入侵植物刺苋对水稻化感效应及抗氧化系统的影响

蒋芝华,李鹏程,孙骏威,丁艳菲,朱 诚

(中国计量大学 生命科学学院 浙江省海洋食品品质及危害物控制技术重点实验室,浙江 杭州 310018)

入侵植物刺苋对水稻化感效应及抗氧化系统的影响

蒋芝华,李鹏程,孙骏威,丁艳菲,朱 诚

(中国计量大学 生命科学学院 浙江省海洋食品品质及危害物控制技术重点实验室,浙江 杭州 310018)

化感作用在外来植物入侵的过程中起着重要作用,是入侵植物与本地植物竞争的新式武器.本研究以入侵植物刺苋为研究对象,探究了刺苋水浸提液及刺苋潜在化感物质水溶对水稻种子萌发、幼苗生长和幼苗抗氧化系统的影响.结果表明,刺苋水浸提液对水稻种子萌发有显著抑制作用,潜在化感物质对水稻幼苗根的生长有明显抑制作用,其中,齐墩果酸和β-谷甾醇可能在造成水稻幼苗氧化胁迫过程中起着积极作用.

刺苋;化感效应;水稻生长;抗氧化代谢

刺苋(AmaranthusspinosusL.),原产美洲,作为一种外来入侵植物,现已成为我国热带地区常见杂草,对粮食作物及蔬菜具有危害作用.其化感作用对周围生物的生长产生抑制,对自身种群的扩散起着促进作用[1-2].本土植物群落种群间由于长期的协同进化,形成了一定程度上的化感平衡,刺苋的入侵打破了它们之间的平衡[3].防范刺苋的扩散工作应当引起重视[4].尽管刺苋已被列入外来物种入侵生物安全遗传资源[5],但目前尚未见刺苋化感作用的相关报道.

水稻(OryzasativaL.)是我国重要的粮食作物,前期野外调查发现刺苋在稻田里存在,因此以水稻作为受试农作物研究刺苋对水稻的化感效应有着积极意义.本文探究刺苋水浸提液及刺苋潜在化感物质对水稻种子萌发、幼苗生长和幼苗抗氧化系统的影响,以此来探究刺苋入侵的作用特点、方式和机理,为防控和管理刺苋的入侵及其潜在化感物质的利用提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 植物材料

刺苋成熟期植株于2014年8月中旬采自衢州市开化县.供试水稻品种为内5优8015,由浙江省农业科学院提供.

1.2 刺苋水浸提液及潜在化感物质水溶液的制备

选取刺苋健康植株剪成小段,按20 g∶100 mL的比例用蒸馏水在常温下浸泡48 h,然后4层纱布过滤得到200 μg·mL-1的刺苋鲜样浸提液母液,加蒸馏水分别稀释成25、50、100 μg·mL-1浸提液.潜在化感物质水溶液的制备方法如下:将齐墩果酸和β-谷甾醇用适量甲醇溶解后,分别用无菌双蒸水配制成质量浓度梯度为25、100、200 μg·mL-1的溶液,4 ℃备用.

1.3 种子萌发及幼苗生长试验

采用培养皿滤纸法进行水稻种子萌发试验[6].用不同质量浓度刺苋水浸提液和潜在化感物质水溶液进行处理.分别统计第5 d、14 d的水稻种子发芽数,计算各个处理的发芽势、发芽率、发芽指数.发芽势、发芽率、发芽指数、综合抑制效应的计算方法如下:

发芽率(GR%)=(正常发芽的种子总数/供试种子总数)×100%;

发芽势(GE%)=(规定天数内正常发芽种子数/供试种子总数)×100%;

发芽指数GI=∑(Gt/Dt)式中Gt表示在第t天种子的发芽数,Dt代表相应的发芽天数;

发芽率化感效应指数RI=(Ti-T0)/T0×100%式中,Ti为处理值,T0为对照值.

RI>0表示有促进作用,RI<0表示具有抑制效应.

综合抑制效应(SE):是指同一处理浓度对同一个受试各个测试项目(发芽势、发芽率、发芽指数、根长、苗高)的对照抑制百分率的算术平均数.

幼苗培养:选取培养至露白的水稻种子20粒,加入相应处理溶液,培养条件同种子萌发培养,重复4次,以蒸馏水为对照.7 d后用直尺(精确度为0.1 cm)测定幼苗的茎长和根长.

1.4 生理生化指标测定

经Hoagland营养液培养水稻幼苗30 d后,用各个质量浓度梯度处理液处理水稻,以蒸馏水为对照.试验过程中,每7天更换一次营养液,同时每次加处理液100 mL,处理两次,取处理后的水稻叶片进行各指标的测定.

1.5 数据处理

采用Excel 2013计算平均数±标准偏差.采用SPSS13.0进行差异显著性检验,显著性水平为P<0.05.采用GraphPad Prism5.01软件作图.

2 结果与分析

2.1 刺苋水浸提液对水稻的化感效应

2.1.1 刺苋水浸提液对水稻种子萌发和幼苗生长的影响

随刺苋水浸提液处理质量浓度的升高,水稻种子萌发受抑制作用增强,在100 μg·mL-1质量浓度处理下水稻发芽率与对照组相比降低了12.82%(表1).水稻发芽势受抑制作用趋势同发芽率一致.从发芽指数和化感效应指数可以看出,随着处理质量浓度的升高,水稻种子萌发的抑制作用加强.

表1 刺苋水浸提液对水稻种子萌发及幼苗生长的影响

注:表中数值为平均值±标准差(n=4),同一行中相同字母表示在P≥0.05时差异不显著.

而刺苋水浸提液对水稻幼苗根长和茎长的生长抑制作用不明显.

2.1.2 刺苋水浸提液对水稻幼苗抗氧化代谢的影响

2.1.2.1 刺苋水浸提液对水稻幼苗MDA含量的影响

刺苋水浸提液处理后水稻幼苗MDA含量变化如图1,当刺苋水浸提液质量浓度低于100 μg·mL-1时,水稻幼苗MDA含量没有受到显著影响(P>0.05),但质量浓度达到200 μg·mL-1时,MDA含量显著上升,相比对照增加了85.51%.

图1 刺苋水浸提液处理下水稻幼苗MDA含量Figure 1 Effect of aqueous extract of A. spinosus on the MDA content of rice seedlings

2.1.2.2 刺苋水浸提液对水稻幼苗活性氧(ROS)产生量的影响

图2 刺苋水浸提液处理下水稻幼苗.产生速率变化Figure 2 The effect of aqueous extract of A. spinosus . generation in rice seedlings

2.1.2.3 刺苋水浸提液对水稻幼苗抗氧化酶活性和GSH含量的影响

刺苋水浸提液对水稻幼苗SOD、POD、CAT酶活性和GSH含量的影响均表现为随刺苋水浸提液质量浓度升高而上升(图3).当刺苋水浸提液质量浓度为200 μg·mL-1时,对四种物质的影响相比对照组差异显著.

2.2 潜在化感物质对水稻的化感效应

2.2.1 刺苋潜在化感物质对水稻种子萌发和幼苗生长的影响

由表2和表3可以看出,不同质量浓度齐墩果酸水溶液和β-谷甾醇水溶液均对水稻种子发芽率、发芽势和发芽指数基本无影响,对水稻种子萌发化感作用不显著.二者显著抑制水稻幼苗根的生长,表现为随着处理的质量液浓度上升抑制作用增强.在水溶质量液浓度为200 μg·mL-1时根长受抑制作用最强,齐墩果酸水溶液处理比对照组显著降低75.63%,β-谷甾醇水溶液处理比对照组显著降低19.22%.从水稻综合抑制效应来看,化感物质在高质量浓度时对水稻根有显著的抑制作用.

表2 齐墩果酸对水稻种子萌发及幼苗生长的影响

注:表中数值为平均值±标准差(n=4),同一行中相同字母表示在P≥0.05时差异不显著.

表3 β-谷甾醇对水稻种子萌发及幼苗生长的影响

注:表中数值为平均值±标准差(n=4),同一行中相同字母表示在P≥0.05时差异不显著.

2.2.2 潜在化感物质对水稻抗氧化代谢的影响

2.2.2.1 潜在化感物质对水稻幼苗MDA积累量的影响

不同质量浓度齐墩果酸处理下水稻幼苗MDA含量均增加,在100 μg·mL-1时MDA含量达到最大(图4).β-谷甾醇对水稻幼苗MDA含量影响表现为随β-谷甾醇质量浓度增大而上升,MDA含量比对照组提高了39.85%～75%.

图4 潜在化感物质对水稻幼苗MDA含量的影响Figure 4 The effect of potential allelochemicals on MDA content of rice seedling

2.2.2.2 刺苋体内潜在化感物质对水稻幼苗ROS产生量的影响

2.2.2.3 刺苋体内潜在化感物质对水稻幼苗抗氧化物酶和GSH含量的影响

在不同质量浓度的齐墩果酸溶液处理下,水稻幼苗SOD、POD和CAT的活性均提高(图6a、b、c).在100 μg·mL-1齐墩果酸处理时SOD和CAT活性最大,分别比对照组增加48.57%和55.11%.200 μg·mL-1处理下POD活性比对照组增加60.46%.不同质量浓度β-谷甾醇处理下,水稻幼苗中POD和CAT活性提高,而SOD活性随β-谷甾醇质量浓度增大而降低,但各处理组间比较差异不显著.由图6(d)可知,齐墩果酸溶液和β-谷甾醇溶液处理下水稻幼苗GSH含量有明显上升,且在100 μg·mL-1处理时含量达到最高.

图5 潜在化感物质对水稻幼苗.产生速率的影响Figure 5 The effect of potential allelochemicals on . generation of rice seedling

图6 潜在化感物质对水稻幼苗抗氧化酶活性和GSH含量的影响Figure 6 Effect of potential allelochemicals on antioxidant enzyme activities and GSH content of rice seedling

3 讨 论

刺苋作为一种外来入侵植物,2003年1月列入中国外来入侵植物名录.目前关于刺苋的研究主要集中在化学成分的研究[9],在生物入侵方面也多是对其分布状况的统计[10],然而有关刺苋化感作用的研究相对较少.本论文以水稻作为受试农作物,研究刺苋水浸提液及刺苋潜在化感物质对水稻种子萌发、幼苗生长和幼苗抗氧化系统的影响,以探究刺苋对水稻的化感效应.发现刺苋释放的化感物质通过影响水稻的抗氧化代谢,抑制水稻种子萌发和幼苗生长,进而产生化感效应.

常见的化感物质主要包括十六烷酸、十八烷酸、羽扇豆醇、齐墩果酸、β-谷甾醇、豆甾醇和松醇等[11-12].前期我们采用高效液相色谱分析了刺苋水浸提液中的有关成分,发现刺苋水浸液中存在齐墩果酸和β-谷甾醇.水稻的综合抑制效应显示这两种物质对供试农作物种子萌发与幼苗生长的抑制作用与水浸液的结果基本相一致,暗示齐墩果酸和β-谷甾醇是刺苋释放的主要化感物质.付磊磊等研究表明外来植物无患子(SapindusmukorossiGaertn)释放的化感物质中也有齐墩果酸和β-谷甾醇[13]，这与我们的研究相一致.本文中刺苋体内潜在化感物质齐墩果酸和β-谷甾醇对水稻种子萌发和幼苗生长的抑制作用与其质量浓度密切相关.低质量浓度下抑制作用不明显,但高质量浓度下抑制作用明显,这和已有的研究结果类似[14-15].

本文中刺苋水浸提液及潜在化感物质水溶液通过促进水稻幼苗体内ROS积累及MDA的产生,导致幼苗受到氧化胁迫,进而影响其生长.试验表明齐墩果酸和β-谷甾醇可能在刺苋水浸提液对水稻幼苗造成氧化胁迫过程中起着积极作用.研究表明化感物质可以通过对植物生理代谢过程的不同方面而发挥作用,对于保护酶系统的影响只是其中的一部分,其还可以通过影响矿质元素的吸收[31]和光合作用[32]等其他方面最终对植物的生长发育产生影响.仅通过研究保护酶系统的变化尚不足以解释这一复杂的情况.另外,复杂的外界环境因素会导致化感物质的降解[33-35],因此对化感物质在实际入侵过程中的生态学功能仍难以考量,需进一步的探讨.

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Effect of invasive plantAmaranthusspinosusL. on rice allelopathy and antioxidant system

JIANG Zhihua, LI Pengcheng, SUN Junwei, DING Yanfei, ZHU Cheng
(Key Laboratory of Ocean Food Quality and Hazard Controlling Technology of Zhejiang Province,College of Life Sciences, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

Allelopath, a new weapon in the competition between invasive plants and native plants, plays an active role in the invasion of alien plants. In this study, the effect of the aqueous extracts and the potential allelopathy chemicals ofAmaranthusspinosusL. on rice seed germination, seedling growth and antioxidant system were studied. The results showed that the aqueous extracts imposed strong inhibition on rice seed germination. The potential allelochemicals inhibited the root growth of rice seedlings significantly. The oleanolic acid andβ-sitosterol might have played an essential role in the process of oxidation stress in rice seedlings caused by aqueous extracts.

AmaranthusspinosusL.; allelopathy; rice growth; antioxidant metabolis

2096-2835(2017)01-0068-08

10.3969/j.issn.2096-2835.2017.01.012

2016-11-29 《中国计量大学学报》网址：zgjl.cbpt.cnki.net

质检公益性行业科研专项(No.201410014).

蒋芝华(1990- ),女,河南省永城人,硕士研究生,主要研究方向为食品质量与安全技术.E-mail:Y92626@126.com. 通信联系人：朱诚,男,教授.E-mail:pzhch@cjlu.edu.cn.

Q945.79

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