5种化感物质对鬼针草种子萌发的影响

5种化感物质对鬼针草种子萌发的影响

化感作用是指自然界中的植物和微生物通过自身的吸收、雨水和雾、蒸发或分解而向环境中释放化感物质，并对其他植物和微生物产生有益或不利的影响。由于植物化感作用在农作物耕作制度的合理安排、农田杂草控制以及减少连作障碍危害等方面起着重要的作用,因此近年来受到国内外科学家的高度重视。鬼针草(BidenspilosaL.)为菊科(Compositae)鬼针草属(BidensL.)的一年生草本植物。原产于热带美洲,瘦果冠毛芒状,具倒刺,可能由于附着于人畜和货物带入我国,由于其环境适应性强,生长速度快,容易逃逸为野生形成优势种群,并对其入侵地乡土种形成危害,目前,鬼针草已经在华南地区迅速蔓延,入侵果园、茶园和园林植物群落,成为危害极大的外来入侵植物。目前,化学除草剂虽然能有效控制杂草,但其弊端众所周知。因此,越来越多的学者试图利用植物化感物质控制杂草,以减少对化学除草剂的依赖,以此保护生态环境和生物多样性。近年来,已从各种植物中分离得到种类繁多、数量庞大的化感物质,这些化感物质对许多杂草的生长具有明显的抑制作用。李巧峡等的研究表明,阿魏酸、香草酸、可可碱、茶碱、木樨草素、槲皮黄素6种化感物质对白藜(Chenopodiumalbum)种子萌发、幼苗生长及抗氧化物酶活性有明显的影响,且影响效应与化感物质的种类及浓度显著相关。何华勤等和易振等的研究表明酚酸类化感物质对稗草(Echinochloacrusgalli)和水葫芦(Eichhorniacrassipes)具有明显的抑制作用。然而从已发现的化感物质中筛选经济实惠、防效好且生态安全的植物源除草剂的相关研究较少。因此,本试验选用在植物中广泛存在的6种化感物质阿魏酸和香草酸(酚类)、槲皮黄素和木樨草素(萜类)、茶碱和可可碱(生物碱类)为供体,以鬼针草为受体,通过研究6种化感物质对鬼针草种子萌发、幼苗生长和根尖细胞有丝分裂的影响,探讨6种化感物质对鬼针草种子萌发和幼苗生长的化感效应,以及不同类型的化感物质对受体植物的作用有无共性。以期从已发现的化感物质中筛选经济实惠、防除效果好且生态安全的植物源除草剂,为入侵植物鬼针草的防治及植物源除草剂的开发提供理论依据。1材料和方法1.1原则类属性供试材料为6种化感物质单体,酚类:阿魏酸和香草酸;萜类:槲皮黄素和木樨草素;生物碱类:茶碱和可可碱,以上单体均为分析纯,购于南京泽朗医药科技有限公司。化感物质受体植物鬼针草种子于2009年4月采自韩山师范学院校园及周边地区,装袋之后置于4℃冰箱保存。植物标本由韩山师范学院马瑞君教授鉴定。1.2鬼针草幼苗生长特性鬼针草种子萌发试验:将阿魏酸、香草酸、槲皮黄素、木樨草素、茶碱、可可碱用蒸馏水配制成2mmol·L-1的母液,然后将母液分别配制成0.01,0.05,0.1,0.2,0.5和1mmol·L-1的处理液,试验前配制,蒸馏水作为对照处理。将鬼针草种子用自来水冲洗5min,然后用0.5%的KMnO4消毒20min,再用蒸馏水冲洗4次,每次5min。选取大小均一、颗粒饱满的鬼针草种子均匀摆放于铺有2层滤纸直径15cm的培养皿中,每个培养皿50粒种子,分别加15mL不同浓度的化感物质处理液,对照组加蒸馏水,每个处理3个重复,共37个处理(6种类型化感物质,每种类型6个浓度梯度)。种子置于人工智能光照培养箱中培养,条件为:25℃下,12h光周期;20℃下,12h暗周期。每隔24h记录种子萌发数量,7d后统计萌发率(GR)、发芽速度指数(GS)。其中萌发率(GR)=(发芽种子总数/供试种子总数)×100%;发芽速度指数(GS)=2X[n×X1+(n-1)×X2+……+2×Xn-1+Xn]。n表示统计天数,X表示每隔24h的发芽数,X1=24h时记录的发芽数,X2=48h时记录的发芽数,其余依此类推。鬼针草幼苗生长试验:将阿魏酸、香草酸、槲皮黄素、木樨草素、茶碱、可可碱用Hoglang营养液配制成2mmol·L-1的母液,然后将母液分别配制成0.01,0.05,0.1,0.2,0.5和1mmol·L-1的处理液,以Hoagland营养液作为对照处理。采用“小杯法”测定,将消毒过的种子置于铺有2层滤纸的培养皿中,放入恒温光照培养箱中培养待萌发,选取长势尽可能一致的幼苗置于铺有细沙(厚2cm)的杯中(小杯内径10cm),每杯15株,将化感物质处理液及对照液各5mL加入各杯中。幼苗置于人工智能光照培养箱中培养,条件为:25℃下,12h光周期;20℃下,12h暗周期。不同处理每天补充1mL蒸馏水(补充每天的蒸发水分)。每个处理3次重复。10d后分别统计鬼针草幼苗的根长、苗高、干重和鲜重,每个重复测定10个幼苗。干重测定时先将幼苗在105℃杀青2h后,在80℃烘至恒温。根尖细胞有丝分裂:材料的培养是将消毒过的鬼针草种子置于铺有2层滤纸的培养皿中,每个培养皿中各加入15mL蒸馏水,每天补充1mL蒸馏水。置于人工智能光照培养箱中培养,条件为:25℃下,12h光周期;20℃下,12h暗周期。待根尖长至1.5～2cm长时,用不同化感物质溶液处理12h。切取根尖分生组织(0.5cm),固定于卡诺固定液中24h,然后转入70%的乙醇中,4℃冰箱中保存。制片与观察时,取保存的根尖用PBS漂洗3次,每次10min,然后置于HCl-CH3COOH解离液中解离,用PBS漂洗干净,改良苯酚品红染色液双重染色、压片、镜检、拍照。每处理组观察5～10个根尖,每个根尖随机观察4～6个视野,约5000个左右细胞,统计细胞有丝分裂指数。1.3化感综合效应测定的结果化感作用效应指数(RI)参照Williamson等的方法计算:RI=1-C/T(T≥C);RI=T/C-1(T<C),式中C为对照值,T为处理值。RI为化感作用效应指数,RI>0表示促进作用,RI<0表示抑制作用,绝对值的大小与作用强度一致。化感综合效应(SE)参照马瑞君等方法表示,即采取相加平均法,对萌发率的RI值和发芽速度的RI值采取相加平均法,所得结果用M表示。M>0为促进,M<0为抑制,绝对值的大小与作用强度一致。有丝分裂指数用根尖分生区中分裂细胞占根尖细胞总数的百分率表示。试验结果用算术平均数±标准差表示,采用SPSS16.0中的One-wayANOVA分析不同浓度化感物质处理与对照组间0.01水平的差异显著性,并利用Origin8.0作图,Excel2010作表。2结果与分析2.1鬼针草发芽速度指数的变化由图1可知,6种化感物质均对鬼针草种子的萌发产生化感效应,但不同化感物质对鬼针草种子萌发的抑制程度不同。其中阿魏酸对鬼针草种子的萌发表现出低浓度促进高浓度抑制的现象,当阿魏酸浓度为0.01,0.05,0.1和0.2mmol·L-1时,分别使鬼针草种子的萌发率增加了12.66%,16.46%,12.66%和6.33%(图1),但与对照相比没有显著差异;随着阿魏酸浓度逐渐增大,鬼针草种子的萌发率表现出显著降低。其余5种化感物质对鬼针草种子萌发均表现出浓度效应,即随着化感物质浓度增加,对鬼针草种子萌发的抑制作用也随之增强。在浓度为1mmol·L-1时,阿魏酸、香草酸、槲皮黄素、木樨草素、茶碱和可可碱分别使鬼针草种子的萌发率显著降低了88.61%,87.34%,84.81%,98.73%,93.67%和98.73%(P<0.01)。6种化感物质对鬼针草发芽速度指数的影响显示(图2),除在低浓度时阿魏酸处理的鬼针草发芽速度指数显著升高(P<0.01),其余化感物质均使鬼针草发芽速度指数降低,这与发芽率结果一致。当6种化感物质浓度为0.5mmol·L-1时,鬼针草发芽速度指数分别降低了75.56%,67.88%,82.12%,88.69%,74.14%和90.30%。随着化感物质浓度增大,鬼针草发芽速度指数降低幅度增大,在最高浓度1mmol·L-1时,阿魏酸、香草酸、槲皮黄素、木樨草素、茶碱和可可碱处理的鬼针草发芽速度指数均显著降低,与对照相比,分别降低了97.07%,94.65%,92.02%,99.80%,97.47%和99.80%(P<0.01)。化感效应指数是衡量化感作用强弱的重要指标,萌发率化感效应指数、发芽速度化感效应指数及化感综合效应结果显示(表1),低浓度阿魏酸处理的萌发率化感效应指数、发芽速度化感效应指数及化感综合效应指数均显示正值,说明低浓度阿魏酸对鬼针草的化感效应均表现为促进作用,随着阿魏酸处理液浓度逐渐增大,化感效应指数出现负值,说明高浓度阿魏酸对鬼针草的化感效应表现为抑制作用。除此之外,低浓度茶碱处理的鬼针草发芽速度化感效应指数显示正值,但化感综合效应指数显示负值,说明茶碱对鬼针草的化感效应总体表现为抑制作用。其余4种化感物质在不同浓度下对鬼针草化感效应指数均不是正值,所以化感效应均表现为抑制作用。随着6种化感物质浓度的增大,当浓度达到1mmol·L-1时,化感综合效应指数分别为-0.929,-0.912,-0.889,-0.995,-0.959和-0.995(表1)。2.2不同化感物质处理的鬼针草幼苗鲜重的变化6种化感物质对鬼针草幼根和幼苗生长的影响随着化感物质种类和浓度不同而不同(图3)。阿魏酸、香草酸、槲皮黄素和茶碱与对照相比,在低浓度时促进了鬼针草幼根和幼苗的生长,随着化感物质浓度的增大,在高浓度时抑制了鬼针草幼根和幼苗的生长。不同浓度的木樨草素均促进了鬼针草的根长和苗高,随着木樨草素浓度的增大,鬼针草的根长和苗高均有降低,但与对照相比,仍起促进作用。而不同浓度的可可碱处理的鬼针草根长和苗高均受到抑制,且抑制程度随着可可碱浓度的增大而增强。与对照相比,阿魏酸、香草酸、槲皮黄素、茶碱和可可碱浓度为1mmol·L-1时,鬼针草的根长分别降低了21.94%,34.19%,7.10%,27.10%和43.23%;苗高分别显著降低了26.60%,35.58%,30.13%,36.54%和48.08%(P<0.01)。6种化感物质处理的鬼针草幼苗鲜重也表现出与根长、苗高相同的趋势(图4)。阿魏酸、香草酸、槲皮黄素和茶碱处理的鬼针草鲜重表现为低浓度促进、高浓度抑制的现象,不同浓度的木樨草素使鬼针草鲜重显著增大,而可可碱处理的鬼针草鲜重具有一定的浓度效应,即随着可可碱浓度的增大,鬼针草鲜重逐渐降低。尽管在低浓度时6种化感物质对鬼针草幼苗鲜重的影响各有不同,但在高浓度时除木樨草素之外,其余化感物质对鬼针草幼苗鲜重均有抑制作用。在浓度为1mmol·L-1时,阿魏酸、香草酸、槲皮黄素、茶碱和可可碱处理下鬼针草幼苗的鲜重与对照相比,分别降低了34.55%,43.64%,10.91%,40.00%和58.18%(图4)。6种化感物质对鬼针草幼苗干重的影响显示(图5),除0.2mmol·L-1阿魏酸、0.01和0.05mmol·L-1木樨草素处理下,鬼针草幼苗干重有显著促进作用外,在其他不同浓度化感物质处理下,鬼针草幼苗干重与对照相比变化不大。以上结果显示,6种化感物质对鬼针草幼苗鲜重的化感效应明显高于对幼苗干重的化感效应,说明化感物质对鬼针草的化感作用主要体现在抑制幼苗鲜重上,对幼苗干重基本没有影响。2.3不同化感物质对鬼针草幼苗生长的影响对不同浓度化感物质处理12h后的鬼针草根尖细胞分裂情况进行观察,结果显示(表2),木樨草素处理的鬼针草幼苗根尖有丝分裂指数随着化感物质浓度增大而逐渐降低,但仍比对照高。可可碱处理的鬼针草幼苗根尖有丝分裂指数随着浓度增大而减小,在浓度为1mmol·L-1时,与对照相比,分裂指数、前期、中期及后-末期所占比例分别下降了47.45%,52.54%,30.71%和64.71%(表2)。而生长在其余4种化感物质溶液中的鬼针草幼苗,其根尖分生区有丝分裂在低浓度时,分裂指数增大,在高浓度时,分裂指数逐渐降低。且随着溶液浓度的增大,中期细胞相对比例增多,而后-末期细胞相对比例减少。如化感物质浓度为0.05mmol·L-1时,阿魏酸、香草酸、槲皮黄素和茶碱处理的鬼针草幼苗根尖有丝分裂指数分别升高了40.75%,46.65%,89.28%和6.17%。而当化感物质浓度增大至1mmol·L-1时,4种化感物质对鬼针草幼苗根尖有丝分裂指数表现为抑制作用,与对照相比,分别下降了16.35%,37.27%,1.88%和23.32%;除香草酸处理的鬼针草幼苗中期细胞所占比例下降14.96%外,阿魏酸、槲皮黄素和木樨草素处理的鬼针草幼苗中期细胞所占比例分别升高了44.88%,74.80%和40.16%;而4种化感物质处理的鬼针草幼苗后-末期细胞所占比例分别下降了47.06%,58.82%,76.47%和29.41%。由此可知,除木樨草素和可可碱外,其余化感物质都抑制了鬼针草根尖细胞的正常分裂活动,随着处理液浓度增大,分裂中期细胞相对增多,后-末期细胞减少,抑制细胞从分裂中期向分裂后-末期进入,进而抑制植株的生长。3化感作用对植物的影响目前已有许多的研究表明,化感物质对许多受体种子萌发具有“低促高抑”现象,即随着化感物质浓度的升高其化感效应逐渐增强,而化感物质对杂草种子萌发和幼苗生长具有抑制作用是筛选植物源除草剂的基础。本研究结果表明,鬼针草种子萌发率的变化随化感物质的不同而不同,除阿魏酸之外,其余5种化感物质对鬼针草种子萌发的抑制作用随浓度增大而增强,体现出明显的“低促高抑”现象。这与李巧峡等采用6种化感物质对白藜种子萌发的影响研究结果和周宝利等用化感物质松香酸对辣椒(CapsicumfrutescensL.)种子萌发效应的研究结果一致。化感物质抑制种子萌发的原因可能是化感物质影响了种子萌发所需要的关键酶类,如绿原酸、咖啡酸和儿茶酚抑制磷酸化酶。杨期和等的研究表明,咖啡酸、没食子酸和酚类物质的含量与苯丙氨酸解氨酶和肉桂酸-4-羟化酶活性密切相关,抑制了这些酶活性,可调节苯丙氨酸等物质代谢,使种子缺乏萌发所必需的能量及一些代谢过程所需要的中间产物,从而降低种子活力,抑制其萌发。本研究表明化感物质对细胞分裂时纺缍丝活动有影响,其可能通过影响细胞分裂而抑制种子萌发。化感物质对植物不同发育时期的影响不同。通常认为,对幼苗生长期的影响大于种子萌发期。本研究结果表明,化感物质对鬼针草幼苗生长期的作用大于种子萌发期,即对根长、苗高、鲜重的影响多数达到了显著水平。这与杨国庆等研究紫茎泽兰(Ageratinaadenopphora)水浸提液对不同植物种子萌发和幼苗生长的影响研究结果一致,得出对幼苗生长的抑制作用要强于对种子萌发的作用。另外,6种化感物质对受体幼苗生长的影响主要集中在对幼苗鲜重的影响,幼苗鲜重的变化与根长、苗高的变化一致,而对干重影响较小或没有随化感物质变化而变化的规律性。这可能与处理时间短,化感作用的抑制效应未能在幼苗干重上体现。植物化感作用的一个重要机制是化感物