化感小麦根系分泌物对看麦娘生长及保护酶活性的影响

邱秋金， 洪 涌， 肖清铁， 林瑞余

(1.莆田学院基础教育学院，福建仙游351200；2.福建省农业生态过程与安全监控重点实验室／福建农林大学生命科学学院，福建福州350002；3.福建农林大学作物生态与分子生理学福建省高校重点实验室，福建福州350002)

作物化感作用在控制田间杂草方面具有广阔的应用前景[1-3].植物可以通过自身代谢产生的化感物质，抑制伴生杂草的萌发与生长[4-6]，影响矿质元素和水分的吸收[7-8]，改变光合作用／呼吸作用速率[9-10]，诱导或抑制蛋白质合成[11]，改变细胞膜的渗透性与完整性[11-14]，打破体内类脂、有机酸代谢过程[8]以及体内激素平衡[15]等产生化感效应.Fang at al[16]研究表明，稗草在应答水稻化感胁迫时，与植物激素信号转导、核苷酸切除修复、过氧化物酶体增殖活性受体以及p53信号通路相关的miRNAs表达增强，以水稻分泌产生的酚酸处理稗草，发生了类似的结果，表明植物在感受化感胁迫时，产生了积极的应答，供体植物的根系分泌物等参与了化感作用，产生了化感效应.一些研究表明[3，12，17]，小麦根系分泌及腐解产生的糖甙羟基肟酸、脂肪酸、酚酸等物质，可对毗邻的其它植物产生显著的化感作用.马亚飞等[18]发现小麦根系分泌物可以显著促进黄瓜（Cucumis sativus）的种子萌发与幼苗生长；刘小民等[19]研究表明，小麦秸秆水浸提液显著地抑制了白茅（Imperata cylindrical） 、马唐（Digitada sanguinalis）、牛筋草（Eleusine indica）等多种杂草的发芽及幼苗生长.小麦对看麦娘（Alopecurus aequalis）化感作用的研究还比较少[20-22].看麦娘是我国农田危害面积较大的杂草之一，严重干扰夏收作物小麦、油菜等的生产，降低作物产量与品质[20]，利用化感作用控制看麦娘可大量减少除草剂的施用，有利于农田环境保护[20-22].已有研究表明[20-21]，化感小麦植株及根际土壤浸提物可以降低看麦娘的根系活力，减少发根数、缩短根长[22]，改变体内保护酶系统平衡.化感小麦根系分泌物能够抑制看麦娘叶片生长相关的内源激素含量，提高脱落酸含量，导致植物生长受抑[15].但有关小麦根系分泌物影响看麦娘生长的生理特性研究鲜见报道[15-18].为此，本研究通过分析沙培小麦根系分泌物对看麦娘生长及SOD、POD、PAL活性等的影响，为深入了解小麦化感作用机理提供依据.

1 材料与方法

1.1 材料

强化感小麦“92L89”、弱化感小麦“抗10103”分别来自福建省建阳农科所和中国农业大学，供试看麦娘幼苗取自福建农林大学教学农场.试验处理参照文献[15].取聚乙烯塑料盆（长45 cm、宽35 cm、高15 cm）12个，每盆分装洁净的河沙8 kg.2种小麦种子经消毒并催芽萌发后，沙培于塑料盆中，设置4种处理，即每盆种植0（CK）、10、20、30株，种植期间适时定量浇水，未进行人工光温控制.在小麦生长40 d后，取出植株，沙培基质混匀后用于种植看麦娘，每盆均匀种植看麦娘幼苗20株，各试验3次重复.沙培处理7 d后采样测定各指标.

1.2 方法

看麦娘根长、株高采用米尺测定；根系活力、MDA含量、SOD活性、POD活性测定参照文献[20].PAL活性测定参照文献[23]，略作修改.准确取小麦叶片0.5 g，加入10 mL 5 mmol·L-1经预冷的巯基乙醇—硼酸缓冲液、0.5 g聚乙烯吡咯烷酮、并加入少量石英砂，研磨均匀.匀浆抽气过滤后，滤液在4℃下10000 r·min-1离心15 min，上清液即为供试的酶粗提液.取1 mL酶液，加1 mL 0.02 mol·L-1苯丙氨酸，2 m L蒸馏水，反应液的终体积为4 mL.对照以1mL蒸馏水代替酶液，定容后的反应液置于30℃恒温水浴中保温30 min后，测定290 nm处的光密度，以1 h在290 nm处光密度变化0.01所需的酶量为1个单位（相当于1 mL反应混合物形成1 μg肉桂酸）.

1.3 数据处理与统计分析

小麦根系分泌物对看麦娘的化感效应以抑制率（inhibitory rate，IR）表示，即IR＝[（CK-TR）／CK]×100%，TR：处理，CK：对照.IR＞0表示为抑制作用.数据处理采用Microsoft Excel 2010进行，统计分析采用DPS 7.0软件完成，采用LSD法进行数据差异显著性检验（P＝0.05）.

2 结果与分析

2.1 化感小麦根系分泌物对看麦娘根长、株高生长的影响

化感小麦残留的根系分泌物显著抑制了看麦娘根的生长，抑制效应随小麦密度的增大而增强（图1A）.与对照相比（根长8.6 cm），种植10、20、30株强化感小麦处理的看麦娘根长抑制率依次为23.3%、27.9%、41.9%，弱化感小麦的抑制率依次为 16.3%、25.6%、32.6%.种植 30 株强化感小麦处理的看麦娘根长显著小于弱化感小麦处理.

与对照株高（29.5 cm）相比，强化感小麦根系分泌物显著抑制看麦娘株高生长，种植10、20、30株的强化感小麦处理对看麦娘株高的抑制率依次为21.7%、31.2%、53.2%，不同密度弱化感小麦处理间无显著差异，抑制率4.4%～12.3%，较高密度弱化感小麦处理亦表现出显著的抑制效应，但抑制率显著低于强化感小麦（图1B）.

图1 不同密度化感小麦处理下看麦娘的根长与株高Fig.1 Root length and plant height of A.aequalis treated with exudates from allelopathic wheat under different planting densities

2.2 化感小麦根系分泌物对看麦娘根系活力的影响

与对照根系活力（TTC，221.3 μg·g-1·min-1）相比，化感小麦根系分泌物的存在显著降低了看麦娘的根系活力，抑制效应随种植密度的增大而增强（图2）.强化感小麦处理的根系活力在121.4～154.1 μg·g-1·min-1之间，显著低于弱化感小麦处理（143.2～194.6 μg·g-1·min-1）.种植 10、20、30 株强化感小麦处理的抑制率依次为 30.4%、34.4%、45.1%，显著高于相应密度弱化感小麦处理的28.2%、26.4%、25.9%.

图2 不同密度化感小麦处理下看麦娘的根系活力及抑制率Fig.2 Root vigor and inhibition rate of A.aequalis treated with exudates from allelopathic wheat under different planting densities

2.3 化感小麦根系分泌物对看麦娘叶片SOD、POD、PAL酶活性及MDA含量的影响

种植化感小麦处理显著提高了看麦娘叶片的SOD、POD、PAL酶活性及MDA含量，促进效应随小麦密度的增大而增强（图3A～3D）.密度为10、20、30株强化感小麦处理的SOD活性依次比对照（124.6 μg·g-1·min-1）高 27.8%、37.7%、42.8%，相应密度弱化感小麦处理的 SOD 活性比对照高 5.4%、15.0%、26.6%，种植10株弱化感小麦处理与对照无显著差异（图3A）.种植10、20、30株强化感小麦处理的看麦娘叶片 POD 活性依次为 88.8、92.8、132.9 μg·g-1·min-1，分别比对照（75.0 μg·g-1·min-1）提高了 18.4%、23.7%、77.1%，弱化感小麦处理的对应地提高了9.6%、16.8%、24.7%，强化感小麦显示出比弱化感小麦更强的促进效应（图3B）.种植 10、20、30 株强化感小麦处理的看麦娘 PAL 活性依次为 69.9、82.3、88.6 μg·g-1·min-1，分别比对照（52.1 μg·g-1·min-1）高出 34.2%、58.0%、70.1%，弱化感小麦处理相应地提高了7.9%、17.7%、41.1%，而种植 10 株弱化感小麦处理与对照无显著差异（图3C）.种植 10、20、30 株强化感小麦处理的看麦娘 MDA 含量依次为 6.5、7.8、8.9 μmol·g-1，分别比对照（5.0 μmol·g-1） 提高 30.0%、56.0%、78.0%，种植 10、20、30 株弱化感小麦处理的看麦娘叶片 MDA 含量依次为 5.7、7.0、7.7 μmol·g-1，比对照分别提高14.0%、40.0%、54.0%.强化感小麦显示出更强的抑制提高看麦娘保护酶活性及导致膜脂过氧化作用（图3D）.

3 结论与讨论

根系是植物重要的养分吸收器官，通过抑制伴生植物根系的生长，可以实现植物的化感抑制效应[7].植物根系分泌、凋亡与分解产生的化学物质种类众多、性质各异，许多产物也是重要的化感物质[16-17].强化感小麦根系残留在沙培基质的分泌物对看麦娘的根长、根系活力具有显著的抑制作用（图1、图2），抑制效应亦显著高于弱化感小麦‘抗10103’，结果与化感小麦对看麦娘发根力的影响一致[15]，也进一步证实了不同小麦品种间的化感潜力存在差异[24]，这种差异与不同小麦品种根系分泌物的化学组成含量不同有关[17].保护酶系统在植物应答与适应逆境胁迫中具有重要作用.逆境条件下，植物可通过增强保护酶的活性、合成抗氧化物质等途径防止ROS毒害[25].研究表明，看麦娘种植在含化感小麦根系分泌物的沙培基质中，导致叶片SOD与POD活性增强、MDA含量升高（图3），这与在小麦根浸提液处理下，看麦娘叶片可溶性蛋白含量上升，保护酶SOD、POD和CAT活性增强，细胞的脂质过氧化产物MDA含量升高的表现一致[20]，也与根系分泌物抑制了看麦娘叶片和根系中的细胞分裂素、吲哚乙酸、赤霉素含量，提高了脱落酸含量的结果相一致[15].PAL是苯丙烷类化合物代谢的关键限速酶，在次生代谢物合成中具有重要作用，PAL参与合成的类黄酮具有很强的自由基清除活性，参与合成的酚酸类物质也与植物抗氧化、抗菌、抗病等有关，PAL活性的提高有利于类黄酮、酚酸类等物质的合成，可以提高ROS清除能力，减轻细胞的氧化损伤，从而提高抗性[26].根系分泌物处理下的看麦娘PAL活性显著增强，与其叶片和根系的总酚、类黄酮含量显著升高相一致[17].因此，化感小麦根系分泌物的存在刺激了看麦娘抗氧化物质代谢增强，诱导其增强抗性，同时增加其防御的能量消耗，抑制了伴生杂草的生长.