生長和物質積累，這也是農林復合經(jīng)營過程中對套種或間作植物的光合生理變化所要考慮的因素之一。

化感綜合效應可用來衡量化感作用類型和強度[29，40，43]。為避免單一性狀對化感作用的局限性，綜合效應可從整體上更加客觀地反映受體植物的化感敏感性。本研究從種子萌發(fā)、幼苗生長及葉片葉綠素質量分數(shù)13個指標綜合分析了白菜對南方紅豆杉種子浸提液的化感敏感性。結果顯示，低質量濃度南方紅豆杉種皮浸提液對白菜籽萌發(fā)和幼苗生長的化感綜合效應呈負值(化感促進)，高質量濃度下綜合化感效應呈正值(化感抑制)，表現(xiàn)出明顯的“低促高抑”現(xiàn)象，這與前人的相關研究結果相似[44]。而胚乳和種胚浸提液對白菜籽萌發(fā)和生長均表現(xiàn)為化感抑制，且具有顯著的質量濃度效應。相同質量濃度下，南方紅豆杉種胚浸提液對白菜化感綜合效應最大，抑制程度最大，其次是胚乳，可以推測，新鮮南方紅豆杉種胚所含抑制萌發(fā)物質活性最強，這與東北紅豆杉種子抑制萌發(fā)物質的研究結果一致[32]。

研究植物的化感作用對農林復合經(jīng)營過程中的套作或間作等技術和制度的安排協(xié)調、田林間雜草病蟲害防范，以及復合系統(tǒng)下植物—土壤—微生物互作關系的研究具有重要指導價值。但植物間的化感作用具有復雜性、可變性、特殊性和多途徑性，且受自然環(huán)境因素的影響較大[2]。文中尚處于室內試驗階段，南方紅豆杉種子含有的化感物質種類、質量分數(shù)、釋放速度、活性及其與其他共生植物種子的萌發(fā)生長和土壤養(yǎng)分循環(huán)過程等化感機制尚未證實。因此，為了更準確更全面地了解南方紅豆杉種子的化感作用，有必要加強田間條件下多環(huán)境多植物的化感效應和作用機理研究，以進一步驗證本結果的可靠性，最終為南方紅豆杉林合理配置其他套種或間作植物提供參考依據(jù)。