兰州百合根系分泌物对百合幼苗自毒作用的研究

陈君良 ，孙鸿强，樊生丰，李丽，师桂英，屈星，杨宏羽

(甘肃农业大学园艺学院，甘肃 兰州 730070)



兰州百合根系分泌物对百合幼苗自毒作用的研究

陈君良 ，孙鸿强，樊生丰，李丽，师桂英，屈星，杨宏羽

(甘肃农业大学园艺学院，甘肃 兰州 730070)

【目的】 研究兰州百合根系分泌物的自毒效应.【方法】 采用水培法收集30 d兰州百合根系分泌物，通过营养钵栽试验来研究不同体积分数兰州百合根系分泌物对百合幼苗生长、根系形态、幼苗叶片叶绿素含量、抗氧化酶活性和渗透调节物质含量的影响.【结果】 随着根系分泌物体积分数的升高，百合幼苗生长量逐渐减小，25%、50%的根系分泌物对幼苗生长具有不同程度的促进作用，75%、100%的根系分泌物对幼苗生长表现出不同程度的抑制作用.根系分泌物处理导致百合幼苗叶片超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性上升，根系活力、叶绿素、丙二醛(MDA)和脯氨酸(Pro)含量下降.【结论】 兰州百合根系分泌物具有明显的自毒效应，100%根系分泌物的抑制作用最大.

兰州百合；根系分泌物；幼苗；自毒作用；连作障碍

兰州百合(LiliumdavidiiDuch.var.unicolorCotton)属川百合的一个变种，是极具地方特色的名优蔬菜，具有很高的食用和药用价值.近年来，兰州百合产业迅速发展，已经成为当地的特色产业和优势产业，栽培兰州百合是甘肃二阴山区贫困农民现金收入的主要来源.兰州百合为多年生植物，无性繁殖，狭域分布，仅适合于兰州周边二阴山区栽培[1].栽培过程中，母株上收获的三级小种球长成二级种球需要2～3 a，二级种球长成商品种球需要3～4 a，生产中由于连作障碍引发的百合产量品质下降、品种退化现象十分严重[2].连作障碍已成为困扰当地百合产业生产发展的主要问题.

连作障碍形成及加重的原因是复合因素相互作用的结果[3-4]，包括土壤理化性状恶化、土壤微生物区系的变化、根系分泌物和残茬分解物等引起的自毒作用.越来越多的研究表明，作物连作障碍与根系分泌物中的化感自毒物质有密切关系[5-10].自毒作用(autotoxicity)是化感作用的一种特殊形式，是同种作物的一些个体通过向环境中释放某些代谢或分解的化学物质而对同种其他个体生长产生直接或间接的有害影响.兰州百合根系发达，生长具有跳根现象，即每年新根发生，旧根衰老，残存土壤中，根系自毒现象明显.

目前有关百合化感方面的研究已有报道，由于百合无性繁殖，自然状态下通常只开花不结果，其种子收集难度大，因此大多学者采用萝卜、莴苣等种子发芽试验来探究其化感组分的化感效应，而以百合种球为自毒受体材料的研究未见报道.综上所述，本试验以兰州百合种球为材料，通过营养钵栽试验来研究不同体积分数百合根系分泌物对百合幼苗的自毒作用，以期揭示兰州百合根系分泌物在连作机制中的作用，为合理制定蔬菜耕作制度提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料

使用兰州百合二级种球(12～20 g)收集其根系分泌物；用兰州百合三级种球(4～12 g)做为自毒受体材料.以上种球均购于兰州百合主产区甘肃省临洮县中铺镇蒋家山村，购得的百合种球放于4 ℃冰箱保存.

1.2 试验设计

1.2.1 兰州百合根系分泌物的收集 试验从2015年4月开始，挑选大小均匀一致的兰州百合二级种球，剪去旧根，用0.1%多菌灵浸泡30 min，自来水冲洗数次后，播于21孔穴盘中，育苗基质选用灭菌的珍珠岩.待百合出苗后，选取长势一致的百合幼苗将其轻轻拔出，用水冲去附在根表面的珍珠岩，尽量不伤根，洗净后用塑料泡沫板固定，置于6 L容积的塑料盆中(每盆12株).因百合鳞茎中贮存有丰富的养分，可满足百合生长发育所需，因此直接加入蒸馏水培养.生长期间每盆始终保持1.5 L蒸馏水，在室温下连续通气培养30 d.按照上述方法，分批次共收集55盆(第一批收集40盆，结束后进行第二批收集15盆，共收集82.5 L)，以满足后期幼苗自毒试验的需求总量.30 d后合并其根系分泌物，双层纱布过滤后装入预先准备的大桶中，收集物密封置于4 ℃冰箱中保存，用来做自毒作用检测.

1.2.2 兰州百合幼苗自毒试验 2015年5～8月在甘肃农业大学园艺学院实验室进行幼苗试验.挑选大小均匀一致的兰州百合三级种球300个，消毒后播于10 cm×10 cm(口径×高)营养钵，每钵1株，总共300盆，栽培基质为蛭石∶珍珠岩=3∶1(V∶V).试验设5个处理，按体积比将百合根系分泌物用清水兑换成根系分泌物体积分数为25%、50%、75%、100%的液体，分别记为T1、T2、T3、T4，以清水为对照(CK).待百合出苗后，每个处理选取长势基本一致的幼苗50盆，用以上不同体积分数百合根系分泌物浇灌.每隔4～5 d浇灌一次，每钵浇50 mL，共浇灌12次.处理50 d后，各处理随机取15株进行形态指标测定，取长势一致的幼苗叶片进行各项生理生化指标测定，重复3次.

1.3 测定项目及方法

用电子游标卡尺测定株高、茎粗，用分析天平称量根鲜质量、茎叶鲜质量.

根系形态及生理测定：用扫描仪(型号Epson7500，分辨率为400 bpi)对根系进行扫描.扫描时将根系放入特制的透明托盘内，加入3～5 mL水以避免根系分支的互相缠绕.扫描后保存图像，采用WinRhizo Pro Vision 5.0a对图像进行分析获得总根长、根表面积、平均直径、根总体积、根尖数等形态指标；根系活力测定采用TTC法[11].

抗氧化酶SOD、CAT、POD活性的测定：称取0.5 g叶片放入研钵中，加5 mL pH 7.8的磷酸缓冲液，冰浴研磨，匀浆倒入离心管中，冷冻离心20 min(10 000 r/min)，取上清液冷藏备用.SOD、CAT活性按照Pinheiro等[12]的方法，POD 活性测定采用愈创木酚法[13].

MDA、脯氨酸、叶绿素的测定：采用硫代巴比妥酸比色法测定MDA含量，酸性茚三酮显色法测定脯氨酸含量[13]；叶绿素含量采用丙酮浸提法[11].

1.4 数据处理

采用化感效应指数(RI)对化感作用进行分析[14-15].化感效应指数计算式为：

当T≥C，RI=1-C/T

当T

式中，RI>0显示促进作用，RI<0显示抑制作用，T表示处理值，C表示对照值.绝对值大小表示作用强弱.化感综合效应(SE)是株高、茎粗、茎叶鲜质量、根鲜质量化感效应指数的平均值.

采用Excel 2010进行原始数据处理及图表绘制，SPSS 17.0进行统计分析，用Duncan法进行差异显著性检测.

2 结果与分析

2.1 根系分泌物对兰州百合幼苗生长的影响

25%、50%的兰州百合根系分泌物处理促进了百合幼苗株高、茎粗、茎叶鲜质量、根鲜质量的生长，而75%、100%处理则表现出不同程度的抑制作用(表1).与对照相比，25%百合根系分泌物处理除茎粗未达到显著水平外，株高、茎叶鲜质量、根鲜质量均达到显著水平.随着根系分泌物体积分数的升高，促进作用开始降低，当根系分泌物体积分数为75%时，百合幼苗生长表现出不同程度的抑制作用，其中茎叶鲜质量、根鲜质量与对照达到显著差异；体积分数为100%时，抑制作用进一步加大，除茎粗外，其他指标达到显著差异.

化感效应指数表明，25%百合根系分泌物处理对幼苗的促进作用最大，对株高、茎粗、茎叶鲜质量、根鲜质量的促进作用分别为11.3%、3.7%、31.7%、39.3%，且促进作用与对照相比均达到显著差异.100%百合根系分泌物处理对幼苗的抑制作用最大，对株高、茎粗、茎叶鲜质量、根鲜质量的抑制作用分别为13%、6.7%、60.7%、59%，抑制作用达到显著水平.

2.2 根系分泌物对兰州百合幼苗根系生长的影响

表2表明，随着根系分泌物体积分数的升高，幼苗总根长、总根系表面积、平均直径、总根系体积、根尖数、根系活力表现出不同程度的下降.与对照相比，25%、50%百合根系分泌物处理对根系的生长表现为促进作用，75%、100%百合根系分泌物处理对根系的生长表现为抑制作用.其中25%百合根系分泌物处理对总根长、根尖数的促进作用分别达到12.7%、40.8%；100%处理对总根长、总根系表面积、总根系体积、根尖数的抑制分别达到了39.1%、40.6%、35.8%、19.6%.各处理间除平均直径变化幅度较小，相互无差异性，其他指标均有显著差异性.

表1 根系分泌物对兰州百合幼苗生长的影响及化感综合效应Tab.1 Influence and allelopathic combined effect of root exudates on Lanzhou lily seedling growth

同列数据肩标不同的小写字母表示差异显著(P<0.05).

表2 根系分泌物对兰州百合幼苗根系生长的影响

Tab.2 Effect of root exudates on root growth of Lanzhou lily seedlings

处理总根长/cm总根系表面积/cm2平均直径/mm总根系体积/cm3根尖数根系活力/(μg·(g·h)-1)CK(清水)127.62±1.22c30.72±0.50a0.7±0.03a0.534±0.01bc250±2.00c30.6±0.90cT1143.83±1.12a31.04±1.08a0.8±0.02a0.591±0.01a352±1.73a46.32±1.09aT2135.8±1.10b29.67±0.90a0.77±0.08a0.557±0.01b279±2.31b39.33±0.78bT3103.1±0.80d26.64±0.79b0.74±0.02a0.516±0.02c236±2.68d27.59±0.83dT477.75±0.64e18.25±0.77c0.69±0.05a0.344±0.02d201±2.52e24.26±0.94e

2.3 根系分泌物对兰州百合幼苗叶片抗氧化酶活性的影响

超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)是植物体内主要的ROS酶促清除系统[16].由表3可知，随着根系分泌物体积分数的升高，兰州百合幼苗叶片中的SOD、POD和CAT活性显著升高，自毒作用加剧.100%百合根系分泌物处理有最高的SOD活性859.94 U/g、POD活性33.05 U/(min·g)、CAT活性53.16 U/(min·g)，较之对照，SOD、POD和CAT活性分别升高了9.2%、47.1%、25.5%，差异达到了显著水平.同样，75%百合根系分泌物处理虽对抗氧化酶活性的提升较小，但差异均达到显著水平.25%百合根系分泌物处理的SOD、POD和CAT活性最小，其中SOD活性与对照差异显著，POD和CAT 活性与对照差异不显著.50%百合根系分泌物处理的3种酶活性与对照均无显著差异.

表3 根系分泌物对兰州百合幼苗叶片抗氧化酶活性的影响

Tab.3 Effect of root exudates on SOD，POD，CAT activity in leaves of Lanzhou lily seedlings

处理SOD/(U·g-1)POD/(U·(min·g)-1)CAT/(U·(min·g)-1)CK(清水)787.11±1.257c22.77±0.72c42.36±0.810cT1775.31±2.340d20.54±0.516c41.35±1.414cT2783.64±1.822c22.58±0.801c42.52±1.078cT3798.31±2.477b28.73±0.884b47.20±0.915bT4859.94±2.274a33.05±0.797a53.16±1.322a

2.4 根系分泌物对兰州百合幼苗叶片叶绿素及渗透调节物质含量的影响

不同体积分数根系分泌物处理下，叶片叶绿素含量呈明显下降趋势.当体积分数为75%时，叶片叶绿素含量已低于对照，100%处理后，叶绿素含量最低，为2.12 mg/g，较之对照下降了16.5%；25%百合根系分泌物处理的叶绿素含量最高，为2.96 mg/g，较之对照提高了16.5%.25%、100%处理均与对照差异显著.

表4 根系分泌物对兰州百合幼苗叶片叶绿素、脯氨酸和MDA含量的影响

Tab.4 Effect of root exudates on chlorophyll,proline and MDA content in leaves of Lanzhou lily seedlings

处理叶绿素/(mg·g-1)脯氨酸/(μg·g-1)MDA/(mmol·g-1)CK(清水)2.54±0.029bc7.27±0.172c2.36±0.061bcT12.96±0.177a5.12±0.118c2.26±0.036cT22.64±0.017b7.03±1.707c2.30±0.021cT32.33±0.055cd14.46±0.732b2.45±0.075bT42.12±0.047d21.87±0.935a2.72±0.035a

由表4可以看出，不同体积分数百合根系分泌物处理均导致百合幼苗叶片脯氨酸、MDA含量升高.其中，25%、50%处理的脯氨酸、MDA含量均低于对照，但无差异性.75%、100%处理的脯氨酸、MDA含量均高于对照，100%处理的脯氨酸含量较之对照分别提高了98.9%、200.8%，差异显著.

3 讨论与结论

兰州百合根系分泌物所导致的自毒作用是兰州百合连作障碍发生的重要成因之一.现有研究结果显示，只有当水溶液的浓度达到某一临界浓度时，才能产生化感抑制作用，低于这一浓度时植物不受损坏，且部分化感物质会产生促进植物生长的效应，表现出“低促高抑”的现象[17].本试验结果表明，兰州百合根系分泌物对百合幼苗的生长呈现低体积分数(25%、50%)下具有一定的促进，高体积分数(75%、100%)下具有一定的抑制作用，证明了兰州百合根系分泌物自毒作用的存在.这与徐宁等[18]研究的大葱根系分泌物处理黄瓜种子、曹子林等[19]研究的蓝桉枝叶气态挥发物处理其种子、余婷等[20]研究的白三叶根系分泌物处理5种草坪草的结果相一致.但与徐鹏等[21]研究的西伯利亚百合根系分泌物对萝卜苗高和苗鲜质量均表现出抑制效应的结果有所不同.上述结果的差异，可能由于作物种类(包括供体和受体)不同，而且采用不同的根系分泌物收集方法，获得根系分泌物的物质构成和浓度也不一样.

一般植物在自毒胁迫下体内的活性氧会大量增加，导致植物内发生代谢紊乱，从而对植物的生长和产量产生不利影响.植物将采取各种措施消除活性氧，如不断提高各种抗氧化酶的活性[22].本研究表明，随着根系分泌物体积分数的升高，SOD、POD和CAT活性均成上升趋势，75%、100%处理下3种抗氧化酶活性与对照均达到了显著差异，表明越高体积分数的根系分泌物对百合幼苗的伤害越大，致使幼苗体内产生更多的SOD、POD和CAT来清除过多的超氧阴离子和防止H2O2(过氧化氢)的积累.抗氧化酶系统不能完全清除具有高活性的活性氧，从而膜脂过氧化程度提高[23]，植物体内的丙二醛( MDA) 可以反映植物遭受逆境伤害的程度[24].本研究发现，高体积分数(100%)的百合根系分泌物导致幼苗叶片中的MDA、脯氨酸含量显著上升，影响了构成细胞质膜[25]包括叶绿体片层膜的物质组分，导致膜结构改变，影响膜的流动性及其与酶的结合力，从而使叶片色素含量降低，影响了植株的光合作用，限制了生长.

综合以上结果可以看出，不同体积分数的兰州百合根系分泌物显著影响了百合幼苗植株的生长，其幼苗生物量表现出低体积分数增加、高体积分数降低的现象.其中25%的根系分泌物对幼苗的促进作用最大，100%的根系分泌物对幼苗的抑制作用最大.

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(责任编辑 赵晓倩)

Effect of root exudates from Lanzhou lily on allelopathy of lily seedlings

CHEN Jun-liang,SUN Hong-qiang,FAN Sheng-feng,LI Li,SHI Gui-ying,QU Xing,YANG Hong-yu

(College of Horticulture,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730030,China)

【Objective】 To study the allelopathy of the root exudates from Lanzhou lily on lily seedling. 【Method】 The root exudates were collected from 30 days Lanzhou lily by hydroponic cultivation,the growth,root morphology,chlorophyll content,antioxidant enzyme activity and osmotic adjustment substance content were determined in seedling leaves by feeding root exudates at different concentrations.【Result】 The growth of seedlings decreased with the increase of concentration of root exudates. The root exudates at 25% and 50% promoted seedling growth. However,the exudates at 75% and 100% inhibited the seedling growth. The exudates increased activity of superoxide dismutase,peroxidase,catalase,decreased root activity,and content of chlorophyll,malondialdehyde and proline. 【Conclusion】 The root exudates from Lanzhou Lily show obviously allelopathy effect,the maximum is found at 100% of exudates.

Lanzhou lily;root exudates;seedlings;allelopathy;continuous cropping obstacle

陈君良(1989-)，男，硕士研究生，主要从事蔬菜栽培与生理方面的研究.E-mial:835978034@qq.com

师桂英，女，博士，教授，硕士生导师，研究方向为蔬菜栽培与生物技术.E-mail:shigy@gsau.edu.cn

甘肃省高等学校基本科研业务费项目；甘肃省农牧厅农业科技创新项目(GNCX-2013-36).

2015-10-11；

2016-02-29

S 641.1

A

1003-4315(2016)06-0064-06