單春燕,陳志遠(yuǎn),王柳潔,張 曼,于海靜,江路雨,李玉英,李百煉,張龍沖,

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院,鄭州 450000;2.河南省軟籽石榴工程研究中心,河南南陽 473000;3.河南省南水北調(diào)中線水源區(qū)流域生態(tài)安全國際聯(lián)合實驗室,河南南陽 473061;4.加州大學(xué) 河濱分校環(huán)境科學(xué)系,美國河濱 CA92521)

植物在長期的進(jìn)化過程中會通過化感作用保持自身對生存資源的競爭優(yōu)勢[1],化感作用是指植物(包括微生物)在其生長過程中會產(chǎn)生化學(xué)物質(zhì),這些化學(xué)物質(zhì)通過自然揮發(fā)、根系分泌、雨霧淋溶以及植株腐解4種方式進(jìn)入環(huán)境,從而對其他植物或自身產(chǎn)生有利或者不利影響的現(xiàn)象[1-3],植物釋放的化感物質(zhì)廣泛存在于植物的莖葉、根系等器官之中[4-5]。

外來入侵植物危害日益嚴(yán)重,其會與本土植物競爭生存資源,搶占本土植物生態(tài)位,進(jìn)而破壞當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,威脅生物多樣性[6-7]。三葉鬼針草是一種入侵性極強的入侵植物[8],屬于菊科鬼針草屬1 a生草本植物,以種子繁殖為主,具有生命周期短、生態(tài)適應(yīng)性強、結(jié)實率高且易于傳播、萌發(fā)率高、繁殖速度快、能在惡劣環(huán)境中繁殖和存活等特點。三葉鬼針草植株中含有黃酮類、酚類等有效成分,其中黃酮類是其主要活性成分[9]。目前關(guān)于三葉鬼針草的研究主要包括,將其作為超富集植物修復(fù)遭受重金屬鎘污染的土壤[10-12],作為藥材在臨床應(yīng)用中與其他中藥配合應(yīng)用[13],作為動物的飼草資源[14]等,另外三葉鬼針草作為一種入侵植物也受到了廣泛關(guān)注[15-16]。核桃、桃、石榴、柿樹是中國重要的經(jīng)濟樹種,已有研究發(fā)現(xiàn)核桃樹的根、葉片等器官中存在可以影響多種植物生長的胡桃醌、酚類等化感物質(zhì),高劑量的核桃凋落葉對滇重樓生長產(chǎn)生了強烈的化感作用[17-18];桃葉中含有黃酮等化學(xué)物質(zhì)[19];石榴葉中含有總酚、鞣質(zhì)、總黃酮、鞣花酸等有效成分[20];柿葉中含有單寧,是一種存在于植物中的水溶性多酚類物質(zhì)[21]。原慧芳等[22]研究表明柿樹葉片具有化感潛力,柿樹葉片浸提液顯著抑制蘿卜、小麥、綠豆種子發(fā)芽和幼苗生長。

有研究表明,可以利用植物之間的化感作用實現(xiàn)田間雜草、外來入侵植物的生物防治[21-23]。目前關(guān)于探究果樹對入侵植物三葉鬼針草種子萌發(fā)與幼苗生長的化感作用以及三葉鬼針草自身自毒效應(yīng)的研究較少,本試驗從化感作用的角度出發(fā),以4種本地常見果樹(核桃、桃、石榴、柿)即將凋落的葉片及三葉鬼針草地上部分植株為研究對象,探究核桃、桃、石榴、柿的葉及三葉鬼針草地上部分植株浸提液對三葉鬼針草種子萌發(fā)和幼苗生長的化感效應(yīng),為防治三葉鬼針草入侵,利用果樹葉片資源開發(fā)新的生物除草劑提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

核桃、桃、柿、石榴樹即將凋落的葉片和三葉鬼針草植株(地上部分)以及三葉鬼針草種子均于2020年9月-11月采自于河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林木種苗繁育中心園內(nèi),該基地地處東經(jīng)112°42′～ 114°13′,北緯34°16′～34°58′。

1.2 浸提液配制

用蒸餾水洗去采集的供體材料葉片表面灰塵,放在室溫下陰干備用,將陰干的植物葉片放在打粉機中打磨成粉末,每種植物葉片粉末分別稱取50 g置于錐形瓶中,分別往錐形瓶中加入 1 000 mL的蒸餾水,常溫下浸泡24 h,在常溫條件下用搖床120 r·min-1水浴振蕩浸提48 h,分別取各上清液用雙層濾紙過濾兩次得到質(zhì)量濃度為0.05 g·mL-1的母液,取各植物葉片浸提液部分母液加蒸餾水分別稀釋至質(zhì)量濃度為 0.005、0.025 g·mL-1,放置于4 ℃冰箱中冷藏備用[24]。

1.3 發(fā)芽試驗

采用培養(yǎng)皿濾紙法進(jìn)行種子萌發(fā)試驗,選取50粒健康、籽粒飽滿的三葉鬼針草種子置于鋪有兩層濾紙的培養(yǎng)皿中,分別加入0.005、0.025和0.05 g·mL-1的浸提液10 mL,對照組加等量蒸餾水,每種處理3個重復(fù)。所有培養(yǎng)皿放于 15 ℃、80%濕度、光周期12 h的光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng),萌發(fā)過程中若出現(xiàn)缺水,適時加入相應(yīng)質(zhì)量濃度的浸提液或蒸餾水補充,以濾紙始終保持濕潤為度,種子發(fā)芽的標(biāo)準(zhǔn)是胚根突破種皮1～ 2 mm[25]。

1.4 指標(biāo)測定

每天同一時間記錄每個培養(yǎng)皿中發(fā)芽的種子數(shù),連續(xù)5 d無萌發(fā)即視為發(fā)芽結(jié)束,最后分別計算種子的發(fā)芽率(germination rate,GR)、發(fā)芽指數(shù)(germination index,GI)、發(fā)芽勢(germination potential,GP)、化感作用效應(yīng)指數(shù)(response index,RI),從每個培養(yǎng)皿中隨機挑選20株幼苗測量其芽長和根長,并計算根長與芽長的根冠比[25],使用萬分之一天平測量胚芽與胚根的鮮、干質(zhì)量。

發(fā)芽率=發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%

發(fā)芽指數(shù)=∑(Gt/Dt)(Gt:在t天內(nèi)的發(fā)芽數(shù),Dt:第t天)

發(fā)芽勢=第4天發(fā)芽種子數(shù)/供試種子 數(shù)×100%

參照史生晶等[15]的計算公式,C為對照值,T為處理值,各測試指標(biāo)中T≥C時,RI=1-C/T;T0時表示促進(jìn)作用,RI<0時表示抑制作用,其絕對值的大小反映化感作用的強弱。綜合化感效應(yīng)(SE)用供體同一處理下對同一受體各測試指標(biāo)化感效應(yīng)指數(shù)(RI)的算術(shù)平均值進(jìn)行評價,即綜合化感效應(yīng)指數(shù)用發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽勢、胚芽長度、胚根長度、胚芽和胚根的長度根冠比、胚芽鮮質(zhì)量、胚根鮮質(zhì)量、胚芽干質(zhì)量、胚根干質(zhì)量10個指標(biāo)化感效應(yīng)指數(shù)的平均值表示。

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 25.0和Excel 2010對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理,采用單因素方差分析法分析不同植物的不同質(zhì)量濃度浸提液對三葉鬼針草種子萌發(fā)和幼苗生長各指標(biāo)的影響差異,試驗數(shù)據(jù)以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差”表示,P<0.05為差異性評判標(biāo)準(zhǔn),對滿足正態(tài)分布的數(shù)據(jù)使用LSD法進(jìn)行多重比較,對少數(shù)不滿足正態(tài)分布的數(shù)據(jù)使用非參數(shù)Kruskal-Wallis法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 5種浸提液對三葉鬼針草種子發(fā)芽率的 影響

如表1所示,在0～0.05 g·mL-1質(zhì)量濃度浸提液處理下,柿葉、核桃葉、三葉鬼針草植株浸提液對受體植物種子發(fā)芽率均無顯著影響(P>0.05),其種子萌發(fā)率均在97%以上。石榴葉、桃葉浸提液在0～0.025 g·mL-1質(zhì)量濃度范圍內(nèi)對受體植物種子的發(fā)芽率亦無顯著影響 (P>0.05),而在0.05 g·mL-1石榴葉和桃葉浸提液處理下,三葉鬼針草種子的發(fā)芽率顯著低于對照組(P<0.05),其種子發(fā)芽率分別為 70.00%和 21.34%,化感效應(yīng)指數(shù)分別為 -0.291和-0.79。綜合分析表明,5種浸提液對三葉鬼針草種子發(fā)芽率影響不大,僅高質(zhì)量濃度 (0.05 g·mL-1)下桃葉、石榴葉浸提液對三葉鬼針草種子發(fā)芽率具有顯著抑制作用,其他均無顯著影響。

表1 5種浸提液處理下三葉鬼針草種子的發(fā)芽率Table 1 Germination rate of Bidens pilosa seeds under five kinds of extracts

2.2 5種浸提液對三葉鬼針草種子發(fā)芽指數(shù)的影響

由表2可見,0.025、0.05 g·mL-1質(zhì)量濃度下的5種浸提液對三葉鬼針草種子發(fā)芽指數(shù)均有顯著的抑制作用,其發(fā)芽指數(shù)均顯著低于對照組(P<0.05),尤其在不同質(zhì)量濃度石榴葉浸提液處理下,三葉鬼針草種子發(fā)芽指數(shù)均受到抑制作用,且具有顯著的濃度效應(yīng)。在柿葉、核桃葉、桃葉、三葉鬼針草、石榴葉浸提液處理下的三葉鬼針草種子發(fā)芽指數(shù)分別在10.41～28.47、 12.89～28.86、1.25～24.28、13.28～28.25、6.66～ 21.16,對照組發(fā)芽指數(shù)為25.720。綜合分析認(rèn)為,5種浸提液對三葉鬼針草種子發(fā)芽指數(shù)的影響較大,其抑制作用強弱順序依次為:桃葉>石榴葉>柿葉>核桃葉>三葉鬼針草。

表2 5種浸提液處理下三葉鬼針草種子的發(fā)芽指數(shù)Table 2 Germination index of Bidens pilosa seeds under five kinds of extracts

2.3 5種浸提液對三葉鬼針草種子發(fā)芽勢的 影響

表3顯示,在柿葉、核桃葉、桃葉、石榴葉浸提液0.05 g·mL-1質(zhì)量濃度處理下,三葉鬼針草種子的發(fā)芽勢顯著低于對照組(P<0.05),尤其在桃葉浸提液下被完全抑制,這表明三葉鬼針草種子萌發(fā)的時間進(jìn)程與集中程度在該質(zhì)量濃度處理下受到顯著抑制;在柿葉、核桃葉、桃葉、三葉鬼針草、石榴葉浸提液不同質(zhì)量濃度處理下的三葉鬼針草種子發(fā)芽勢分別為54.67%～ 99.34%、87.34%～97.34%、0.02%～100.00%、 95.34%～100.00%、37.34%～96.00%,對照組發(fā)芽勢為98.67%。綜合分析認(rèn)為,三葉鬼針草種子發(fā)芽勢對桃葉水提物最敏感,其次是石榴葉水提物。

表3 5種浸提液處理下三葉鬼針草種子的發(fā)芽勢Table 3 Germination potential of Bidens pilosa seeds under five kinds of extracts

2.4 5種浸提液對三葉鬼針草幼苗芽長、根長、根冠比的影響

表4表明,三葉鬼針草幼苗芽長在柿葉、核桃葉、桃葉、石榴葉浸提液下受到的化感作用均呈現(xiàn)出“低促高抑”雙重濃度效應(yīng),而其根長與根冠比在柿葉、核桃葉、三葉鬼針草、桃葉浸提液下則受到不同程度的抑制作用,且抑制作用具有濃度效應(yīng)。三葉鬼針草浸提液對自身幼苗芽長具有促進(jìn)作用,尤其在較低質(zhì)量濃度下促進(jìn)效應(yīng)明顯 (P<0.05)。在高質(zhì)量濃度(0.05 g·mL-1)柿葉、核桃葉、桃葉、石榴葉浸提液處理下,三葉鬼針草幼苗芽長和根長顯著低于對照組(P<0.05),尤其石榴葉浸提液對三葉鬼針草幼苗芽長和根長的抑制作用最強,其化感作用效應(yīng)指數(shù)分別為 -0.565、 -0.665,但同一質(zhì)量濃度下對三葉鬼針草幼苗根冠比抑制效應(yīng)最顯著的是桃葉浸 提液。

表4 5種浸提液處理下三葉鬼針草幼苗的芽長、根長、長度根冠比Table 4 Bud length,root length and length root-shoot ratio of Bidens pilosa seedlings under five kinds of extracts

2.5 5種浸提液對三葉鬼針草幼苗質(zhì)量的影響

從表5可看出,三葉鬼針草幼苗胚芽和胚根鮮質(zhì)量在高質(zhì)量濃度(0.05 g·mL-1)的石榴葉浸提液處理下受到顯著抑制作用(P<0.05),其余不同質(zhì)量濃度的不同供體植物浸提液對三葉鬼針草幼苗鮮質(zhì)量、干質(zhì)量均表現(xiàn)為促進(jìn)作用或不顯著抑制作用,尤其在質(zhì)量濃度為0.005 g·mL-1的5種浸提液下,三葉鬼針草幼苗胚芽鮮質(zhì)量均高于對照組,且差異顯著(P<0.05)。

表5 5種浸提液處理下三葉鬼針草幼苗的胚芽鮮質(zhì)量、胚根鮮質(zhì)量、胚芽干質(zhì)量、胚根干質(zhì)量Table 5 Fresh mass of germ and radicle,dry mass of germ and radicle of Bidens pilosa seedlings under five kinds of extracts

2.6 5種浸提液對三葉鬼針草種子萌發(fā)和幼苗生長的綜合化感效應(yīng)

如表6所示,三葉鬼針草種子萌發(fā)與幼苗生長受5種浸提液的綜合化感影響均呈現(xiàn)出“低促高抑”的變化趨勢,其中桃葉、三葉鬼針草植株浸提液濃度在0.025 g·mL-1時就表現(xiàn)出抑制作用。在柿葉、核桃葉、桃葉、三葉鬼針草、石榴葉浸提液0.05 g·mL-1質(zhì)量濃度處理下,三葉鬼針草種子萌發(fā)與幼苗生長均受到較強的化感抑制作用,綜合化感效應(yīng)指數(shù)分別為-0.225、-0.099、-0.406、-0.110、-0.395,其在該質(zhì)量濃度下綜合化感效應(yīng)指數(shù)的強弱表現(xiàn)為:桃葉>石榴葉>柿葉>三葉鬼針草>核桃葉。

表6 5種浸提液處理下三葉鬼針草種子萌發(fā)和幼苗生長的綜合化感效應(yīng)Table 6 Allelopathic comprehensive effects of Bidens pilosa seed germination and seedling growth under five kinds of extracts

3 討 論

種子萌發(fā)對入侵種群個體的定居、繁衍、擴散等起著非常重要的作用[15],它是單向且不可逆轉(zhuǎn)的,而幼苗生長直接影響著植株對資源的競爭力,植物間化感作用通過影響植物種子萌發(fā)及幼苗生長進(jìn)而影響種群建成[9]。本研究表明,5種供體植物浸提液中均含有干擾三葉鬼針草種子萌發(fā)與幼苗生長的化感物質(zhì),但效應(yīng)因浸提液濃度、化感物質(zhì)種類、受體植物的不同生長階段及不同部位而異。

3.1 5種浸提液對三葉鬼針草種子萌發(fā)的影響

總的來說,本研究中當(dāng)5種浸提液質(zhì)量濃度低于0.025 g·mL-1時,三葉鬼針草種子萌發(fā)對浸提液的化感作用有一定耐受性,在萌發(fā)過程中能夠抵御一定的化感干擾,這也可能是三葉鬼針草入侵性較強的一個因素[26]。4種果樹葉浸提液在高質(zhì)量濃度(0.05 g·mL-1)時對三葉鬼針草發(fā)芽指數(shù)和發(fā)芽勢均表現(xiàn)出抑制效應(yīng),且對發(fā)芽指數(shù)和發(fā)芽勢的影響大于對發(fā)芽率的影響,說明其發(fā)芽指數(shù)與發(fā)芽勢作為衡量化感作用的指標(biāo)比發(fā)芽率更敏感,這與已有研究結(jié)果相似[27-29]。三葉鬼針草是典型的機會主義者,萌發(fā)條件適宜時種子就大量快速萌發(fā)從而侵占生境資源,這是其成為入侵植物的一個重要原因[26],而高質(zhì)量濃度(0.05 g·mL-1)4種果樹葉浸提液導(dǎo)致其種子發(fā)芽集中程度降低,發(fā)芽時間延長,將可能會嚴(yán)重影響三葉鬼針草植物對資源的競爭能力。

對于具體供體植物而言,三葉鬼針草種子發(fā)芽指數(shù)在石榴葉浸提液處理下始終受到顯著抑制作用,而其發(fā)芽率、發(fā)芽勢僅在高質(zhì)量濃度 (0.05 g·mL-1)時受到顯著抑制作用,這與范麗花等[30]的研究結(jié)果相似。在浸提液0.05 g·mL-1質(zhì)量濃度下,桃葉浸提液對三葉鬼針草種子萌發(fā)的抑制作用最強,說明該質(zhì)量濃度下受體植物種子對桃葉中的化感物質(zhì)最敏感。

3.2 5種浸提液對三葉鬼針草幼苗生長的影響

本研究發(fā)現(xiàn),高質(zhì)量濃度(0.05 g·mL-1)的柿葉、核桃葉、桃葉、石榴葉浸提液均對三葉鬼針草幼苗芽長、根長、根冠比具有不同程度抑制作用,且同一浸提液對幼苗根長的抑制作用要強于芽長,說明同一受體植物的不同部位對同一化感物質(zhì)敏感性不同[31],可能與根系最先直接接觸到浸提液環(huán)境中的化感物質(zhì),更容易也更快受到化感作用影響所致。Rice[32]研究發(fā)現(xiàn)化感物質(zhì)會通過影響植物內(nèi)源激素的合成與利用從而影響種子萌發(fā)與幼苗生長,進(jìn)而對植株芽長和根長產(chǎn)生影響,本研究結(jié)果也可能與此有關(guān)。

在5種浸提液中,三葉鬼針草浸提液對其自身芽長、胚芽的鮮質(zhì)量、干質(zhì)量表現(xiàn)為促進(jìn)作用,其對自身幼苗根長和根冠比則表現(xiàn)出不同程度的抑制作用,這與鄭欣穎等[16]和王桔紅等[33]研究結(jié)果相似,植物在遭受逆境脅迫時具有一定的耐受性和適應(yīng)性,在應(yīng)對不同生境時會采取不同的生物量分配策略[34]。從本研究結(jié)果可推測當(dāng)三葉鬼針草種群密度高時,可能會通過自感作用抑制種內(nèi)其他個體根系生長,將更多生物量分配到地上部分,甚至有可能會提高其在成熟階段的有性繁殖投入,增強自身入侵性[3,35]。高質(zhì)量濃度(0.05 g·mL-1)下僅石榴葉和桃葉浸提液抑制三葉鬼針草幼苗胚芽和胚根鮮質(zhì)量,且石榴葉浸提液抑制顯著,說明三葉鬼針草幼苗生長對桃葉和石榴葉浸提液較敏感,同時也表明不同浸提液中的化感物質(zhì)成分存在差異,同一受體植物在不同化感物質(zhì)脅迫下的抗干擾能力不同[36]。

4 結(jié) 論

5種供體植物浸提液對三葉鬼針草種子萌發(fā)與幼苗生長存在不同程度的化感效應(yīng),其中桃葉和石榴葉浸提液對三葉鬼針草種子萌發(fā)與幼苗生長的綜合化感抑制作用較為明顯,在開發(fā)成生物制劑治理三葉鬼針草具有較好的發(fā)展與應(yīng)用前景。4種果樹葉片及三葉鬼針草地上部分植株對三葉鬼針草種子萌發(fā)與幼苗生長的化感作用還需要對浸提液進(jìn)行成分分析以及結(jié)合大田試驗進(jìn)行進(jìn)一步研究。