稗草根系分泌物对水稻种子萌发和苗期生长的影响

张 奇, 张清旭, 庞晓敏, 叶江华, 王海斌,3, 贾小丽, 何海斌

(1.武夷学院茶与食品学院，福建 武夷山 354300；2.福建农林大学生命科学学院，福建 福州 350002；3.龙岩学院生命科学学院，福建 龙岩 364012)

稗草[(Echinochloacrusgalli(L.) Beauv.)]为禾本科稗属1年生植物，是世界性恶性杂草，也是危害稻田的首要杂草[1]。由于稗草和水稻的生物学特性极其相似，在共存模式下竞争激烈，且在恶劣的环境下其竞争更加尖锐，优势也更加明显[2]。稗草在作物生长季节不断萌发出苗，且根系发达，从幼苗起就与作物根系交织在一起，不断地生长并包围作物根系[3]。前人研究表明，稗草对水稻的抑制作用与稗草密度相关，通过抑制株高、分蘖数、有效穗数等来降低水稻产量[4-5]。林文雄等[6]研究表明，在稗草竞争干扰下，水稻产量的损失可用指数模型预测。

植物化感作用指植物向环境释放化学物质对另一种植物(包括微生物)产生直接或间接的影响[7]。许多杂草和农作物对其他农作物都具有化感作用[8]。自从Dilday et al[9]发现水稻能对鸭跖草表现出化感潜力，越来越多的学者开始致力于水稻化感潜力的研究。水稻主要通过分泌物影响杂草生长，从而起到化感作用[10]。水稻通过自身的化感作用可以抑制杂草，有效降低化学除草剂的使用，从而提高稻米品质，改善水质和降低土壤污染[11]。水稻和稗草之间存在相互识别的作用机制[12-17]。Kato-noguchi et al[18]研究表明，水稻会响应稗草根系分泌物诱导，提高稻壳酮B的合成和分泌量，增强水稻抑草潜力。Zhang et al[12-13]研究表明，稗草根系分泌物可以诱导水稻提高化感作用，增加水稻化感物质酚酸的分泌。水稻产量与其种子的萌发密切相关，而水稻种子的萌发又受温度、水分、盐度等环境因素影响。播种时水稻种子跟杂草分泌物直接接触，而有关水稻种子萌发及幼苗生长与杂草分泌物之间关系的报道较少。因此，基于不同因素对水稻萌发和幼苗生长影响的研究，以及水稻与稗草之间的相互联系，本研究探讨不同化感潜力水稻种子萌发和幼苗生长对稗草根系分泌物的响应差异，为水稻育苗早期杂草防控提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

非化感水稻： Man sin、塔献、IARI-7130、清香晚、Naoemzo (b)70、Lemont；化感水稻：Ollwae do、野澳丝苗、488、协青早B、博B、Taichung Native1、PI312777，所有水稻种子均于2017年10月在福建省建阳市书坊乡收获。水稻化感潜力分类参考杨小燕[19]对不同来源水稻品种化感潜力的鉴定。

1.2 试验方法

1.2.1 稗草种植及其根系分泌物收集 稗草的种植以及稗草根系分泌物收集参考Zhang et al[12]的方法。挑选颗粒饱满的稗草种子，用0.5%(体积比)NaClO溶液处理10 min，用蒸馏水冲洗干净后平铺到沙盘里。加适量的蒸馏水，盖上保鲜膜，并用镊子在保鲜膜上戳一些小孔，置于恒温培养箱中30 ℃催芽。待长到一叶期，挑取长势一致的稗草(约4 cm)，转移至含10 L霍格兰氏(Hoagland)营养液的塑料盆(长×宽×高=45 cm×35 cm×15 cm)中，每盆100株。把盆放在室外自然种植(25～35 ℃)，每周定时补足一定的水分和营养(直接补水至10 L左右，营养按7 d完全利用来计算，补回至原来营养物质浓度)。25 d后(稗草大多长至6叶)，收集稗草根系分泌物，用2层滤纸过滤，再过0.45 μm的滤膜，4 ℃保存备用。

1.2.2 稗草根系分泌物对水稻种子萌发的影响 (1)水稻种子预处理。分别取不同品种的水稻种子约1 500粒，用5%NaClO溶液消毒30 min，蒸馏水冲洗5遍，用吸水纸吸干水分，备用。(2)稗草根系分泌物处理水稻种子。将处理干净的水稻种子放入垫有一层滤纸的培养皿中，每个培养皿放置50粒种子，分别设置5个处理：将稗草根系分泌物用蒸馏水稀释10、8、4、2倍(体积比，TM1～TM4处理)及完全稗草根系分泌物处理(TM5)，以蒸馏水为对照(CK)。在培养皿中分别加入不同浓度稗草根系分泌物3 mL，每个梯度设置4个平行，培养皿盖上保鲜膜，放入(28±2) ℃恒温培养箱，黑暗培养，每24 h观察并记录水稻种子发芽数，共观察72 h。计算各处理水稻的发芽势和发芽率：发芽势/%=(特定时间内种子发芽数/供试种子粒数)×100；发芽率/%=(种子总发芽数/供试种子粒数)×100。

1.2.3 稗草根系分泌物对水稻幼苗生长的影响 (1)水稻种子催芽。分别取不同品种水稻种子约200粒，用5%NaClO溶液消毒30 min，蒸馏水冲洗5遍，用蒸馏水浸泡24 h(每8 h换1次水)后，蒸馏水冲洗3遍。把水稻种子置于垫有滤纸的培养皿中并盖好保鲜膜，在保鲜膜上扎一些孔，置于(28±2) ℃的培养箱中黑暗催芽。

(2)稗草根系分泌物处理水稻苗。将萌发的水稻种子放入组培瓶中，每个组培瓶放入5粒种子，分别设置5个处理：将稗草根系分泌物用蒸馏水稀释10、8、4、2倍(体积比，TM1～TM4处理)及完全稗草根系分泌物处理(TM5)，在组培瓶中分别加入5 mL不同浓度稗草根系分泌物，对照组(CK)加入5 mL蒸馏水。每个梯度设置4个平行，盖上盖子后放入培养箱中，12 h光照、12 h黑暗，温度(28±2) ℃，培养5 d后测量水稻的根长、株高和侧根数。

1.3 统计与分析

用Excel进行数据整理和图表绘制，利用DPS 7.05进行方差分析和显著性分析。

2 结果与分析

2.1 稗草根系分泌物对水稻种子发芽势的影响

2.1.1 化感水稻 稗草根系分泌物对化感水稻种子发芽势和发芽率的影响见表1。从表1可见，稗草根系分泌物处理化感水稻种子24 h后，各品种水稻发芽势整体上随稗草根系分泌物浓度的提高而逐渐减小，其中TM5处理最低，除Ollwae do品种外，其他品种TM5处理与CK差异均达显著水平(P<0.05)；TM1处理下，Taichung Native1、协青早B、488、Ollwae do和野澳丝苗等5个品种的发芽势均大于CK，且Ollwae do和野澳丝苗的发芽势与CK差异达显著水平。稗草根系分泌物处理水稻种子48 h后，除Ollwae do品种外，其他品种水稻发芽势整体上随稗草根系分泌物浓度的提高而增大。除488和Ollwae do两个品种外，其他品种水稻发芽势均为TM5处理最大，且均与CK存在显著差异。除了协青早B和Ollwae do品种外，其他品种不同浓度稗草根系分泌物对不同化感水稻品种的发芽率均没有显著影响，且在低浓度稗草根系分泌物诱导下发芽率均有所提高，但与CK相比差异不显著。总体来看，高浓度稗草根系分泌物处理导致不同化感水稻品种整体的发芽势往后推移，但低浓度稗草根系分泌物对化感水稻发芽势未见显著影响。除了协青早B和Ollwae do品种外，其他品种稗草根系分泌物对化感水稻发芽率均无显著影响。

2.1.2 非化感水稻 稗草根系分泌物对非化感水稻种子发芽势和发芽率的影响见表2。从表2可见，稗草根系分泌物处理非化感水稻种子24 h后，除Lemont品种外，不同浓度稗草根系分泌物处理下，其他5个品种发芽势都没有显著变化；Lemont品种发芽势随稗草根系分泌物浓度的提高而逐渐减小，且与CK差异均达显著水平(P<0.05)。稗草根系分泌物处理非化感水稻种子48 h后，不同非化感水稻品种响应存在差异。Lemont品种发芽势随稗草根系分泌物处理浓度的提高而逐渐增大，且与CK差异均达显著水平；塔献和Man sin发芽势随稗草根系分泌物处理浓度的提高整体呈先增加后减小趋势，且当稗草根系分泌物浓度最大时，发芽势均显著低于CK；IARI-7130和清香晚品种TM2处理发芽势最大，且IARI-7130品种与CK差异达显著水平。稗草根系分泌物处理对不同非化感水稻发芽率的影响存在差异，不同浓度稗草根系分泌物对Lemont和IARI-7130的发芽率有抑制作用，对Naoemzo (b)70和清香晚两个品种的发芽率影响不显著，对塔献和Man sin的发芽率有促进作用，且TM4和TM5处理下塔献品种发芽率与CK差异达显著水平；TM2处理下Man sin品种发芽率与CK差异达到显著水平。整体来看，不同浓度稗草根系分泌物对不同非化感水稻品种发芽的影响没有明显的规律。

表1 稗草根系分泌物对化感水稻种子发芽势和发芽率的影响1)Table 1 Effects of barnyard grass root exudates on seed germination potential and germination rate of allelopathic rice %

1)TM1～TM4分别表示稗草根系分泌物稀释10、8、4、2倍处理，TM5.完全稗草根系分泌物处理，CK.蒸馏水处理；同列数值后附不同小写字母者表示差异达0.05显著水平。

表2 稗草根系分泌物对非化感水稻种子发芽势和发芽率的影响1)Table 2 Effects of barnyard grass root exudates on seed germination potential and germination rate of non-allelopathic riceeds %

1)TM1～TM4分别表示稗草根系分泌物稀释10、8、4、2倍处理，TM5.完全稗草根系分泌物处理，CK.蒸馏水处理；同列数值后附不同小写字母者表示差异达0.05显著水平；“-”表示未发芽。

2.2 稗草根系分泌物对水稻苗期根长的影响

2.2.1 化感水稻 稗草根系分泌物对化感水稻苗期根长的影响见表3。从表3可见，除Ollwae do、协青早B品种外，稗草根系分泌物处理对化感水稻苗期根长生长均有促进作用。协青早B、Taichung Native1、PI312777等3个品种的苗期根长随稗草根系分泌物浓度的提高呈先增大后减小的趋势，3个品种根长最大的处理均为TM2，且分别比CK提高1.24、1.41和1.42倍，差异均达显著水平(P<0.05)；野澳丝苗品种根长随稗草根系分泌物浓度的提高总体上呈先增大后减小再增大的趋势，根系分泌物最大为TM5处理，且显著高于CK；而稗草根系分泌物浓度对Ollwae do品种的根长影响无明显规律，其中TM2处理根长最大，且显著高于CK。综合来看，稗草根系分泌物处理对不同化感水稻品种的根长存在差异，但整体表现出一定的促进作用，且随处理浓度的提高呈先增大后减小的趋势。

表3 稗草根系分泌物对化感水稻苗期根长的影响1)Table 3 Effects of barnyard grass root exudates on seedling root length of allelopathic rice cm

1)TM1～TM4分别表示稗草根系分泌物稀释10、8、4、2倍处理，TM5.完全稗草根系分泌物处理，CK.蒸馏水处理；同列数值后附不同小写字母者表示差异达0.05显著水平。

2.2.2 非化感水稻 稗草根系分泌物对非化感水稻品种根长的影响见表4。从表4可见，低浓度的稗草根系分泌物对清香晚、Naoemzo (b)70、Lemont、Man sin等品种的根长生长有促进作用，4个品种根长最大的处理分别为TM1、TM3、TM4、TM4，分别比CK提高1.48、1.57、1.35和1.83倍，且差异均达显著水平。而TM5处理下，不同品种根长均受到抑制。不同浓度稗草根系分泌物对塔献和IARI-7130两个品种的根长均有促进作用，最大促进浓度均为TM4处理。综合来看，低浓度稗草根系分泌物处理非化感水稻会促进根长的生长，但在高浓度稗草根系分泌物处理下会抑制其根长的生长。

表4 稗草根系分泌物对非化感水稻苗期根长的影响1)Table 4 Effects of barnyard grass root exudates on seedling root length of non-allelopathic rice cm

1)TM1～TM4分别表示稗草根系分泌物稀释10、8、4、2倍处理，TM5.完全稗草根系分泌物处理，CK.蒸馏水处理；同列数值后附不同小写字母者表示差异达0.05显著水平。

2.3 稗草根系分泌物对水稻幼苗株高的影响

2.3.1 化感水稻 稗草根系分泌物对化感水稻幼苗株高的影响见表5。从表5可见，稗草根系分泌物浓度对野澳丝苗品种株高有先促进后抑制的作用，其中TM1～TM4处理可促进其株高生长(TM4处理下株高最大)，而TM5处理下株高生长被抑制；稗草根系分泌物对488、协青早B、博B、Taichung Native1、PI312777等品种的株高均有促进作用，株高最大的处理分别为：TM5、TM2、TM3、TM3、TM4，分别比CK提高1.50、1.45、1.57、1.43和1.22倍，且差异达显著水平(P<0.05)。综合来看，不同浓度的稗草根系分泌物对不同化感水稻品种株高的作用不同，但总体趋势为促进作用。

2.3.2 非化感水稻 稗草根系分泌物对非化感水稻幼苗株高的影响见表6。从表6可见，随着稗草根系分泌物浓度的提高，对塔献品种株高表现为先促进后抑制，最大促进处理为TM2和TM4，TM5处理下对塔献株高有抑制作用；稗草根系分泌物对Man sin、IARI-7130、清香晚、Naoemzo (b)70、Lemont等品种的株高均有促进作用，株高最大的处理分别为TM2、TM5、TM2、TM1和TM1，分别比CK提高1.54、1.47、1.20、1.42和1.33倍，且差异均达显著水平。表明稗草根系分泌物对不同非化感水稻品种株高总体为促进作用。

表5 稗草根系分泌物对化感水稻苗期株高的影响1)Table 5 Effects of barnyard grass root exudates on plant height of allelopathic rice seedlings cm

1)TM1～TM4分别表示稗草根系分泌物稀释10、8、4、2倍处理，TM5.完全稗草根系分泌物处理，CK.蒸馏水处理；同列数值后附不同小写字母者表示差异达0.05显著水平。

表6 稗草根系分泌物对非化感水稻苗期株高的影响1)Table 6 Effects of barnyard grass root exudates on plant height of non-allelopathic rice seedlins cm

1)TM1～TM4分别表示稗草根系分泌物稀释10、8、4、2倍处理，TM5.完全稗草根系分泌物处理，CK.蒸馏水处理；同列数值后附不同小写字母者表示差异达0.05显著水平。

2.4 稗草根系分泌物对水稻幼苗侧根数的影响

2.4.1 化感水稻 由表7可以看出，稗草根系分泌物对化感水稻侧根数的影响分为3种类型。(1)水稻侧根数随稗草根系分泌物浓度的提高逐渐减少，在TM5处理时对侧根数有抑制作用，且与CK差异达到显著水平(P<0.05)，如PI312777和野澳丝苗两个品种；(2)水稻侧根数随稗草根系分泌物处理浓度的提高总体呈先增加后减少趋势，在TM5处理时对侧根数有抑制作用，且与CK差异达到显著水平，如Taichung Native1、488、协青早B和博B等品种；(3)不同稗草根系分泌物浓度均有利于水稻侧根的生长，如Ollwae do品种。总之，稗草根系分泌物对化感水稻侧根数的影响总体表现为低浓度促进、高浓度抑制。

表7 稗草根系分泌物对化感水稻苗期侧根数的影响1)Table 7 Effects of barnyard grass root exudates on the number of lateral roots of allelopathic rice seedlings 条

1)TM1～TM4分别表示稗草根系分泌物稀释10、8、4、2倍处理，TM5.完全稗草根系分泌物处理，CK.蒸馏水处理；同列数值后附不同小写字母者表示差异达0.05显著水平。

2.4.2 非化感水稻 由表8可以看出，稗草根系分泌物对非化感水稻侧根的影响也有3种类型。(1)水稻侧根数随稗草根系分泌物诱导浓度的提高而逐渐增加，且TM5处理与CK存在显著差异(P<0.05)，如Man sin和清香晚两个品种；(2)稗草根系分泌物处理对水稻侧根数没有显著影响，如IARI-7130和Naoemzo (b)70两个品种；(3)低浓度稗草根系分泌物处理对侧根数有促进作用，但高浓度则有抑制作用，如Lemont和塔献两个品种。总体来看，低浓度稗草根系分泌物处理对非化感水稻侧根数有促进作用但不显著，高浓度稗草根系分泌物处理对非化感水稻侧根响应的情况则存在差异，这可能与品种不同有关。

表8 稗草根系分泌物对非化感水稻苗期侧根数的影响1)Table 8 Effects of barnyard grass root exudates on the number of lateral roots of non-allelopathic rice seedlings 条

1)TM1～TM4分别表示稗草根系分泌物稀释10、8、4、2倍处理，TM5.完全稗草根系分泌物处理，CK.蒸馏水处理；同列数值后附不同小写字母者表示差异达0.05显著水平。

3 讨论与结论

植物之间的相互识别与植物的根系分泌物密不可分，其对植物之间的协同进化具有重要意义[20]。Kato-noguchi et al[21]利用稗草胁迫PI312777水稻表明，在稗草胁迫下水稻根系分泌的momilactone B含量显著增加。Kong et al[22]认为在稗草胁迫下水稻可以合成5,7,4′-trihydroxy-3′,5′-dimethoxyflavone和环己酮(3-isopropyl-5-acetoxycyclohexene-2-one-1)两种化感物质。Kong et al[23]研究发现，稗草胁迫下，化感水稻可以释放更多的化感物质类黄酮。He et al[11]利用不同种植比例稗草胁迫发现，随着稗草胁迫的增强，化感物质酚酸含量逐渐增多。Guo et al[24]研究表明，在稻/稗共培下，稗草会产生2,4-dihydroxy-7-methoxy-1,4-benzoxazin-3-one(DIMBOA)和momilactone A来抑制水稻生长。本研究利用稗草根系分泌物直接处理不同化感潜力水稻，在消除资源竞争因子的同时，研究稗草根系分泌物中诱导组分对不同化感潜力水稻的影响是否具有共性，发现稗草根系分泌物处理对非化感潜力水稻24 h发芽势没有显著影响；高浓度的稗草根系分泌物会使化感水稻24 h发芽势减小，但低浓度稗草根系分泌物对其没有显著影响；稗草根系分泌物对不同化感潜力水稻发芽率没有显著影响。说明化感水稻种子发芽对稗草根系分泌物处理比非化感水稻要敏感，但对水稻发芽率没有影响。这可能是由于化感水稻识别到稗草信号物质后通过调整集体萌发的时间，使同一时间种群数量增加，提高竞争优势。化感水稻对稗草具有抗性，所以在低浓度稗草根系分泌物处理下，对其萌发不会产生影响，高浓度稗草根系分泌物处理则使化感水稻感知到稗草胁迫而产生相应的响应。而非化感水稻对稗草根系分泌物中的信号物质不敏感，因此稗草根系分泌物浓度变化不会对非化感水稻产生影响。

外源物质诱导植物生长通常表现为低浓度促进、高浓度抑制[25]。本研究表明，低浓度稗草根系分泌物对不同化感潜力水稻幼苗的生长均有一定的促进作用，但在高浓度下对非化感水稻幼苗根长和株高均有抑制作用，对化感水稻根长和株高没有显著的影响。这可能是因为稗草根系分泌物中含有可以抑制水稻生长的DIMBOA[24]，化感水稻本身可以产生化感物质，因此对稗草的抗性要强于非化感水稻。

化感水稻主要通过根系分泌化感物质[10]。侧根数量的增加有利于增大水稻根系的表面积，增加水稻化感物质的分泌。本研究表明，低浓度稗草根系分泌物诱导可以促进化感水稻侧根的生长，但高浓度会抑制其生长。这可能是化感水稻苗期对稗草根系分泌物的响应比较敏感，对稗草根系毒性物质的耐性不高，所以在高浓度下会抑制侧根的生长。稗草根系分泌物对大部分非化感水稻品种侧根数生长的影响不显著。这可能是非化感水稻与化感水稻响应杂草胁迫的生存策略差异导致，化感水稻通过增加根系数量增大分泌化感物质的根面积，从而分泌更多化感物质以抑制杂草，而非化感水稻通过增加资源竞争优势来获得生存优势。本研究揭示不同化感潜力水稻在苗期能够识别稗草并产生不同增强竞争力措施的机制，从苗期开始调控水稻生长，以增强其苗期的竞争力，这对田间管理具有重要的作用。