红小豆不同组织及根际土壤水浸提液对小麦幼苗生长的影响

史冬冬，裴红宾*，张永清，常凯丽，秦 成

（1.山西师范大学生命科学学院，山西临汾041000；2.山西师范大学城市与环境科学学院，山西临汾041000；3.西北农林科技大学生命科学学院，陕西杨凌712100）

红小豆不同组织及根际土壤水浸提液对小麦幼苗生长的影响

史冬冬1，裴红宾1*，张永清2，常凯丽1，秦 成3

（1.山西师范大学生命科学学院，山西临汾041000；2.山西师范大学城市与环境科学学院，山西临汾041000；3.西北农林科技大学生命科学学院，陕西杨凌712100）

以小麦幼苗为受体作物，采用培养钵沙培法，研究不同质量浓度（0、10、40、160 g/L）红小豆根、茎、叶、根际土壤水浸提液对小麦幼苗生长的化感差异，为构建高效合理的红小豆—小麦轮作模式提供科学依据。结果表明，红小豆不同组织及根际土壤水浸提液对小麦幼苗生长的影响因化感物质的来源部位不同而存在差异。根水浸提液对小麦幼苗株高、幼叶长均表现出低质量浓度促进、高质量浓度抑制的作用，对小麦幼苗根长、侧根数及地下部干质量均表现为低质量浓度抑制、高质量浓度促进的作用；根际土壤、茎、叶水浸提液均对小麦幼苗株高、幼叶长具有抑制作用，并随质量浓度增加抑制作用逐渐加强；根际土壤、茎、叶水浸提液对小麦幼苗侧根数表现出低质量浓度抑制、高质量浓度促进的作用，茎水浸提液对小麦幼苗根长表现出低质量浓度促进、高质量浓度抑制的作用，而根际土壤水浸提液对小麦幼苗根长表现出促进效应。在水浸提液质量浓度较低（10、40 g/L）时，红小豆根、根际土壤水浸提液提高了小麦幼苗叶片超氧化物歧化酶（SOD）活性和叶绿素含量，降低了幼苗的丙二醛（MDA）含量和根系活力；在水浸提液质量浓度较高（160 g/L）时，红小豆茎、叶水浸提液显著降低了小麦幼苗的叶绿素含量，显著升高了小麦幼苗叶片的SOD活性、过氧化物酶（POD）活性。红小豆不同组织及根际土壤水浸提液对小麦幼苗的化感综合效应表现为叶＞茎＞土＞根。

化感作用；红小豆；小麦；水浸提液

红小豆是北方地区的一种营养价值颇高的杂粮，是高蛋白、高淀粉、低脂肪和富含诸多生物活性物质的豆类食品，被誉为粮食中的“红珍珠”［1］。由于栽培条件和气候因素的限制，红小豆的耕作模式多为一年一作，导致其栽培面临常年连作现状。研究表明，红小豆存在严重的自毒作用，严重影响红小豆的品质和产量，连作障碍已经成为制约红小豆产业发展的关键因素之一［2］。作物之间合理的轮作、套种是消除化感作用、减轻连作障碍的最佳措施［3］。

农业生产中多用小麦作为红小豆的接茬作物，可缓解红小豆连作障碍，减少红小豆种植过后土地撂荒现象。一些研究人员探讨了红小豆单个组织对小麦的化感效应。如：连慧达等［4］研究表明，在不同质量浓度的红小豆根系水浸提液处理下，小麦均可作为其接茬作物；Qin等［5］研究了小麦根系水提液对不同基因型红小豆幼苗的化感效应，并筛选出最佳的红小豆接茬品种。化感物质通常存在于植物的不同组织器官中，包括根、茎、叶、花、花序、果实和种子等［6］，且不同部位会产生不同的化感效应［7］。但目前关于红小豆不同组织及根际土壤对小麦化感作用的研究尚未见报道。为此，以红小豆根、茎、叶以及根际土壤为研究对象，以小麦为受体，初步研究红小豆不同组织及根际土壤水浸提液对小麦的化感作用，为采用红小豆与小麦轮作倒茬的方式来提高红小豆的产量和品质及促进下茬小麦的生长提供理论参考，为构建高效合理的红小豆—小麦轮作、倒茬模式提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验于2015年7—8月在山西师范大学校内试验基地温室内进行，采用直径为16 cm的培养钵进行沙培。供试红小豆品种为保8824-17，受体小麦品种为晋麦1718，均由山西省农业科学院提供。

1.2 水浸提液配制

不同组织及根际土壤水浸提液制备：用清水将红小豆植株冲洗干净，将根、茎、叶组织分别自然风干；将红小豆根系拔出，收集抖落的土壤，筛出杂质后风干，将红小豆根、茎、叶及根际土壤各称取10、40、160 g，分别置于1 L烧杯中，加蒸馏水作浸提剂。在常温下浸提72 h，于4℃、2 500 r/min离心10 min，去掉残渣，得到上清液加蒸馏水定容至1 L，装瓶后于4℃冰箱保存备用。

1.3 试验设计

选取大小均匀、颗粒饱满的小麦种子，用3% H2O2消毒15 m in，然后用蒸馏水冲洗干净。采用培养钵进行沙培，每钵播种10粒种子，试验组分别加入不同质量浓度（10、40、160 g/L）的红小豆根、茎、叶及根际土壤水浸提液各30 mL，对照组加30 mL蒸馏水，放置在试验基地温室中培养，共16个处理，每个处理重复3次，第1片真叶露出后每钵定苗8株，每天定时定量补充蒸馏水以保持湿润，15 d后调查幼苗生长情况，并测定相关生理指标。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 生长发育指标 小麦幼苗的生长发育指标主要包括株高（茎基部到植株生长最高处的距离）、根长、幼叶长（第3片叶基部到叶尖的距离）、侧根数、地上部干质量、地下部干质量。

1.4.2 生长相关生理指标 小麦幼苗叶片的保护酶活性及丙二醛（MDA）含量测定：超氧化物歧化酶（SOD）活性的测定采用氮蓝四唑（NBT）法［8］，过氧化物酶（POD）活性的测定采用愈创木酚法［8］，MDA含量的测定采用硫代巴比妥酸（TBA）法［9］；小麦幼苗叶绿素含量及根系活力的测定：叶绿素含量采用CM 1000叶绿素测量仪直接测定，根系活力采用TTC法测定［10］。

1.4.3 化感综合效应 参照Lin等［11］的方法计算化感效应指数（IR），其中IR≥0为抑制作用，IR＜0为促进作用，IR的绝对值代表作用强度的大小。

化感综合效应（SE）为同一处理下受体植物各指标的化感效应指数（IR）的算术平均数。其中，SE≥0代表抑制作用，SE＜0代表促进作用。

1.5 数据处理

采用SPSS 16.0软件对数据进行统计分析，采用Excel 2007作图。

2 结果与分析

2.1 红小豆不同组织及根际土壤水浸提液对小麦幼苗生长的影响

2.1.1 地上部 由表1可知，随着红小豆根水浸提液质量浓度增加，小麦幼苗的株高和幼叶长先增加后降低，即低质量浓度红小豆根水浸提液可促进小麦幼苗株高和幼叶的生长，高质量浓度抑制其生长。与对照相比，红小豆根水浸提液质量浓度为10 g/L时，其可使小麦幼苗株高和幼叶长分别增加16.53%和18.37%。随着红小豆根际土壤、茎、叶水浸提液质量浓度的增加，小麦幼苗株高和幼叶长均呈现下降趋势，且当红小豆叶水浸提液在160 g/L时对小麦幼苗株高和幼叶长均有显著抑制作用。不同质量浓度红小豆根、根际土壤、茎、叶水浸提液对小麦幼苗地上部生物量的积累均无显著影响。

2.1.2 地下部 红小豆不同组织及根际土壤水浸提液对小麦幼苗的根长和侧根数的化感效应有所不同。由表1可知，红小豆根水浸提液对小麦幼苗的根长、侧根数及地下部干质量均呈现出低质量浓度抑制、高质量浓度促进的趋势。红小豆根际土壤水浸提液会促进小麦幼苗根系的伸长，当质量浓度为40 g/L时差异达到显著水平，抑制侧根数的增加。小麦幼苗地下部干质量随着红小豆根际土壤、茎水浸提液质量浓度的增加而降低，但与对照相比无显著差异。随红小豆茎水浸提液质量浓度的增加，小麦幼苗的根长呈现出低质量浓度促进、高质量浓度抑制的趋势，而小麦幼苗的侧根数呈现出低质量浓度抑制、高质量浓度促进的趋势。随着红小豆叶水浸提液质量浓度的增加，小麦幼苗根长表现为降低—增加—降低的趋势，对侧根数、地下部干质量的影响表现为低质量浓度抑制、高质量浓度促进的规律。

2.2 红小豆不同组织及根际土壤水浸提液对小麦幼苗生长相关生理指标的影响

2.2.1 叶绿素含量 植物叶绿素含量及其消长与光合作用的强度密切相关，其含量在一定程度上反映植物生长状况。由图1可知，与对照相比，红小豆茎和叶水浸提液显著降低了小麦叶片的叶绿素含量，在质量浓度为10 g/L时抑制强度最大，分别下降63.50%和64.00%，表明红小豆茎和叶水浸提液能够显著抑制小麦叶片叶绿素的合成。随着红小豆根和根际土壤水浸提液质量浓度的增加，小麦幼苗叶片叶绿素含量呈先升高后下降的趋势。在质量浓度为10 g/L时，叶绿素含量均达到最大，当红小豆根水浸提液质量浓度为160 g/L时，叶绿素含量仍显著高于对照，表明红小豆根水浸提液能显著促进叶绿素的合成；但当红小豆根际土壤水浸提液质量浓度为160 g/L时，叶绿素含量显著低于对照，说明高质量浓度红小豆根际土壤水浸提液对叶绿素合成具有抑制作用。

2.2.2 根系活力 根系活力与根的生长情况密切相关，其状况会直接影响地上部分生长及产量。由图2可知，随着红小豆根和叶水浸提液质量浓度的增加，根系活力均呈现出先降后升的趋势，在质量浓度为10、40 g/L时，均与对照差异显著。经红小豆根际土壤水浸提液处理后，小麦根系活力在40 g/L时达到最大值，但仍低于对照。随着红小豆茎水浸提液质量浓度的增加，小麦幼苗根系活力呈逐渐上升的趋势，且与对照差异显著，即红小豆茎水浸提液对小麦根系活力具有显著促进作用。

2.2.3 抗氧化酶活性

2.2.3.1 SOD活性 由图3可以看出，随着红小豆根和根际土壤水浸提液质量浓度的增加，小麦幼苗叶片SOD活性呈现出先升高后下降的趋势，40 g/L时达到最大，各质量浓度处理均显著高于对照；随着红小豆茎和叶水浸提液质量浓度的增加，小麦幼苗叶片SOD活性呈逐渐增加的趋势，与对照相比，各质量浓度处理均差异显著。

2.2.3.2 POD活性 由图4可以看出，红小豆不同组织及根际土壤水浸提液对小麦幼苗叶片POD活性具有不同的影响。小麦幼苗叶片POD活性随红小豆根和叶水浸提液质量浓度的增加呈现出先降后升的趋势，在质量浓度为40 g/L时，小麦幼苗叶片POD的保护作用得以启动，POD活性与对照相比差异不显著。随着红小豆茎水浸提液质量浓度增加，小麦幼苗叶片POD活性逐渐升高，各质量浓度下均与对照差异显著。红小豆根际土壤水浸提液对小麦幼苗叶片POD活性影响不显著。

2.2.4 MDA含量 由图5可知，红小豆不同组织及根际土壤水浸提液对小麦幼苗叶片MDA含量影响不同。随着根际土壤水浸提液质量浓度增加，小麦幼苗叶片MDA含量持续下降，与对照差异显著。随着红小豆茎和叶水浸提液质量浓度增加，小麦幼苗叶片MDA含量呈现出先升后降的趋势，分别在40 g/L和10 g/L时达到最大，叶水浸提液各质量浓度处理与对照差异均不显著，茎水浸提液40、160 g/L处理均显著高于对照。红小豆根水浸提液对小麦幼苗叶片MDA含量的影响与红小豆茎和叶水浸提液的作用相反，呈现出先降后升的趋势，在10、40 g/L时，MDA含量比对照分别显著降低9.60%、21.60%；在质量浓度为160 g/L时，较对照增加5.80%，可能是低质量浓度的红小豆根系水浸提液化感效应激活了小麦幼苗体内的保护酶系统，抑制了膜脂过氧化反应，使MDA含量降低，而随着水浸提液质量浓度增加，酶系统的保护能力降低，使得在高质量浓度下MDA含量有所上升。

2.3 红小豆不同组织及根际土壤水浸提液对小麦幼苗的化感综合效应

分析红小豆不同组织及根际土壤水浸提液对小麦幼苗的化感综合效应（表2）发现，红小豆根、茎水浸提液在不同质量浓度下都起到促进作用，且随着质量浓度的增加对小麦幼苗的促进效应逐渐增强；红小豆根际土壤水浸提液对小麦幼苗生长表现为低质量浓度促进、高质量浓度抑制的作用；红小豆叶水浸提液对小麦幼苗生长表现为低质量浓度抑制、高质量浓度促进的作用。红小豆不同组织及根际土壤水浸提液对小麦幼苗的化感综合效应表现为叶＞茎＞土＞根。

3 结论与讨论

研究表明，化感物质可以通过茎叶淋溶、地上挥发、根系分泌和植物残体分解4种途径向环境释放，不同植物释放化感物质的方式不尽相同［12］。根系作为植物与土壤的接触面，化感物质释放至土壤中最先直接影响植物种子萌发和植株的地下部生长。本研究结果表明，红小豆根际土壤水浸提液促进小麦根长增加，40、160 g/L处理与对照差异显著；红小豆叶水浸提液高质量浓度下（160 g/L）显著增加了侧根数，其余处理变化幅度较小，与对照差异均不显著，这与前人［13-14］结论相似，可能是因为植物在逆境条件下，要增加根长和侧根数来扩大根系面积和体积，进而获取植株生长所需的能量和物质。化感物质从根系进入植物体向地上部运输，进而导致地上部发育加速或减缓。本研究结果表明，红小豆根水浸提液对小麦株高、幼叶长、干质量均呈现低质量浓度促进、高质量浓度抑制的作用，但差异不显著，这与周凯等［15］用加拿大一枝黄花根系和根际土壤水浸提液处理萝卜和白菜得出的结果一致。随着红小豆根际土壤、茎、叶水浸提液质量浓度的增加，小麦幼苗的株高和幼叶长均呈现下降趋势，且红小豆叶片水浸提液在高质量浓度（160 g/L）时小麦幼苗株高和幼叶长均受到显著抑制，这与刘忠玲等［7］的研究结果一致。

光合作用是植物代谢的基础，叶绿素是光能吸收与转换的主要物质，其含量直接影响植株对光能的利用［16］。本研究结果表明，红小豆茎和叶水浸提液各质量浓度处理均降低小麦幼苗叶片叶绿素含量，进而导致光合能力减弱，不利于其生长。植物组织还原TTC的能力是细胞呼吸电子传递链活性的一种体现，它指示着根生长和代谢旺盛程度［17］。本研究结果表明，红小豆根、根际土壤和叶水浸提液各质量浓度处理均降低小麦幼苗根系活力，表现极为敏感；茎水浸提液各质量浓度处理均显著促进小麦幼苗根系活力，为小麦幼苗健康生长提供保障。逆境中的植物受到伤害通常是由于胁迫产生了大量活性氧（ROS）造成的。植物体内少量的等ROS具有信号传导功能，刺激植物体内抗逆基因的表达，使其逐步建立起防御系统，但随着胁迫程度加深，其含量增加，并对细胞产生具有破坏性的连锁反应［18］。由于植物长期的进化，在逆境下其自身可诱导SOD、POD等酶活性升高参与ROS的淬灭［19］。本研究结果表明，在红小豆不同组织及根际土壤水浸提液胁迫下，小麦幼苗叶片SOD活性均较对照显著升高；随着红小豆根、叶水浸提液质量浓度增加，小麦幼苗叶片POD活性呈先降低后增加的趋势，高质量浓度（160 g/L）下POD活性较对照显著增加；随着红小豆茎、叶水浸提液质量浓度的增加，小麦幼苗叶片MDA含量先增加后减少，但仍高于对照，表明化感物质已经激活了小麦幼苗的抗氧化酶，这是小麦对其产生的一种应急机制，使幼苗体内抗氧化能力增强，加速体内自由基清除速率，降低膜脂过氧化，减轻小麦幼苗正常生理功能的生物膜系统的损伤，这与前人研究结果一致［20］。

对化感综合效应指数进行分析表明，红小豆不同组织及根际土壤水浸提液对小麦幼苗的化感抑制作用由强至弱为叶＞茎＞土＞根，这与前人研究结果一致，如：M iller［21］研究发现，植物叶片的化感抑制作用高于其他器官且远远高于根、茎；Hicks等［22］认为，通过减少留在土壤中的根茬及土壤上的秸秆量可以避免或减弱化感效应。因此，收获红小豆后应尽可能除去红小豆叶片和秸秆，避免或减弱化感效应。

本研究通过培养钵沙培法测定了红小豆不同组织及根际土壤水浸提液对小麦幼苗的化感作用，结果表明，叶、茎水浸提液对小麦幼苗的化感抑制作用较强。在自然条件下，化感物质的释放与积累受到很多环境条件的制约，如降水、土壤微生物等都会对化感物质产生抑制作用。本研究采用的水浸提液仅仅是红小豆不同组织及根际土壤的粗提物，因此，相关化感物质的鉴定、作用机制及其田间试验还需进一步研究。

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Effect of Aqueous Extract of Different Organs and Rhizosphere Soil of Adzuki Bean on Growth of Wheat Seedling

SHIDongdong1，PEIHongbin1*，ZHANG Yongqing2，CHANG Kaili1，QIN Cheng3
（1.College of Life Sciences，Shanxi Normal University，Linfen 041000，China；2.College of Urban and Environmental Sciences，Shanxi Normal University，Linfen 041000，China；3.College of Life Sciences，Northwest A&F University，Yangling 712100，China）

To provide scientific basis for the construction of efficient adzuki bean-wheat rotation mode wheat，seedling were used as the receptor plants to study the allelopathic effects of adzuki bean aqueous extracts from different organs and rhizosphere soil at different concentrations（0，10，40，160 g/L）.The results indicated that，the allelopathic effects of adzuki bean aqueous extracts from different organs and rhizosphere soil on the growth of wheat seed lings were different.The effect of root aqueous extracts presented promotion in lower concentrations and inhibition at higher concentrations on the growth of height and young leaf length of wheat seed ling，inhibition in low concentrations and promotion at high concentrationson the grow th of root length，the number of lateral roots and under-ground dry weigh ofwheat seed ling；the effect of rhizosphere soil，stem and leaf aqueous extracts presented inhibition on the on the growth of height and young leaf length of wheat seed ling，and the effect increased with the increase of aqueous extracts concentration；the effect of rhizosphere soil，stem and leaf aqueous extracts presented inhibition in low concentrations and promotion at high concentrations on the number of lateral roots；the effect of stem aqueous extracts presented promotion in lower concentrations and inhibition at higher concentrations on the root length；the effect of rhizosphere soil aqueous extracts presented promotion on the root length.When the concentration of aqueous extracts were lower（10，40 g/L），the root and rhizosphere soil aqueous extracts increased the activity of superoxide dismutase（SOD）and content of chlorophyll，at the same time，reduced the malonaldehyde（MDA）content and root activity；when the concentration of aqueous extracts were higher（160 g/L），the stem and leaf aqueous extracts inhibited the content of the chlorophyll，significantly increased the activities of SOD，peroxide enzyme（POD）.As to the synthetic inhibiting effects of aqueous extracts，the order was leaf＞stem＞rhizosphere soil＞root.

allelopathic effect；adzuki bean；wheat；aqueous extracts

S512；Q946

A

1004-3268（2017）01-0019-07

2016-07-15

山西省自然科学基金项目（2013011030-1）；山西师范大学科技开发与应用基金项目（YK1502）

史冬冬（1991-），男，山西长治人，在读硕士研究生，研究方向：植物生理生态。E-mail：1183875387@qq.com

*通讯作者：裴红宾（1965-），女，山西运城人，副教授，主要从事植物生理生态方面的教学与研究工作。E-mail：bbpei65110@163.com