三叶鬼针草和黑心菊根系分泌物对井栏边草配子体叶绿素荧光特性的影响

张开梅+沈羽+刘颖+刘俊华+方炎明

摘要：研究了入侵植物三叶鬼针草（Bidens pilosa）和非入侵植物黑心菊（Rudbeckia hirta）的根系分泌物对三叶鬼针草入侵和潜在扩散区代表蕨类植物井栏边草（Pteris multifida）配子体叶绿素荧光参数的影响。结果表明，与对照相比，除非光化学荧光淬灭系数外，三叶鬼针草和黑心菊均可降低井栏边草其他叶绿素荧光参数。这种抑制作用随2种植物根系分泌物浓度升高而增强。处理第十天，抑制效果最明显。当三叶鬼针草和黑心菊根系分泌物浓度高于12.5%时，在处理4～10 d后，配子体各叶绿素荧光参数均受到显著影响。综上所述，三叶鬼针草和黑心菊对井栏边草配子体光合能力均可产生抑制作用，且三叶鬼针草抑制作用更强。

关键词：三叶鬼针草（Bidens pilosa）;黑心菊（Rudbeckia hirta）;井栏边草（Pteris multifida）;配子体;叶绿素荧光

中图分类号：Q945.7        文献标识码：A        文章编号：0439-8114（2014）20-4861-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.20.024

Effects of the Root Exudates of Bidens pilosa and Rudbeckia hirta on Chlorophyll Fluorescence of the Gametophyte of Pteris multifida

ZHAND Kai-mei，SHEN Yu，LIU Ying，LIU Jun-hua，FANG Yan-ming

（College of Forest Resources and Environment， Nanjing Forestry University， Nanjing 210037， China）

Abstract： Pteris multifida is a common fern in China， with overlapping distribution area with a main invasive plant Bidens pilosa in China. Root exudates of B. pilosa， as well as non invasive plant Rudbeckia hirta， were applied to investigate their effects on fluorescence in P. multifida gametophytes. We found that gametophytes exposed to both B. pilosa and R. hirta had decreased fluorescence parameters in comparison with the control， except for non photochemical quenching（NPQ）. The inhibitory effects increased with increasing exudate concentrations of both species. The greatest inhibition exhibited at Day 10. Furthermore， it was found that these parameters were markedly affected from Day 4 to Day 10 in the presence of both exudates at a concentration of 12.5% or above. It is concluded that both B. pilosa and R. hirta negatively affected the photosynthetic activity of P. multifida. Comparative research of invasive and non-invasive plants in our experiments demonstrated that invasive plants Bidens pilosa were responsible for the critical damage to local species.

Key words： Pteris multifida; Rudbeckia hirta; Bidens Pilosa; Gametophyte; Chlorophyll fluorescence

蕨类植物配子体为单倍体， 结构简单， 独立于孢子体生活，用于研究植物对环境的响应以及揭示其机理都具有独特的优势。目前， 蕨类植物配子体对水分等环境因子响应的研究较多[1，2]，而对外来植物入侵响应方面的研究稍显不足。外来入侵植物可通过化感作用抑制其他植物或自身的生长[3，4]， 如菊科植物紫茎泽兰（Eupatorium adenophorum）可通过化感作用抑制蕨类植物的配子体生长[5-7]。鉴于外来入侵植物已对蕨类植物配子体产生危害的现状[5，6]，从化感作用角度开展蕨类植物配子体对外来入侵植物响应的理论研究很有必要。

野外调查发现，部分蕨类植物的自然分布区正处于外来入侵植物，如三叶鬼针草（Bidens pilosa）的入侵区和潜在扩散区中。作为与紫茎泽兰同科的植物，三叶鬼针草被列为大陆和台湾的主要入侵物种，其入侵已危害到中国的农、林、牧业生产和生物多样性[8]。研究发现，三叶鬼针草可通过根系分泌物等化感途径抑制多种种子植物的生长发育[9]，而对蕨类植物的化感作用未见报道。井栏边草（Pteris multifida）是三叶鬼针草入侵和潜在扩散区的典型代表蕨类植物，具有重要的生态学意义。作为植物光合作用受生态环境变化影响的内在探针，叶绿素荧光分析发现外来入侵植物对受体植物光合作用产生影响[10-12]。，但是利用叶绿素荧光动力学研究蕨类植物配子体生理的报道较少[13]。为进一步验证入侵植物对本地植物造成的生态危害，本研究比较了三叶鬼针草与非入侵植物黑心菊根系分泌物对井栏边草配子体叶绿素荧光的不同影响。

1  材料与方法

1.1  根系分泌物的收集

将三叶鬼针草和黑心菊种子用无菌水冲洗干净，置于25 ℃的恒温箱中萌发。15 d后挑选长势一致的三叶鬼针草和黑心菊幼苗40棵 （高约15 cm），定植于根系分泌物循环收集系统中，用1% Hoagland 营养液浇灌。此试验在人工气候室进行，光照16 h（25 ℃），黑暗8 h （16 ℃），湿度为80%～90%。将树脂柱连接到根分泌物连续收集系统中，培养液流速为55 mL/min，每天补充失去的水分，连续收集2 d，取下树脂柱，立即用12 倍柱床体积的去离子水清洗层析柱中的营养液成分，再用15 倍柱床体积玻器蒸馏的甲醇洗脱根分泌物。将收集的总洗脱液于-70 °C条件下减压浓缩72 h，收集的根系分泌物置于-20 ℃的冰箱内储存备用。

1.2  井栏边草配子体培养

井栏边草孢子于2012年9月采自南京林业大学。将带有成熟孢子的叶片置洁净纸袋中， 放于干燥通风处使孢子自然散落， 约1周后将孢子去杂并收集于硫酸纸袋中。播种与培养方法参照文献[14]。20 d后，挑选健壮的， 生长一致的配子体（10 mm×5 mm）用无菌水反复清洗干净。

1.3  材料处理

将三叶鬼针草和黑心菊根系分泌物用0.1% Hoagland营养液稀释至4个浓度，分别为12.5%、25%、50%和100%，0.1% Hoagland营养液作为对照。将配子体至于培养皿中（直径60 mm），加入5 mL分泌物溶液。每个培养皿中含有100个配子体，光照条件为37.5 μmol/（m2·s），光照12 h，黑暗12 h，温度为25 ℃。

1.4  叶绿素荧光参数测定

每隔一天测定配子体叶绿素荧光参数，直至第十天为止。迅速收集配子体以备测定。将配子体暗适应2 min，使用Junior PAM（Heinz Walz GmbH， D91090，Effeltrich）测定最大光化学效率（Fv/Fm）、PSII线性电子传递的量子效率（ΦPSII）、表观光合电子传递效率（ETR）、光化学荧光淬灭系数（qP）和非光化学荧光淬灭系数（NPQ）。

1.5  数据分析

试验重复3次。数据取各次试验的平均值， 用SPSS20.0软件进行单因素方差分析和多重比较。

2  结果与分析

2.1  PSII线性电子传递的量子效率

井栏边草配子体的PSII线性电子传递的量子效率（ΦPSII），在三叶鬼针草和黑心菊根系分泌物的化感作用下产生了剂量效应和时间效应的变化。具体表现为，井栏边草配子体在三叶鬼针草根系分泌物处理下，随着处理浓度的升高，ΦPSII值产生了下降的趋势;随着时间的延长，ΦPSII值同样也产生了下降的趋势。图1中，井栏边草配子体在黑心菊根系分泌物处理下，剂量效应和时间效应均与三叶鬼针草根系分泌物产生了相似的变化趋势。但是第十天黑心菊根系分泌物12.5%、25%、50%和100%各浓度的ΦPSII值分别高出三叶鬼针草根系分泌物对应浓度处理数值的40.0%、52.9%、71.4%和120.0%。三叶鬼针草根系分泌物较黑心菊根系分泌物对井栏边草配子体ΦPSII的影响更明显。

2.2  最大光化学效率

在三叶鬼针草和黑心菊根系分泌物的化感作用下，井栏边草配子体的最大光化学效率（Fv/Fm）出现了剂量效应和时间效应的变化。图2中，井栏边草配子体在三叶鬼针草根系分泌物处理下，随着处理浓度的升高，Fv/Fm值呈下降的趋势;时间效应方面，各处理浓度随着时间的延长，Fv/Fm值同样也产生了下降的趋势。图2中，井栏边草配子体在黑心菊根系分泌物处理下，剂量效应和时间效应均与三叶鬼针草根系分泌物产生了相似的变化趋势。但是第十天黑心菊根系分泌物12.5%、25%、 50%和100%各浓度的处理值分别高出三叶鬼针草根系分泌物对应浓度处理数值的25.5%、34.8%、 42.9%和168.2%。由此可知，随着处理时间的延长，三叶鬼针草根系分泌物的剂量效应较黑心菊根

系分泌物明显。

2.3  光化学荧光淬灭系数

井栏边草配子体的光化学荧光淬灭系数（qP）在三叶鬼针草和黑心菊根系分泌物的化感作用下也存在剂量效应和时间效应。图3中，井栏边草配子体在三叶鬼针草和黑心菊根系分泌物处理下，随着处理浓度的升高，qP值产生了下降的趋势;时间效应方面，各处理浓度随着时间的延长，qP值同样也产生了下降的趋势。但是第十天黑心菊根系分泌物12.5%、25%、50%和100%各浓度的处理值的下降比率分别是三叶鬼针草根系分泌物对应浓度处理数值的72.7%、100.0%、100.0%和266.7%。同样随着处理时间的延长，三叶鬼针草根系分泌物的剂量效应较黑心菊根系分泌物明显。

2.4  光合电子传递效率

井栏边草配子体的表观光合电子传递效率（ETR）在三叶鬼针草和黑心菊根系分泌物的化感作用下也产生了剂量效应和时间效应的变化。图4中，井栏边草配子体在三叶鬼针草和黑心菊根系分泌物处理下，剂量效应，随着处理浓度的升高，ETR值产生了下降的趋势;时间效应，各处理浓度随着时间的延长，ETR值同样也产生了下降的趋势。但是第十天黑心菊根系分泌物12.5%、25%、50%和100%各浓度的处理值分别比第二天处理下降了12.74%、15.20%、13.54%和18.68%。同样随着处理时间的延长，三叶鬼针草各组分的计量效应产生了显著性的下降，下降的显著性较黑心菊根系分泌物明显。

2.5  非光化学荧光淬灭系数

井栏边草配子体的非光化学荧光淬灭系数（NPQ）在三叶鬼针草和黑心菊根系分泌物的化感作用下产生了剂量效应和时间效应的变化。图5中，井栏边草配子体在三叶鬼针草和黑心菊根系分泌物处理下，剂量效应，随着处理浓度的升高，NPQ值产生了上升的趋势;时间效应，各处理浓度随着时间的延长，NPQ值同样也产生了上升的趋势。但是第十天黑心菊根系分泌物各浓度的NPQ值比三叶鬼针草处理组的低。随着处理时间的延长，三叶鬼针草根系分泌物的剂量效应较黑心菊根系分泌物的明显。

3  小结与讨论

本研究中，三叶鬼针草根系分泌物处理下，井栏边草配子体最大光化学效率（Fv/Fm）、PSII线性电子传递的量子效率（ΦPSII）、表观光合电子传递效率（ETR）以及光化学荧光淬灭系数（qP）降低的表现，说明配子体PSII的活性降低，QA氧化态数量降低，导致PSII反应中心开放部分的比例降低，抑制QA 向QB光合电子传递，使配子体不能将更多的吸收光能分配给光化学途径，进一步反映出井栏边草配子体不能很好地适应三叶鬼针草根系分泌物引起的胁迫环境，尤其在三叶鬼针草根系分泌物浓度较高，根系分泌物处理时间较长时更为明显。这与前人报道的麻黄（Ephedra equisetina）根粗提物可破坏蓝藻类囊体膜，中断电子传递，抑制蓝藻光合作用，高剂量的粗提物可导致蓝藻死亡的结果类似[15]。非光化学荧光淬灭系数（NPQ）在三叶鬼针草根系分泌物处理下产生了增加的趋势，表明配子体在这种状态下其所获得能量很多以热的形式耗散而植物自身不能利用，导致植物生长受到抑制。

本研究中，非入侵物种黑心菊对井栏边草配子体也产生了一定的胁迫作用，这说明植物的根系分泌物在生态环境中对于其他物种确实存在一定的抑制或促进作用，大蒜、茄子等非入侵物种在生活中都会产生一定的根系分泌物对自身周围的其他物种产生化感作用[16，17]。本研究通过对比试验，发现外来入侵植物三叶鬼针草的根系分泌物对井栏边草配子体的抑制作用是远大于非入侵植物黑心菊。

化感物质在外来入侵植物成功入侵过程中扮演重要角色。前人研究发现，三叶鬼针草中含有多种化感物质，主要包括酚酸、多炔等[9]。目前对三叶鬼针草根系分泌物中抑制井栏边草配子体光合能力的化感物质的相关研究正在进行中。三叶鬼针草根系分泌物中化感物质的分离、鉴定需要进一步研究，这些物质的作用机理也值得我们进一步探索。

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