半夏化感物质浸提液对8种作物的化感效应

唐成林， 雷 强， 罗夫来， 赵 致， 杭 烨， 王华磊， 罗春丽， 陈松树

(1.贵州省农业展览馆， 贵州 贵阳 550001； 2.贵州大学 农学院， 贵州 贵阳 550025)

半夏〔Pinellasternate(Thumb.)Breit.〕是天南星科多年生草本植物，以干燥块茎入药，被历版《中国药典》收载，具有燥湿化痰、降逆止呕、消痞散结的功效[1-2]。药材来源主要依靠人工栽培，主产于四川、辽宁、湖北、贵州等地[3-4]。由于耕地资源有限、经济利益驱动和种植条件苛刻等因素的限制，连作障碍引起的经济效益较低、药农种植积极性不高及临床用药安全无保障等问题越来越突出，严重制约半夏药材产业的可持续发展[5]。因此，开展半夏连作障碍研究，对于促进药农增收、缓解半夏药材市场供需矛盾及提高其出口创汇能力等具有积极意义。

连作障碍形成及加重是植物-土壤系统内多种因素综合作用的结果[6-7]。目前认为连作障碍产生的原因是土壤养分的消耗，土壤物理性状的恶化，来自植物的有害物质、土传病害和线虫的危害[8-9]。药用植物会向环境释放次生代谢产物来适应多变环境维持其生存，这类物质相对分子质量小，结构简单，容易释放，当积累到一定浓度就会产生化感作用，是导致药用植物连作障碍的主要因子之一[10-11]。很多研究者采用甲醇、丙酮、乙酸乙酯等有机试剂对植物不同部位进行提取，但提取到的物质可能不是植物体释放到环境中具有化感活性的物质及种类[12-16]。在自然条件下，除水以外，不可能有其他溶剂将植物中的化感物质淋溶出来。为探明半夏连作障碍的化感物质释放途径和构建高效的种植制度，以常用化感作用生物测试材料及其常见间作轮作作物为受试材料，研究半夏化感物质的来源、作用浓度和耐化感胁迫的作物种类，以期明确半夏化感物质的释放途径及其化感效应。

1 材料和方法

1.1 供试材料

生物测试材料：半夏〔Pinellasternate(Thumb.)Breit.〕、莴笋〔LactucasativaLinn. var. angustata Irish ex Bremer〕、生菜〔LactucasativaLinn. var. ramosa Hort.〕、小麦〔TriticumaestivumL.〕、油菜〔BrassicacampestrisL.〕、糯玉米〔ZeamaysL.〕、决明子〔CassiatoraL.〕、高粱〔Sorghumbicolor(Linn.) Moench〕，市购。供试材料：半夏根系分泌物浸提液、根际土壤浸提液和植株腐解液，实验室自制。

1.2 方法

1.2.1 半夏水溶液提取物的制备 半夏根系分泌物浸提液(BG)：以灭菌的石英砂做基质，盆栽半夏种茎，定期浇灌霍格兰全素营养液培养。待半夏完全展叶，用5 L蒸馏水缓慢冲洗基质，沥干，将盆栽半夏接入水循环系统培养。15 d后分离半夏植株，杀酶，45℃风干，称重；基质用其3倍体积蒸馏水缓慢冲洗，洗脱液过滤，50℃减压浓缩至体积低于100 mL，过微孔滤膜(0.45 μm)，根据半夏植株干质量，配制浓度为0.04 g/mL的半夏根系分泌物浸提液(每mL含0.04 g半夏植株所产生的化感物质)，4℃冷藏备用[17]。

半夏根际土壤浸提液(BT)：将重茬1 a地种植的半夏整株挖出，抖掉根域土，细毛刷分离根际土和植株。植株洗净，杀酶，45℃风干，称重，打粉过4号药筛备用。根据根际土与植株干质量比(2.21∶1)，称取37.81 g根际土，加入400 mL蒸馏水，150 r/min振荡浸提24 h，静置24 h，过微孔滤膜(0.45 μm)，即得0.04 g/mL半夏根际土壤浸提液，4 ℃冷藏备用。

半夏植株腐解液(BF)：采集半夏地空白土壤，同半夏根际土壤浸提液母液制备方法，制备1 000 mL空白土壤浸提液备用。取20 g半夏植株粉末，加入500 mL空白土壤浸提液避光振荡培养15 d，浸提液过微孔滤膜(0.45 μm)，即得0.04 g/mL半夏植株腐解浸提液，4 ℃冷藏备用。

1.2.2 试验设置 试验共设13个处理，以蒸馏水为对照，BG、BT、BF均设4个浓度，分别为0.04 g/mL、0.02 g/mL、0.01 g/mL和0.005 g/mL，各处理3次重复。在铺有2层滤纸的培养皿(9 cm)中，分别加入5 mL BG、BT、BF母液配制的浓度为0.04 g/mL、0.02 g/mL、0.01 g/mL、0.005 g/mL、0 g/mL的稀释液，均匀置入经75%乙醇灭菌处理的受试材料中(莴笋、生菜、高粱、决明子、小麦和油菜种子各50粒)；在铺有2层滤纸的培养皿(直径12 cm)中，分别加入9 mL上述半夏腐解液母液稀释液，均匀置入经75%乙醇灭菌处理的受试材料(半夏和玉米种子各30粒)。在温度20℃、相对湿度60%、光照4 000 Lx的恒温人工气候箱中进行种子萌发和幼苗生长培养。

1.3 测定项目

莴笋、生菜、高粱、小麦、油菜种子培养7 d后，半夏、决明子、玉米种子培养14 d后，计算发芽率和发芽势。每个重复随机取5株幼苗(单个重复不足5株的记为0)，测定幼苗根长、根鲜质量、根干质量、芽长、芽鲜质量和芽干质量。

化感效应以化感效应指数(RI)衡量：RI=1-C/T(T≥C时)或RI=T/C-1(T 0时，表示促进作用；当RI< 0时表示抑制作用[18]。

参照马瑞君等[19]的方法计算平均敏感指数：

式中，aj为各处理对应的化感效应指数(RI)；n表示a的个数；M表示平均敏感指数，含义与化感效应指数相同；R表示平均敏感指数的层级：R=1时，M1指示半夏化感物质对受试材料各指标的化感效应；R=2时，M2指示半夏化感物质对受试材料不同生育期的化感效应；R=3时，M3指示半夏化感物质对受试材料的综合化感效应。

1.4 数据处理

采用Excel进行数据统计和作图，DPS 7.05进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 8种作物对半夏化感物质的敏感性

半夏化感物质浸提液对8种受试材料总体表现为化感抑制，作用强度表现为玉米>生菜>莴笋>小麦>高粱>油菜>半夏>决明子(表2)。三级敏感指数显示，半夏化感物质浸提液对玉米和生菜有强烈的抑制作用，所受抑制作用强度分别是半夏自毒作用的6.4倍和5.6倍。从二级敏感指数看，半夏、生菜、莴笋、小麦、玉米幼苗生长期比种子萌发期对半夏化感物质更敏感，但差异不明显；半夏化感物质对高粱和油菜种子萌发期的化感抑制作用强度分别是幼苗生长期的2.2倍和6.3倍。一级敏感指数显示，半夏化感物质对8种受试材料各测定指标整体为化感抑制，各测定指标综合敏感度为幼苗根干质量>幼苗根鲜质量=幼苗根长>发芽势>发芽率(测定指标综合敏感度是指受体材料相同时测定指标绝对值的算术平均数，用于表示化感物质对该指标的作用强度大小)。

由表1可知，不同浓度半夏水溶液提取液处理半夏、生菜、莴笋、高粱、决明子、小麦、油菜及玉米8种受式作物的种子萌发和幼苗生长情况。对表1数据进行分析得到8种作物对半夏化感物质的敏感指数。

续表1

受试材料Tested material浸提液Extract浸提液浓度/(g/mL)Extract concentration发芽势/%Germination vigor发芽率/%Germination rate幼苗长/cmSeedling bud length幼苗鲜质量/gFresh weight of seedling 幼苗干质量/gDry weight of seedling 幼苗根长/mmSeedling root length幼苗根鲜质量/gFresh weight of seedling root幼苗根干质量/gDry weight of seedling root0.0292.0095.3333.340.187 70.020 977.520.260 60.086 70.0482.0090.0037.580.204 50.023 181.290.248 70.087 0决明子CK-67.3376.6730.340.548 10.128 858.910.158 30.014 0 CassiaBT0.00558.0086.6752.890.676 80.134 674.710.197 60.019 60.0160.0083.3340.580.622 60.119 949.760.183 00.017 40.0260.0079.3333.640.589 60.117 852.710.216 90.021 70.0467.3390.6727.980.538 00.119 366.520.204 40.020 0BF0.00559.3354.0027.270.507 60.108 430.130.187 90.016 90.0154.6783.3315.360.507 10.134 844.070.238 80.027 20.022.0070.0013.720.473 90.123 731.730.219 30.021 90.040.0048.0025.950.582 00.125 535.750.242 00.023 5BG0.00558.6778.6733.640.606 80.125 462.420.276 10.024 20.0158.0080.0035.780.707 60.123 475.920.262 80.020 80.0274.0084.0025.480.557 70.130 162.040.248 50.022 70.0472.6785.3332.860.603 10.130 248.360.246 70.021 3小麦CK-45.0057.0053.450.225 50.025 452.330.139 20.024 6 WheatBT0.00544.0065.0056.730.263 20.030 578.530.142 70.028 20.0150.0069.3354.140.258 50.029 879.750.148 60.032 60.0249.3368.6758.570.280 70.031 295.270.129 40.028 90.0448.0062.0039.060.249 70.026 656.080.095 20.021 6BF0.00538.0064.6733.120.153 50.020 237.050.113 90.020 30.012.0044.0020.160.086 60.011 631.340.073 70.016 90.020.000.670.000.000 00.000 00.000.000 00.000 00.040.000.000.000.000 00.000 00.000.000 00.000 0BG0.00550.0053.3346.950.207 40.022 542.470.116 30.022 10.0144.0057.3347.390.231 90.025 250.360.146 30.026 50.0248.0058.0049.380.236 40.024 447.080.113 90.020 90.0444.6764.0059.930.277 30.030 661.250.116 80.022 5油菜CK-96.0098.0027.700.137 20.013 570.360.040 60.002 8 RapeBT0.00596.6796.6733.660.197 40.017 865.530.049 20.003 60.0196.6798.6732.280.165 40.014 274.870.043 80.003 80.0294.6796.6731.620.168 80.014 472.090.055 20.003 50.0497.3398.6733.490.177 00.015 477.310.042 70.003 9BF0.00594.0097.3324.830.151 70.014 665.230.055 40.003 80.0138.0089.3328.780.145 00.013 639.170.032 30.002 50.024.6720.007.250.080 50.017 44.480.016 10.000 90.040.000.000.000.000 00.000 00.000.000 00.000 0BG0.00598.0098.6732.370.156 20.013 856.550.043 70.003 30.0195.3398.0037.970.208 90.018 352.500.044 10.003 00.0294.6796.6736.850.188 60.014 544.490.041 30.002 20.0496.0098.6739.750.208 00.015 869.080.042 70.003 8玉米CK-22.2280.0053.430.839 10.089 065.960.570 30.077 9 CornBT0.00535.5580.0044.460.692 90.071 659.470.517 60.065 30.0136.6774.4445.210.726 40.075 555.380.502 80.063 50.0238.3473.3336.280.565 10.061 151.230.545 00.059 50.0421.6775.5543.790.738 80.075 770.020.545 50.076 6BF0.00512.2256.6732.640.543 10.064 637.910.464 30.061 90.012.2231.1115.590.240 50.030 423.220.304 10.041 60.024.4516.6719.170.239 60.024 024.850.283 30.035 50.040.0015.566.120.074 30.015 012.900.154 30.032 9BG0.00513.3370.0034.960.517 60.058 441.750.277 70.038 00.0141.6776.6736.840.580 40.062 634.930.243 50.032 00.0230.0053.3330.160.501 00.051 736.210.296 60.035 10.0411.1142.2227.180.374 90.039 831.310.223 40.028 4

注：表中幼苗及根的质量均为5苗的统计量。

Note:The mass of seedlings and roots in the table were all five seedlings.

表2 8种受试材料对半夏化感物质的敏感指数

2.2 半夏化感物质释放途径及质量浓度效应分析

2.2.1 3种来源半夏化感物质浸提液的化感效应 在物种水平，3种浸提液化感作用强度为半夏植株腐解液>半夏根系分泌物浸提液>半夏根际土壤浸提液(图1)。半夏根际土壤浸提液对8种受试材料无明显化感作用。半夏植株腐解液对8种受试材料均有化感抑制作用，其中对生菜、莴笋、小麦、玉米的抑制作用强烈。半夏根系分泌物浸提液对玉米有强烈的化感抑制作用，对生菜等7种受试材料无明显化感作用。

图13种半夏化感物质浸提液对8种作物的化感作用(M3)

Fig.1 Allelopathic effects of three kinds ofP.ternataallelochemical extracts on eight crops (M3)

由表3可知，除小麦外，半夏根际土壤浸提液对受试材料幼苗生长期的化感作用强度大部分大于种子萌发期，其对半夏、生菜、莴笋、高粱和玉米的幼苗生长有化感抑制作用，对决明子、小麦和油菜的幼苗生长有化感促进作用。半夏植株腐解液对半夏、生菜、莴笋和小麦的幼苗生长期的化感抑制作用大于种子萌发期，其中，对半夏幼苗生长期的抑制作用强度是种子萌发期的2.4倍；对高粱、决明子、油菜和玉米种子萌发期的化感抑制作用强度大于幼苗生长期，其中，对决明子种子萌发期的抑制作用强度是幼苗生长期的12.3倍。半夏根系分泌物浸提液对8种受试材料幼苗生长期的化感作用强度大部分大于种子萌发期，其对小麦、玉米的幼苗生长有化感抑制作用，对半夏、生菜、莴笋、高粱、决明子、油菜的幼苗生长有化感促进作用。

表33种半夏化感物质浸提液对8种受试材料不同生长期的化感效应(M2)

Table 3 Allelopathic effects of three kinds ofP.ternataallelochemical extracts on different growth stages of eight tested materials (M2)

浸提液Extract生长期Growth stage半夏P. ternata生菜Romaine lettuce莴笋Asparagus lettuce高粱Sorghum决明子Cassia小麦Wheat油菜Rape玉米CornBT种子萌发期0.000.020.01-0.010.000.100.000.12幼苗生长期-0.13-0.13-0.03-0.030.120.100.15-0.15BF种子萌发期-0.12-0.85-0.66-0.63-0.37-0.65-0.56-0.71幼苗生长期-0.29-0.88-0.85-0.39-0.03-0.69-0.34-0.58BG种子萌发期0.000.010.02-0.030.020.030.00-0.14幼苗生长期0.240.170.000.120.16-0.040.09-0.46

2.2.2 8种受试材料对不同浓度半夏化感物质浸提液的化感效应 把3种半夏化感物质浸提液对受试材料的化感作用看成一个整体来综合评价半夏化感物质的浓度效应。从图2所知，随质量浓度的增加，半夏化感物质浸提液对受试材料的化感作用强度呈规律变化。在试验设置浓度范围内，半夏化感物质浸提液对决明子、半夏、油菜的化感作用与质量浓度呈低促高抑的浓度效应，浓度大于等于0.02 g/mL时整体为化感抑制作用。半夏化感物质浸提液的浓度越大，对高粱、小麦、莴笋、玉米的化感抑制作用强度越大。随着浓度的增加，半夏化感物质浸提液对生菜的化感抑制作用强度呈先增后平稳，质量浓度为0.01 g/mL的半夏化感物质浸提液对生菜有较强的化感抑制作用，浓度高于0.01 g/mL后，其对生菜的抑制作用不再随质量浓度的增加而产生明显变化。

由图3可知，半夏化感物质浸提液对半夏种子萌发和幼苗生长期的化感作用与质量浓度呈低促高抑的趋势，0.01 g/mL是临界值。半夏化感物质浸提液对生菜、莴笋、高粱、小麦和玉米的种子萌发和幼苗生长均为化感抑制，抑制作用强度总体随半夏化感物质浓度的增加而变大。半夏化感物质浸提液对决明子种子萌发期为化感抑制，浓度大于0.01 g/mL后，浓度越大产生的抑制作用强度越大；其对决明子幼苗生长期为化感促进，浓度小于0.01 g/mL，其浓度越大产生的促进作用强度越小。半夏化感物质浸提液对油菜种子萌发期为化感抑制，浓度越大，产生的抑制作用强度越大；其对油菜幼苗生长期的化感作用与质量浓度呈低促高抑的浓度效应。研究还发现，相同浓度的半夏化感物质浸提液对生菜、小麦的种子萌发期和幼苗生长期的化感作用差异不明显，但相同浓度的半夏化感物质浸提液对莴笋幼苗生长期的化感抑制作用强度明显大于种子萌发期。相同浓度的半夏化感物质浸提液对高粱种子萌发期的化感作用强度大于幼苗生长期，但其对玉米不同生长期的化感作用整体表现正好相反，浓度为0.04 g/mL时，对玉米种子萌发期和幼苗生长期的化感抑制作用强度相同。

图2不同浓度半夏化感物质浸提液对8种作物的化感作用(M3)

Fig.2 Allelopathic effects of different concentrations ofP.ternataallelochemical extracts on eight crops (M3)

图3 不同浓度半夏化感物质浸提液对8种作物不同生长期的化感效应(M2)

Fig.3 Allelopathic effects of different concentrations ofP.ternataallelochemical extracts on different growth stages of eight crops (M2)

3 结论与讨论

生物测试是研究化感作用的有效手段，测定的指标从各方面定性反应了化感物质对受试材料的化感效应，但单一指标指示化感作用往往具有片面性[20]。研究通过计算平均敏感指数综合反应受试材料对化感物质的敏感性，不同作物对半夏不同类型浸提液化感物质的敏感性存在差异，生菜对半夏植株腐解液浸提液中的化感物质的敏感性最强；小麦对根际土壤浸提液和植株腐解液中的化感物质敏感性明显，对根系分泌物的浸提液化感物质敏感性不明显；根系分泌物浸提液对半夏有明显的化感促进作用，对玉米有强烈的化感抑制作用，但对另外6种受试材料化感作用不明显。说明半夏化感物质具有一定范围的作用谱，即化感作用与受体植物种类和化感物质的活性有关，在辣椒、胡桃酮、油菜等的研究中得到了相似的结论[21]。在人参、丹参、白三叶、玉米、大蒜等植物的化感作用研究中，均证实植株腐解物中含有化感活性物质[22-26]。三种浸提液化感作用强度为半夏植株腐解液>半夏根系分泌物浸提液>半夏根际土壤浸提液，说明半夏植株腐解物水浸提液含有丰富的化感物质，可能是半夏连作障碍发生的主要原因之一。半夏根际土壤浸提液对受试材料化感作用不明显，可能是试验设置浓度偏低，没有达到有效作用阈值的原因。半夏化感物质浸提液对受试材料总的化感抑制作用强度为玉米>生菜>莴笋>小麦>油菜>半夏>决明子，说明半夏不宜与玉米间作，这与大田生产实际不相符合，可能是雨水冲刷使得化感物质未达到有效浓度，也有可能是育苗移栽避开了玉米化感作用敏感期，移栽时玉米种苗带有营养块，中后期生物量较大、抗逆能力增强等因素导致了试验条件下的结果与实际情况不一致。试验还发现，半夏化感物质能促进决明子幼苗生长，说明决明子可用于半夏高效种植体系，并且决明子植株不仅能为半夏的生长提供适宜遮阴，减少因高温而出现的半夏倒苗次数，缓解残体腐解物在土壤中的积累，而且豆科植物特有的固氮能力还能提高土壤肥力。

植物在多变的环境条件下，通过物理手段获得资源的能力大大降低，植物就会采用化学方法来增强其竞争能力，适应多变的环境维持生存[10]。研究发现，化感物质一旦释放就必然与生物和非生物因子发生相互作用，并以有效浓度引起化感作用现象。试验结果表明，当半夏化感物质质量浓度大于0.02 g/mL，对生菜、莴笋、小麦和玉米等受试材料幼苗生长期的化感作用强度明显大于种子萌发期，说明在半夏高效种植体系构建中应注意半夏化感物质对间作和轮作作物幼苗的毒害作用。曾任森[27]研究香茅、胜红蓟和三叶鬼针草的水提取物的化感作用发现，作物幼苗生长期比种子萌发期对化感物质更敏感，与本试验结果一致。此外，试验中半夏化感物质的自毒作用存在低促高抑的浓度效应，从种子萌发到幼苗生长呈低促高抑制的趋势，质量浓度低于0.01 g/mL有微弱的化感促进作用，质量浓度高于等于0.02 g/mL就会产生强烈的自毒作用，至于具体是何种活性物质导致了半夏自毒作用，有待进一步研究。

半夏化感物质抑制作用具有广谱性，作用强度与质量浓度呈正相关，可能是导致半夏连作障碍的主要原因之一。植株腐解液中含有丰富的化感物质，能引起强烈的化感和他感作用，是半夏化感物质的主要来源之一，对其活性物质的分离鉴定及其作用机理的研究，能为缓解并解除半夏连作障碍提供可靠的理论依据。