钻形紫菀对小麦与白菜潜在化感作用的研究

贺萍，邓禹君，胡潇尹，潘慧敏，邓洪平

(西南大学生命科学学院，重庆 400715)

钻形紫菀(Astersubulatus)，又名钻叶紫菀，为菊科紫菀属一年生草本植物，原产北美洲，于20世纪30年代在中国首次发现，是2014年中国国家生态环境部公布的第三批外来入侵植物之一，与喜旱莲子草(Alternantheraphiloxeroides)、紫茎泽兰(Eupatoriumadenophorum)等并列为中国危害等级最高的恶性入侵杂草[1-4]。钻形紫菀成熟植株能产生大量瘦果，其果具冠毛且能通过风等媒介广泛传播，可在各种生境中，如路旁、房前空地、林园、农田等迅速蔓延，具有广泛的适生范围和较大的危害性，对中国经济和生态环境造成了巨大损失与严重影响[1,3,5]。化感作用是指植物或微生物通过释放代谢过程中产生的化学物质对自身或其他生物体(植物、动物、微生物)产生的直接或间接的促进或抑制作用[6]，入侵植物往往可以通过茎叶挥发、淋溶、根系分泌、植株腐烂分解等途径释放化感物质来抑制土著种的生长发育，从而实现成功入侵[7]。当前，国内对紫茎泽兰、加拿大一枝黄花(Solidagocanadensis)、喜旱莲子草等常见入侵植物化感作用的研究已经较为深入，而对钻形紫菀化感作用的研究鲜有报道[8-10]。经调查，钻形紫菀常侵入农田生态系统，是重要粮食作物小麦(Triticumaestivum)和蔬菜作物白菜(Brassicachinensis)的主要入侵威胁对象。本试验以小麦和白菜为受体植物，研究了钻形紫菀水浸提液对其种子萌发、幼苗生长的作用，并测定了钻形紫菀水浸提液对小麦和白菜幼苗根系活力、细胞差别透性、植物保护酶活性等生理指标的影响，从而初步探讨钻形紫菀潜在化感作用的机理，为钻形紫菀的防除提供理论和实践依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

供试材料为钻形紫菀，于2018年10月钻形紫菀繁殖期，以随机取样方法采自重庆市北碚区嘉陵江边(29°49′ N，106°26′ E)，该地为钻形紫菀的典型发生区。采集完成的当天内将钻形紫菀植株地上部分剪成5 cm小段，在恒温干燥箱中50 ℃烘干至恒重，储存于收纳箱中，放入干燥剂保持箱内干燥。受体植物小麦(品种：长丰2112)和白菜(品种：四季小白菜)的种子均购于市场。

1.2 实验方法

1.2.1钻形紫菀水浸提液的制备 利用万分之一天平准确称取10 g烘干的钻形紫菀茎、叶，加250 mL蒸馏水在室温下浸提48 h，双层纱布充分过滤得到40 g·L-1的钻形紫菀水浸提液母液，并用蒸馏水将水浸提液母液分别稀释为5、10和20 g·L-1的水浸提液，即刻使用。钻形紫菀水浸提液母液每两天制备一次[11]。

1.2.2种子萌发试验 采用培养皿法。每一培养皿铺两层滤纸，放置籽粒饱满、大小均一的小麦种子50粒或白菜种子100粒，分别加入一定量(以浸没种子约2/3为准)5、10、20、40 g·L-1的钻形紫菀水浸提液处理，蒸馏水作为对照，每个处理3组重复[12-13]。在人工气候箱(培养条件为16 h 25 ℃/8 h 20 ℃，相对湿度80%，24 h黑暗)中培养，培养期间每2 d更换一次蒸馏水或水浸提液。以胚根突破种皮1 mm为萌发标准，每24 h记录一次各处理下小麦、白菜种子萌发数，并计算第5天萌发率和萌发指数。

萌发率(%)=(5 d内种子萌发数/供试种子数)×100%

萌发指数(GI)=∑(Gt/Dt)

式中:Gt为小麦或白菜第t天的萌发数，Dt为相应的萌发天数。

1.2.3幼苗生长试验和生理指标的测定 小麦、白菜种子25 ℃黑暗条件下预先催芽2 d后，参照1.2.2进行处理与培养，培养条件仅24 h黑暗改为16 h光照/8 h黑暗，光照强度为15000 lux。培养3 d后分别测定小麦和白菜幼苗鲜重、苗长、根长以及相关生理指标。采用氯化三苯基四氮唑(TTC)比色法测定根系活力[14]；电导率法测定细胞差别透性[15]；硫代巴比妥酸比色法测定丙二醛(MDA)含量[14]；混合液(丙酮∶无水乙醇∶蒸馏水=4.5∶4.5∶1.0)浸提法测定叶绿素含量[16]；氮蓝四唑(NBT)光还原法测定超氧化物歧化酶(SOD)活性[17]；愈创木酚法测定过氧化物酶(POD)活性[14]；紫外分光光度法测定过氧化氢酶(CAT)活性[18]。

1.3 数据处理与分析

在Willamson等[19]方法的基础上进行修正，并作为化感效应的衡量指标。

RI=1-C/T(T≥C)；RI=T/C-1(T

式中：RI表示化感效应指数，C为对照值，T为处理值，RI>0表示促进作用，RI<0表示抑制作用。

由于RI仅表示钻形紫菀水浸提液对特定生理指标观测值的促进或抑制效应，而对于某些生理指标，如丙二醛含量和细胞差别透性，其数值越高，表示植物组织受伤害越严重，故将丙二醛含量和细胞差别透性的RI纳入化感综合效应(SE)计算时，需要乘以-1[20]，即：

化感综合效应(SE)为种子萌发率、萌发指数、鲜重、苗长、根长、保护酶(SOD、POD、CAT)活性、叶绿素含量、根系活力的化感效应指数以及丙二醛含量、细胞差别透性化感效应指数负值的算术平均值。

采用Excel 2016进行数据统计与绘图，采用SPSS 19.0进行单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 钻形紫菀水浸提液对小麦和白菜萌发的影响

总体而言，小麦和白菜的萌发率以及萌发指数随着钻形紫菀水浸提液浓度增加而下降(表1)。小麦萌发率在20和40 g·L-1的实验组中与对照组表现出显著性差异(P<0.05)，化感效应指数最低为-0.369，白菜萌发率在5～40 g·L-1的水浸提液中与对照差异达到显著水平(P<0.05)，化感效应指数最低为-0.210(表2)。由图1和图2可见，小麦与白菜的萌发速率在播种后2 d 较高，在第3～5 d趋于平缓。钻形紫菀水浸提液主要通过抑制小麦与白菜在播种后1 d内的萌发速率从而影响其萌发率，且浓度越大，抑制作用越明显。水浸提液对小麦、白菜萌发指数的影响较为明显，分别在10～40 g·L-1处理和所有实验组处理中与对照表现出显著性差异(P<0.05)，说明钻形紫菀水浸提液能够较明显地延缓2种受体植物的萌发。综合各浓度下小麦与白菜萌发率与萌发指数的显著性差异水平与化感效应指数可知，小麦萌发对较低浓度钻形紫菀水浸提液不敏感，但在高浓度水浸提液处理下(20，40 g·L-1)受到的抑制较白菜强。

2.2 钻形紫菀水浸提液对小麦和白菜生长形态的影响

小麦和白菜的生长形态指标随着水浸提液浓度增加而下降，故钻形紫菀水浸提液对小麦和白菜生长具有抑制作用。与对照相比，各浓度水浸提液对小麦鲜重和根长的抑制均达到极显著差异水平(P<0.01)(图3～5)。5 g·L-1的水浸提液处理下，小麦苗长与对照无显著差异，其他处理则呈极显著差异(P<0.01)(图4)。白菜鲜重和苗长在5和10 g·L-1处理下与对照无显著性差异，在其他处理下分别呈极显著性差异(P<0.01)和显著性差异(P<0.05)(图3和图4)。白菜根长在10～40 g·L-1的水浸提液处理下与对照相比均达极显著差异水平(P<0.01)(图5)。由表2可知，各浓度水浸提液对小麦鲜重和苗长的抑制更强；小麦根长在5 g·L-1水浸提液处理下的化感效应指数比白菜略低，而在其他浓度下，化感效应指数均高于白菜，结合对显著性差异水平的分析可知，白菜根长对5 g·L-1的水浸提液不敏感，但在其他浓度水浸提液处理下受到的抑制较小麦强。此外，由表2可知，2种植物根长受到的抑制较鲜重与苗长强，这是由于植物的根系直接接触到化感物质，受到的损伤较其他部位大。

表1 钻形紫菀水浸提液对小麦与白菜萌发的影响Table 1 Effect of aqueous extracts of A. subulatus on germination of T. aestivum and B. chinensis

注： 同一指标具有不同大、小写字母表示分别在1%、5%水平上存在显著性差异。

Note: The data with the capital and normal letters in the same row respectively mean significant difference atP<0.01,P<0.05.

图1 钻形紫菀水浸提液对小麦萌发率的影响Fig.1 Effect of aqueous extracts of A. subulatus on germination rate of T. aestivum

图3 钻形紫菀水浸提液对小麦和白菜鲜重的影响Fig.3 Effect of aqueous extracts of A. subulatus on fresh weight of T. aestivum and B. chinensis

图4 钻形紫菀水浸提液对小麦和白菜苗长的影响Fig.4 Effect of aqueous extracts of A. subulatus on shoot length of T. aestivum and B. chinensis

同一物种具有不同大、小写字母表示分别在1%、5%水平上存在显著性差异。下同。The data with the capital and normal letters in the same species respectively mean significant difference atP<0.01,P<0.05. The same below.

图5 钻形紫菀水浸提液对小麦和白菜根长的影响Fig.5 Effect of aqueous extracts of A. subulatus on root length of T. aestivum and B. chinensis

图6 钻形紫菀水浸提液对小麦和白菜SOD活性的影响Fig.6 Effect of aqueous extracts of A. subulatus on SOD activity of T. aestivum and B. chinensis

2.3 钻形紫菀水浸提液对小麦和白菜保护酶活性的影响

钻形紫菀水浸提液处理对小麦与白菜保护酶活性存在不同程度的抑制，且除白菜CAT活性外，其抑制作用随水浸提液浓度增加而增强(图6～8)。对于SOD而言，小麦仅在10～40 g·L-1浓度处理下与对照相比呈显著性差异(P<0.05)，而白菜实验组结果均与对照组呈极显著差异(P<0.01)(图6)，2种植物最低化感效应指数分别为-0.421和-0.339(表2)。对于POD而言，小麦与白菜的实验组结果均与对照组呈极显著差异(P<0.01)(图7)，最低化感效应指数分别为-0.149与-0.448(表2)。对于小麦CAT活性而言，实验组结果均与对照组呈显著性差异(P<0.05)，且在10～40 g·L-1水浸提液处理下的结果与对照相比达到极显著差异水平(P<0.01)(图8)。随浓度的增加，钻形紫菀水浸提液对白菜CAT活性表现出复杂的影响，实验组CAT活性均低于对照组并与对照组呈极显著差异(P<0.01)；而在实验组内，白菜CAT活性随水浸提液浓度增加呈波动的变化趋势，在20 g·L-1水浸提液处理下达到最低水平(化感效应指数为-0.520)，且仅5和20 g·L-1水浸提液处理下的CAT活性存在显著性差异(P<0.05)。

图7 钻形紫菀水浸提液对小麦和白菜POD活性的影响Fig.7 Effect of aqueous extracts of A. subulatus on POD activity of T. aestivum and B. chinensis

图8 钻形紫菀水浸提液对小麦和白菜CAT活性的影响Fig.8 Effect of aqueous extracts of A. subulatus on CAT activity of T. aestivum and B. chinensis

2.4 钻形紫菀水浸提液对小麦和白菜丙二醛含量的影响

随钻形紫菀水浸提液浓度的增加，小麦丙二醛含量呈先下降后上升的趋势(图9)，在5和10 g·L-1水浸提液处理下小麦丙二醛含量略下降，这可能是小麦对低胁迫环境的生理响应，在20 g·L-1水浸提液处理下小麦丙二醛含量高于对照，但未呈显著性差异，仅在40 g·L-1水浸提液处理下与对照相比表现出极显著差异(P<0.01)，化感效应指数为0.244，这说明水浸提液对小麦丙二醛含量影响较小。白菜丙二醛含量随钻形紫菀水浸提液浓度增加而逐渐上升，实验组结果均与对照组呈显著性差异(P<0.05)，其中在40 g·L-1处理中丙二醛含量远高于对照，化感效应指数为0.472(表2)，表明水浸提液对白菜丙二醛含量的影响较小麦大(图9)。

2.5 钻形紫菀水浸提液对小麦和白菜细胞差别透性的影响

随着水浸提液浓度增大，小麦和白菜的电解质外渗程度增加，说明化感物质破坏了这两种受体植物的膜系统(图10)。小麦的实验处理结果与对照均呈极显著差异(P<0.01)；在5 g·L-1水浸提液处理下白菜电解质外渗率与对照组无显著性差异，在其他浓度下呈极显著差异(P<0.01)。从两种植物在各浓度水浸提液处理下的化感效应指数来看，小麦膜系统受到的破坏更大(表2)。

2.6 钻形紫菀水浸提液对小麦和白菜叶绿素含量的影响

小麦和白菜的叶绿素含量随着水浸提液浓度的增加而下降(图11)。在各浓度水浸提液处理下，小麦叶绿素含量与对照相比均呈极显著差异(P<0.01)，白菜叶绿素含量与对照相比则呈显著性差异(P<0.05)，在10～40 g·L-1浓度水浸提液处理下，白菜叶绿素含量与对照相比呈极显著差异(P<0.01)，说明钻形紫菀水浸提液对小麦和白菜叶绿素含量存在化感抑制效应。从表2可知，除10 g·L-1水浸提液处理外，总体上白菜叶绿素含量受钻形紫菀水浸提液的影响更大。

2.7 钻形紫菀水浸提液对小麦和白菜根系活力的影响

钻形紫菀水浸提液对小麦和白菜根系活力具有抑制作用，且抑制作用随水浸提液浓度增加而增强。与对照相比，各浓度水浸提液均对小麦根系活力造成了显著的抑制作用(P<0.05)，化感效应指数为-0.580至-0.260；而5 g·L-1水浸提液处理下，白菜根系活力与对照无显著性差异，在10～40 g·L-1的水浸提液处理下

图9 钻形紫菀水浸提液对小麦和白菜丙二醛含量的影响Fig.9 Effect of aqueous extracts of A. subulatus on MDA content of T. aestivum and B. chinensis

图10 钻形紫菀水浸提液对小麦和白菜细胞差别透性的影响Fig.10 Effect of aqueous extracts of A. subulatus on membrane permeability of T. aestivum and B. chinensis

图11 钻形紫菀水浸提液对小麦和白菜叶绿素含量的影响Fig.11 Effect of aqueous extracts of A. subulatus on chlorophyll content of T. aestivum and B. chinensis

图12 钻形紫菀水浸提液对小麦和白菜根系活力的影响Fig.12 Effect of aqueous extracts of A. subulatus on root activity of T. aestivum and B. chinensis

则呈极显著差异(P<0.01)，化感效应指数为-0.474至-0.057。由表2可知，小麦根系活力受钻形紫菀水浸提液的抑制较白菜大(图12)。

2.8 钻形紫菀水浸提液对小麦和白菜的化感综合效应

钻形紫菀水浸提液对小麦和白菜的化感综合效应(SE)均为负值，且随着水浸提液浓度增加而降低，意味着钻形紫菀对小麦与白菜具有化感抑制作用并随着水浸提液浓度增加而增强。此外，白菜在各个浓度水浸提液处理下的化感综合效应(SE)绝对值均大于小麦，说明总体而言，钻形紫菀对白菜的抑制作用强于小麦(表2)。

表2 钻形紫菀水浸提液对小麦和白菜的化感综合效应Table 2 Allelopathic effect of aqueous extracts of A. subulatus of T. aestivum and B. chinensis

3 讨论

“化学武器假说”认为，部分入侵植物可以通过向外界环境释放化学物质以抑制周边其他植物的萌发与生长，从而获得更多的空间、水分与营养，进而取代伴生植物[21]。目前，钻形紫菀已成功入侵中国十多个省区，并不断向邻近区域扩散，且MAXENT模型预测表明其潜在分布网格数占中国网格总数的26.33%，这意味着钻形紫菀具有极强的入侵能力[22]。结果表明，随着钻形紫菀水浸提液浓度的增加，本土作物小麦与白菜在萌发、生长以及相关生理指标上受到的抑制增强，意味着钻形紫菀能够分泌化学物质抑制本土作物小麦和白菜的萌发与生长，从而在与这2种植物的竞争中取得优势，说明钻形紫菀对本土植物的化感抑制效应可能是其入侵能力的来源之一。根据结果推测，当钻形紫菀释放的化感物质与某些本土植物接触时，能降低植物细胞保护酶系统(CAT、POD、SOD)的活性，植物组织清除氧自由基的能力下降，使得生物膜系统受到氧自由基的攻击而被破坏，膜脂过氧化并产生大量丙二醛，细胞膜透性增加，细胞内容物大量外渗，导致电导率上升；另外，本土植物的呼吸作用在此过程中也会受到抑制，根系活力下降导致植物养分吸收受限，代谢受阻，被钻形紫菀进一步排挤；此外，钻形紫菀的化感物质还会降低某些本土植物的叶绿素含量，从而使植物光合速率降低，生长缓慢。本土受体植物在钻形紫菀化感物质影响下的生理变化最终使其宏观上表现出萌发延迟以及幼苗弱小的特征，其建群过程受阻，竞争力不足，导致钻形紫菀能够迅速占领群落空间并形成单一优势群落。

不同浓度钻形紫菀水浸提液对小麦与白菜不同的指标的影响不同。例如：小麦萌发对较低浓度钻形紫菀水浸提液不敏感，但在高浓度水浸提液处理下(20和40 g·L-1)受到的抑制较白菜大；各浓度水浸提液对小麦鲜重和苗长的抑制更强，而白菜根长在10～40 g·L-1水浸提液处理下受到的抑制较小麦强；小麦与白菜不同生理指标受到水浸提液的影响具有一定差别，但综合来看，白菜生理指标受到的抑制更大。综合考虑所有指标可知，相比小麦，各浓度钻形紫菀水浸提液对白菜表现出更强的化感抑制效应(表2)。这可能是由于小麦的种子实际上是颖果，果实具有胚乳无子叶，且较白菜种子更大，储存更多营养，能够在一定程度上更好地弥补自身受到的抑制[23]；种子的大小也影响到了小麦和白菜的营养生长，小麦的根系更为粗壮[24]，许多研究表明，化感物质能够直接破坏受体植物的根尖分生结构，抑制分生细胞有丝分裂[25-26]，故小麦粗壮的根系可能对钻形紫菀化感物质的抵御作用更强(这也基本符合本研究关于钻形紫菀水浸提液对小麦与白菜根长影响的结果)，从而使得小麦植株受到的化感抑制效应更小，这可为钻形紫菀的防治对策提供参考。此外，某些本土植物对入侵植物也会具有类似的化感抑制作用从而能够在一定程度上抵御钻形紫菀的入侵。鉴于钻形紫菀具有快速扩散的趋势，而且农田、草地等生态系统由于物种单一、抵御力较差而更容易受到钻形紫菀的侵入，因此可以进一步着眼于筛选出对钻形紫菀具有强烈化感抑制效应或对钻形紫菀化感抑制效应具有耐受性的本土植物，探讨在钻形紫菀发生区的合理种植模式，从而达到控制钻形紫菀的目的。

4 结论

钻形紫菀水浸提液对小麦和白菜的萌发和生长具有抑制作用，且总体而言随浓度增加其抑制作用增强，这是通过抑制保护酶(SOD、POD、CAT)活性、破坏膜系统、降低根系活力和叶绿素含量来实现的。说明钻形紫菀对某些本土植物具有化感抑制效应，并能够阻碍其建群过程、降低其竞争力，从而实现自身对空间以及资源的占据，进而形成单一优势群落。综合考虑所有指标可知，相比白菜，小麦对钻形紫菀分泌的化感物质敏感性更低，说明小麦在某种程度上能更好地抵御钻形紫菀的入侵，这与其种子构造和大小相关，可为钻形紫菀的防除提供参考。