外来入侵植物牛膝菊和野茼蒿水浸提液化感作用的生物测定

董红云,李 亚,汪 庆,姚 淦,夏 冰

〔江苏省·中国科学院植物研究所(南京中山植物园),江苏 南京 210014〕

植物的化感作用 (allelopathy)是植物通过淋溶、挥发、残体分解和根系分泌等方式向环境释放化学物质,从而对周围植物 (包括微生物)产生直接或间接的、有害或有利的作用[1]。外来入侵物种 (alien invasive species)是指从原自然分布区通过有意或无意的人类活动而被引入、在当地的自然或半自然生态系统中形成了自我再生能力、给当地的生态系统或景观造成明显损害或影响的物种。外来入侵植物能够在新栖息环境中成功排挤土著种,除通过占据当地物种生态位、降低当地物种多样性以及使当地物种没有适宜的栖息环境外,外来植物还通过释放化感物质,对新生境的土著生物进行抑制、排挤和毒杀,为自身营造更广阔的生存和发展空间,同时保护自身种群不受其他生物的侵害[2]。

菊科(Com positae)为外来入侵植物的优势科,在中国共有菊科外来入侵植物 49种,为外来种最多的科[3]；在江苏省的 33种入侵植物中菊科种类最多,占总种数的三分之一[4]；而在江苏省3个自然保护区的外来入侵植物中,菊科种类最多,占入侵植物总种数的 48％,且由于菊科植物种子数量多并多具有冠毛,易于传播和扩散,已经成为对自然保护区危害最大的入侵植物[5]。菊科的加拿大一枝黄花 (Solidago canadensisL.)、香丝草 〔Conyzabonariensis（L.) C ronq.〕、黄顶菊〔Flaveriabidentis(L.)Kuntze〕及一年蓬〔Erigeronannuus(L.)Pers.〕等外来杂草能够产生强烈的化感作用,抑制本土植物种子萌发和幼苗生长,并使本土植物的抗胁迫能力降低,显示出化感作用在外来种入侵过程中的重要作用[6-9]。牛膝菊(GalinsogaparvifloraCav.)为菊科一年生草本植物,原产南美洲,该种适应能力强、发生量大且难以去除,对入侵地的农田、菜园和果园等都有严重影响；野茼蒿〔Crassocephalumcrepidioides(Benth.)S.Moore〕为菊科多年生草本植物,原产非洲热带地区,目前在全球温暖地区归化,是果园和蔬菜地的恶性杂草[10]。这2种外来入侵植物均为恶性农田杂草,不但危害农作物的生长,还严重威胁着农业生态系统安全。

为探明菊科外来入侵植物的化感作用机制及对农作物的危害程度,作者以小麦 (TriticumaestivumL.)和玉米(ZeamaysL.)为实验材料,对外来入侵植物野茼蒿和牛膝菊水浸提液的化感活性进行了生物测定,为阐明外来植物入侵的化学机制、制定合理的治理办法以及维护农林生态系统安全提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 材料

牛膝菊采自南京中山植物园,野茼蒿采自宜兴龙池山森林自然保护区。

供试小麦品种‘宁麦 13号’(‘N ingm ai 13’)和玉米品种‘江南花糯’(‘Jiangnanhuanuo’)的种子均由江苏省农业科学院提供。

1.2 方法

于 2008年 10月随机选择多株长势良好的牛膝菊和野茼蒿野生植株为样株,分别取地上茎叶部分,用清水快速洗净后自然风干,剪成小段并粉碎成粉末,备用。分别称取牛膝菊和野茼蒿粉末样品各 50 g,按W(样品)∶V(蒸馏水)=1∶10的比例加入蒸馏水,并于恒温(25℃)条件下用摇床振荡提取 48 h,依次用 3层纱布和定性滤纸过滤,滤液即为水浸提液母液(0.10 g·mL-1),置于 -4℃冰箱内保存、备用。

采用培养皿滤纸法[11]进行种子萌发实验。挑选籽粒饱满、大小均一的小麦和玉米种子,分别用质量体积分数 0.5％的 KM nO4溶液浸泡消毒 2m in,然后用蒸馏水清洗 3次,备用。将牛膝菊和野茼蒿的水浸提液母液用蒸馏水分别稀释至 0.01、0.04、0.07和0.10 g·mL-1,作为处理液。在培养皿 (直径 9 cm)中铺 2层滤纸,分别加入适量的处理液(对照则加入适量蒸馏水)至滤纸湿润,在每一培养皿中均匀放置经过消毒的小麦或玉米种子 50粒,每处理 3次重复。将培养皿置于恒温(25℃)的培养箱中暗培养 3 d,从第 4天起置于温度 25℃、光照度 1 600 lx、光照时间12 h·d-1的条件下培养,在培养过程中不定期补充处理液或蒸馏水(对照)以保持滤纸湿润。每隔 24 h记录发芽的种子数 (胚根或胚轴突破种皮 1～2mm即视为萌发)。7 d后统计种子的发芽率,测量幼苗的最大根长、株高和鲜质量,并分别计算对照组和各个处理组的种子发芽指数和活力指数。

1.3 数据计算及处理

用W illiam son等[13]所提出的化感效应指数 (RI, response index)衡量野茼蒿和牛膝菊水浸提液对小麦和玉米种子萌发和幼苗生长各项指标的影响。以C为对照值,T为处理值；当T≥C时,RI=1-C/T；当T＜C,RI=T/C-1。RI＞0表示促进,RI＜0表示抑制,其绝对值的大小与化感作用强度一致。综合效应(SE,synthesis effect)为同一处理下受体种子的发芽指数、活力指数、株高和根长的化感效应指数的算术平均值[14]。

采用 SPSS 13.0统计分析软件进行单因素多变量方差分析,采用Duncan新复极差法进行多重比较。

2 结果和分析

2.1 野茼蒿水浸提液对小麦和玉米种子萌发和幼苗生长的影响

2.1.1 对小麦种子萌发和幼苗生长的影响 不同质量浓度野茼蒿水浸提液对小麦种子萌发和幼苗生长的影响见表 1。由表 1可以看出,除 0.01 g·m L-1野茼蒿水浸提液处理组小麦种子的发芽率及幼苗根长与对照组差异不显著外,0.01～0.10 g·mL-1野茼蒿水浸提液处理组小麦种子萌发及幼苗生长的各项指标均显著低于对照组,且随野茼蒿水浸提液质量浓度的提高,各指标的降低幅度显著增大。结果显示,随质量浓度的提高,野茼蒿水浸提液对小麦种子萌发和幼苗生长各指标的抑制作用显著增强。

表 1 不同质量浓度野茼蒿水浸提液对小麦种子萌发和幼苗生长的影响1)Tab le 1 Effect of wa ter ex tracts from C rassocepha lum c rep id ioides(Ben th.)S.M oore w ith d ifferen t concen tra tion s on seed germ ina tion and seed ling grow th of whea t(T riticum aestivum L.)1)

虽然低浓度(0.01 g·mL-1)野茼蒿水浸提液对小麦种子的发芽率有一定的促进作用,但发芽率与对照差异不显著。当野茼蒿水浸提液质量浓度为 0.04 g·mL-1时,小麦种子的发芽率、发芽指数、活力指数以及幼苗的株高和根长均显著低于对照组,分别为对照组的93.5％、64.8％、37.31％、52.62％和36.08％。当野茼蒿水浸提液质量浓度提高到 0.10 g·m L-1时,小麦种子的发芽率、发芽指数、活力指数以及幼苗的株高和根长分别仅为对照组的 50.00％、27.83％、10.86％、3.43％和 2.99％,且小麦幼苗的株高和根长均在 1 cm以下,幼苗生长受到强烈抑制。

结果显示,不同质量浓度的野茼蒿水浸提液对小麦种子萌发和幼苗生长均有不同程度的抑制作用,且这种抑制作用的强度与野茼蒿水浸提液的质量浓度呈正相关。

2.1.2 对玉米种子萌发和幼苗生长的影响 不同质量浓度野茼蒿水浸提液对玉米种子萌发和幼苗生长的影响见表 2。由表 2可见,当野茼蒿水浸提液质量浓度为 0.01 g·m L-1时,玉米种子的发芽率、发芽指数、活力指数和幼苗株高分别为对照组的 49.32％、46.55％、39.46％和 72.91％,而幼苗根长仅为对照组的 13.70％；当野茼蒿水浸提液质量浓度为 0.07g·mL-1时,玉米种子的发芽率、发芽指数、活力指数以及幼苗的株高和根长分别仅为对照组的 23.29％、19.99％、10.72％、52.71％和 5.33％,其中幼苗根长仅为 0.65 cm；当野茼蒿水浸提液质量浓度为 0.10 g·mL-1时,玉米种子基本不萌发,发芽指数和活力指数也分别仅为 0.33和 0.12,幼苗株高和根长分别仅为 0.30和 0.10 cm。结果显示,野茼蒿水浸提液对玉米种子萌发和幼苗生长的抑制作用随其质量浓度的提高而增强。

除 0.01与 0.04 g·m L-1处理组玉米种子的发芽率、发芽指数、活力指数和幼苗根长的差异不显著以及 0.04与 0.07 g·mL-1处理组玉米幼苗株高的差异不显著外,各处理组的玉米种子萌发和幼苗生长各指标显著小于对照,且各处理组间也有显著差异。研究结果显示,0.01～0.10 g·mL-1野茼蒿水浸提液对玉米的种子萌发和幼苗生长总体上呈现出显著的抑制作用,且抑制作用的强度与野茼蒿水浸提液的质量浓度呈正相关。

表 2 不同质量浓度野茼蒿水浸提液对玉米种子萌发和幼苗生长的影响1)Tab le 2 Effec t of wa ter ex trac ts from C rassocepha lum c rep id ioides(Ben th.)S.M oore w ith d ifferen t concen tra tion s on seed germ ina tion and seed ling grow th ofm a ize(Zeam ays L.)1)

2.2 牛膝菊水浸提液对小麦和玉米种子萌发和幼苗生长的影响

2.2.1 对小麦种子萌发和幼苗生长的影响 不同质量浓度牛膝菊水浸提液对小麦种子萌发和幼苗生长的影响见表 3。由表 3可见,用较低质量浓度(0.01～0.04 g·m L-1)牛膝菊水浸提液进行处理,小麦种子的发芽率和活力指数与对照组没有显著差异,其中,种子发芽率与对照组几乎相等,而种子活力指数则均小于对照组但表现出随质量浓度提高而增大的趋势。0.01～0.04 g·mL-1牛膝菊水浸提液对小麦幼苗株高有一定的促进作用；在 0.01 g·mL-1牛膝菊水浸提液处理组中,幼苗株高较对照组增加了 20.55％,差异显著；而在 0.04 g·mL-1牛膝菊水浸提液处理组中,幼苗株高仅较对照组增加了 0.82％,差异不显著。用较高质量浓度 (0.07～0.10 g·mL-1)牛膝菊水浸提液进行处理,小麦种子的发芽率、活力指数和幼苗株高均显著低于对照组,且随牛膝菊水浸提液质量浓度的提高降幅增大。

牛膝菊水浸提液对小麦种子的发芽指数和幼苗的根长有显著的抑制作用,在各处理组中小麦种子的发芽指数和幼苗的根长均显著低于对照组且随水浸提液的质量浓度的提高 (0.01～0.10 g·mL-1)逐渐降低。当牛膝菊水浸提液质量浓度为 0.10 g·mL-1时,小麦种子的发芽率、发芽指数、活力指数以及幼苗的株高和根长分别仅为对照组的 48.31％、27.83％、18.16％、17.67％和 5.94％。

在 0.01～0.10 g·mL-1质量浓度范围内,较低质量浓度的牛膝菊水浸提液对小麦种子萌发和幼苗生长的各项指标表现出不同的效应,对种子的发芽率和活力指数没有显著的抑制作用,对幼苗株高则有一定的促进作用,而对种子的发芽指数和幼苗的根长则有显著的抑制作用；较高质量浓度的牛膝菊水浸提液对小麦种子萌发和幼苗生长的各项指标均有显著的抑制作用。

表 3 不同质量浓度牛膝菊水浸提液对小麦种子萌发和幼苗生长的影响1)Tab le 3 Effect of wa ter extracts from Ga linsoga pa rviflo ra Cav.w ith d ifferen t concen tra tion s on seed germ ina tion and seed ling grow th of whea t (Triticum aestivum L.)1)

2.2.2 对玉米种子萌发和幼苗生长的影响 不同质量浓度牛膝菊水浸提液对玉米种子萌发和幼苗生长的影响见表 4。由表 4可以看出,0.01 g·mL-1牛膝菊水浸提液对玉米种子发芽率和幼苗株高有一定的促进作用,对种子发芽指数、活力指数及幼苗根长则有一定的抑制作用；而 0.04～0.10 g·mL-1牛膝菊水浸提液对玉米种子萌发及幼苗生长的各项指标均有明显的抑制作用,且随质量浓度的提高抑制作用的强度逐渐增大。

在 0.01 g·mL-1牛膝菊水浸提液处理组中,玉米种子发芽率和幼苗株高较对照组分别提高 5.56％和 17.23％,但幼苗株高与对照组差异不显著,而种子发芽率则显著高于对照组；种子发芽指数、活力指数及幼苗根长均低于对照组,但活力指数与对照组差异不显著,种子发芽指数和幼苗根长则与对照组有显著差异。在 0.07 g·mL-1牛膝菊水浸提液处理组中,玉米幼苗的株高和根长均小于 1 cm；在 0.10 g·mL-1牛膝菊水浸提液处理组中,玉米种子的发芽率仅为 1％,发芽指数为 0.11,活力指数为 0.04,基本不萌发,且玉米种子的发芽率、发芽指数、活力指数以及幼苗的株高和根长分别仅为对照组的 1.85％、0.59％、0. 33％、4.10％和 1.15％,抑制作用显著。在 0.01～0.10 g·mL-1质量浓度范围内,低质量浓度的牛膝菊水浸提液对玉米种子萌发和幼苗生长的各项指标表现出不同的效应,对种子发芽率和幼苗株高有一定的促进作用,对种子的发芽指数、活力指数及幼苗根长则有一定的抑制作用；较高质量浓度的牛膝菊水浸提液对玉米种子萌发和幼苗生长的各项指标有显著的抑制作用。

表 4 不同质量浓度牛膝菊水浸提液对玉米种子萌发和幼苗生长的影响1)Tab le 4 Effect of wa ter ex tracts from Ga linsoga pa rviflo ra Cav.w ith d ifferen t concen tra tion s on seed germ ina tion and seed ling grow th ofm a ize (Zeam ays L.)1)

2.3 野茼蒿和牛膝菊水浸提液化感效应的综合分析

0.01～0.10 g·m L-1野茼蒿和牛膝菊水浸提液对小麦和玉米化感效应指数的综合效应值见表 5。表5的数据显示,0.01～0.10 g·mL-1野茼蒿和牛膝菊水浸提液对小麦和玉米种子萌发和幼苗生长各项指标的综合效应值均小于 0,表明野茼蒿和牛膝菊水浸提液对小麦和玉米种子萌发和幼苗生长的综合化感效应均为抑制效应,且这种化感抑制作用的强度随水浸提液质量浓度的提高逐渐增强。其中,0.10 g· m L-1牛膝菊水浸提液对玉米种子萌发和幼苗生长的综合抑制作用最强,综合效应值为 -0.99；0.01 g· m L-1牛膝菊水浸提液对小麦种子萌发和幼苗生长的综合抑制作用最弱,综合效应值仅为 -0.08。

综合比较结果显示,野茼蒿水浸提液对小麦和玉米种子萌发和幼苗生长的化感作用综合效应强于牛膝菊水浸提液,玉米对 2种植物水浸提液化感作用的敏感性大于小麦。

表 5 野茼蒿和牛膝菊水浸提液对小麦和玉米化感效应指数的综合效应值Tab le 5 Syn thesis effect va lue of a llelopa th ic response index of wa ter ex tracts from C rassocepha lum crep idioides(Ben th.)S.M oore and Ga linsoga pa rviflo ra Cav.on whea t(T riticum aestivum L.)andm a ize (Zeam ays L.)

3 讨 论

除低质量浓度野茼蒿水浸提液对小麦种子萌发有一定的促进作用外,0.01～0.10 g·mL-1野茼蒿水浸提液对小麦和玉米种子萌发和幼苗生长的各项指标总体上均有不同程度的抑制作用,并随野茼蒿水浸提液质量浓度的提高抑制作用不断增强,表明野茼蒿水浸提液对小麦和玉米种子萌发和幼苗生长的化感活性均表现为抑制作用,且这种抑制作用随质量浓度提高不断增强。

郭振清等[15]的研究结果表明,牛膝菊对萝卜(RaphanussativusL.)和油菜 (BrassicacampestrisL.)种子萌发和幼苗生长具有比较明显的抑制作用,对白菜〔B.pekinensis(Lour.)Rup r.〕种子萌发和幼苗生长总体上呈无规律的促进作用,对生菜 (LactucasativaL. var.ramosaHort.)种子萌发和幼苗生长总体上呈低浓度促进、高浓度抑制的趋势,其化感作用有一定选择性。作者的研究结果显示,低质量浓度的牛膝菊水浸提液对小麦幼苗株高以及玉米种子发芽率和幼苗株高均有一定的促进作用,但较高质量浓度牛膝菊水浸提液对小麦和玉米种子萌发和幼苗生长有十分显著的抑制作用,这可能与不同供试植物对牛膝菊水浸提液的化感作用敏感度不同有关。0.01～0.10 g· mL-1牛膝菊水浸提液对小麦和玉米种子萌发和幼苗生长的综合化感效应均为抑制作用,并有明显的浓度效应。根据本研究结果,建议在农作物耕作期间加强田间管理,切勿长时间弃荒致使农田杂草丛生,导致农作物种子发芽率和产量的降低。

在本研究中,作者选取的小麦和玉米种子萌发的3项指标(发芽率、发芽指数和活力指数)以及幼苗生长的 2项指标(株高和根长)对野茼蒿和牛膝菊水浸提液化感作用的敏感度不同。陈圣宾等[16]认为,种子的发芽率和发芽指数反映了外来入侵植物对种子萌发的影响,发芽率降低会使植物多度降低,打乱种群的更新和延续。作者的研究结果显示,低质量浓度牛膝菊水浸提液对小麦和玉米种子的发芽率没有影响甚至有一定的促进作用,但是玉米和小麦种子的发芽时间比对照组平均延后 1～3 d,发芽指数也显著低于对照组并随牛膝菊水浸提液质量浓度的提高而显著降低；在 5项测定指标中,小麦和玉米幼苗根长对野茼蒿和牛膝菊水浸提液的化感作用最敏感；而种子活力指数综合了发芽率和幼苗鲜质量等特征,也从一定程度上反映了野茼蒿和牛膝菊水浸提液化感作用对玉米和小麦种子萌发的影响。因此,不同测定指标从不同角度反映了外来入侵植物对供试植物的化感作用,但并不能全面反映化感作用的效应和强度。为此,有研究者采用化感效应指数评价外来入侵植物的化感作用[17-18],以期对外来入侵植物化感作用的整体效应进行分析和评估。在本研究中作者也采用了化感效应指数的综合效应值对野茼蒿和牛膝菊水浸提液化感活性的效应和强度进行综合评价,但化感效应指数的综合效应值是以实验中所选择的生物指标为基础的,而选择适宜的生物指标对能否直观、整体地评价外来入侵植物的化感活性有重要影响,因此外来入侵植物化感作用的生物测定须谨慎选择各项测定指标。

[1］Rice EL.A llelopathy[M].2nd ed.New York：A cadem ic Press, 1984：1-3.

[2］林 嵩,翁伯琦.外来植物化感作用研究综述[J].福建农业学报,2005,20(3)：202-210.

[3］徐海根,王健民,强 胜,等.《生物多样性公约》热点研究：外来物种入侵·生物安全·遗传资源[M].北京：科学出版社, 2004：22.

[4］李 亚,姚 淦,邓 飞,等.江苏省外来种子植物的初步调查和分析[J].植物资源与环境学报,2008,17(4)：55-60.

[5］董红云,李 亚,汪 庆,等.江苏省 3个自然保护区外来入侵植物的调查及分析[J].植物资源与环境学报,2010,19(1)： 86-91.

[6］梅玲笑,陈 欣,唐建军.外来杂草加拿大一枝黄花对入侵地植物的化感效应 [J].应用生态学报,2005,16(12)：2379-2382.

[7］刘明久,许桂芳,姜 辉.入侵植物香丝草化感作用的生物测定[J].河南农业科学,2008(6)：71-73.

[8］方 芳,茅 玮,郭水良.入侵杂草一年蓬的化感作用研究[J].植物研究,2005,25(4)：449-452.

[9］张风娟,徐兴友,陈凤敏,等.黄顶菊茎叶浸提液对白菜和水稻幼苗化感作用的初步研究[J].西北植物学报,2008,28(8)： 1669-1674.

[10］张国良,付卫东,刘 坤.农业重大外来入侵生物[M].北京：科学出版社,2008：26.

[11］曾任森.化感作用研究中的生物测定方法综述[J].应用生态学报,1999,10(1)：123-126.

[12］王鸿燕,黄苏珍.Pb胁迫对马蔺种子萌发和幼苗根尖细胞有丝分裂的影响[J].植物资源与环境学报,2009,18(2)：53-56.

[13］W illiam son G B,Richardson D.B ioassays for allelopathy：measuring treatment responsesw ith independentcontrols[J].Journalof Chem ical Ecology,1988,14(1)：181-187.

[14］沈慧敏,郭鸿儒,黄高宝.不同植物对小麦、黄瓜和萝卜幼苗化感作用潜力的初步评价[J].应用生态学报,2005,16(4)： 740-743.

[15］郭振清,赵永光,张风娟,等.入侵植物牛膝菊对白菜、萝卜、生菜、油菜种子和幼苗的化感作用[J].河北科技师范学院学报,2008,22(3)：13-16.

[16］陈圣宾,李振基.外来植物入侵的化感作用机制探讨[J].生态科学,2005,24(1)：69-74.

[17］吴海荣,强 胜.外来杂草波斯婆婆纳的化感作用研究[J].种子,2008,27(9)：67-69,73.

[18］王开金,陈列忠,俞晓平.加拿大一枝黄花化感作用的初步研究[J].浙江农业学报,2006,18(5)：299-303.