入侵植物北美车前和野胡萝卜种内及种间的化感作用

张 玥 张泉灵 洪 志 阚子涵 储昭月 陶 冶

（安庆师范大学生命科学学院，皖西南生物多样性研究与生态保护安徽省重点实验室，安庆 246133）

生物入侵已经成为全球性的生态问题［1～2］。截至2017 年，我国外来入侵物种的数目已经达到754 种，其中入侵植物所占的比例最大（数据来源于中国外来入侵物种数据库）。这些入侵种不仅给国家带来巨大的经济损失［3］，更严重的是会使当地生物多样性锐减，造成难以恢复的生态损失［4］。如豚草（Ambrosia artemisiifolia）和空心莲子草（Alternanthera philoxcroides）每年对农、林、渔业造成的直接经济损失约30.0亿元［5］；再如入侵深圳内伶仃岛的微甘菊（Mikania micrantha），不仅能严重遮蔽植物使其不能光合作用而枯萎，甚至还能将树木和花草直接绞杀致死，导致该地区植物多样性降低［6］。因此，揭示入侵植物的入侵机理及探寻入侵植物防治方法与技术是近十年来的研究重点。

入侵植物之所以能够在与本地种的竞争中取得胜利，与其自身超强的适应性、新入侵地的高可入侵性以及化感作用都密切相关［7］。其中，外来入侵植物的化感作用可以通过抑制种子萌发和植株生长来排挤本土植物，是其能够成功入侵的重要手段之一［8］。关于化感作用有两种相关假说，即新武器假说（novel weapon hypothesis）［9］和新防卫假说（novel defence hypothesis）［10］，这两者合称为化学武器假说（chemical weapon hypothesis）［11］。该假说认为，本地植物与植物之间由于经过了长期的协同进化，形成了对彼此化感物质的抗性，导致化感作用的影响不明显；然而本土植物由于没有与入侵植物间长期的进化适应，就可能会被入侵植物抑制［12］。在入侵植物种类和入侵范围日益扩大的背景下，同一入侵地被多种入侵植物侵占的概率也逐渐增加［13］。那么，如果两种原产地不同的入侵植物在同一生境中生长，它们之间也没有经过长期的进化适应，在这种情况下哪种入侵植物的生长受到抑制？目前对这一方面的了解还极为缺乏。

北美车前（Plantago virgica）原产于北美，野胡萝卜（Daucus carota）原产于欧洲，现在均遍布全国各地［14］。研究团队在野外调查发现，有些地方入侵植物北美车前种群密度极高，几乎无其他本地植物生长，但另一入侵植物野胡萝卜却常与之混生。那么，野胡萝卜和北美车前之间应当存在一定程度的种间互作；有研究表明，这2 种入侵植物对供试禾本科植物均表现出一定的化感潜能［15］，但二者之间的化感作用方式及强度尚不得而知。依据化学武器假说，这2种尚未长时间相互适应进化的植物之间应该具有较强的化感作用。

为揭示入侵植物北美车前和野胡萝卜种内、种间化感作用的强弱，本研究通过室内培养实验，系统地分析了2种植物不同器官、不同浓度的水浸提液对二者植物种子萌发和幼苗生长的影响，揭示影响入侵植物化感作用强度的关键因素（物种、器官或浓度）。研究结果有助于深入理解入侵植物种内与种间化感作用在其成功入侵中的作用，有助于进一步认识和预测多个入侵种所在群落的发展变化趋势，并为入侵植物的化感作用研究及其种内种间关系研究提供新资料。

1 材料与方法

1.1 材料收集与水浸提液制备

北美车前和野胡萝卜植株于2018 年5～6 月采集于安庆师范大学校园内，并在6～7月采集种子。

将北美车前、野胡萝卜植物体除杂后，用蒸馏水冲洗3 次，将植物根、茎、叶3 部分分别剪下，分类，自然晾干，用粉碎机打碎成粉末后密封储存备用。分别称取北美车前根、花序轴、叶和野胡萝卜根、茎、叶粉末各50 g，加入500 mL蒸馏水，置于恒温培养振荡器中以25℃、180 r·min-1条件下浸提48 h，再取上清液并用滤纸过滤后，得到质量浓度为0.1 g·mL-1的浸提原液，用蒸馏水稀释成0.05、0.01和0.005 g·mL-1（高浓度、中浓度、低浓度）浸提液4℃保存备用。

1.2 化感作用测定

本试验采用2 种入侵植物，分3 种器官，设置高、中、低及对照（蒸馏水，CK）4个浓度，共20种处理（6 个CK 只需2 个即可），分别以已破除休眠北美车前、野胡萝卜的种子作为受体进行化感作用的测定。选取颗粒饱满、大小均匀的供试种子经0.2%的氢氧化钠溶液消毒20 min，晾干后备用。在直径9 cm 的洁净培养皿中垫入双层滤纸，每皿放入50粒种子，分别加入两种供试植物不同器官、不同浓度等体积的浸提液，重复5个。将培养皿置于25/15℃，光照强度2 000 lx，光照时间为15 h·d-1的恒温光照培养箱中培养。每天适当补充相应浓度浸提液，使滤纸保持湿润。

1.3 测定指标及方法

观察记录各培养皿中种子萌发数量，萌发标准为胚根或胚轴突破种皮1～2 mm。当种子萌发数稳定时萌发实验结束，统计此时的萌发率。同时从每个培养皿中随机挑出15 株幼苗，测量每株幼苗的全长和子叶长。各指标计算公式如下：

式（2）中：化感作用效应指数（RI）采用Williamson和Richacrdson［16］提出的对化感效应检验的方法计算。C 为对照值，T 为处理值；RI 表示化感作用强度大小，正值表示促进效应，负值表示抑制效应，其绝对值大小反映化感作用的强弱。

综合化感效应指数（SE）：供体植物对同一受体植物的各个测试指标RI的算术平均值［17］。

1.4 数据分析

采用GLM 模型对种子最终萌发率、植株全长和子叶长进行3 因素方差分析（化感物质来源物种、器官及浸提液浓度），判断各因素的影响作用大小及其交互作用；随后对各指标进行单因素方差分析，判断其在不同浓度及器官之间的差异性；实验数据利用Levene’s test检验方差齐性与否，用Duncan 法进行多重比较。使用SPSS 17.0（SPSS Inc，USA）进行统计分析，用Excel软件作图。

2 结果与分析

2.1 2种入侵植物种子萌发和幼苗生长各影响因素的变异解释量

3因素方差分析表明，除物种及其与器官交互作用对野胡萝卜最终萌发率无显著影响外（见表1），2 种入侵植物3 个萌发和生长指标均受入侵植物种类、器官类型、浸提液浓度及3 者之间交互作用的显著影响。在3个单因素中，浸提液浓度的变异解释量最高（15.90%～38.59%），其中浸提液浓度对北美车前幼苗全长的影响最大。在交互作用中，器官×浸提液浓度及3 因素交互对入侵植物种子萌发和幼苗生长的影响最大，物种和器官及物种和浓度交互作用的影响相对较小。

表1 北美车前和野胡萝卜萌发率及幼苗长度的3因素方差分析Table 1 Three-way ANOVA of germination and seedling length of P.virgica and D.carota

2.2 北美车前水浸提液对野胡萝卜的化感影响

与对照组相比，北美车前不同器官各浓度浸提液对野胡萝卜萌发率都表现出抑制作用（见图1A），但仅有0.05 g·mL-1的花序轴浸提液抑制作用显著（P＜0.05），且0.05 g·mL-1花序轴浸提液处理下，野胡萝卜萌发率最低（51.6%）。对幼苗生长影响的分析发现（见图1B，C），同样是在0.05 g·mL-1花序轴浸提液处理下，对全长和子叶长抑制作用最强。除0.01 g·mL-1叶浸提液对野胡萝卜幼苗全长有显著促进作用外，其余各处理均呈现不同程度的抑制；野胡萝卜幼苗子叶长随根、叶浸提液浓度升高其促进作用均表现为先增强后减弱，而随花序轴浸提液浓度升高表现为“低促高抑”现象。

2.3 野胡萝卜水浸提液对北美车前的化感影响

结果表明，0.05 g·mL-1野胡萝卜叶浸提液显著抑制北美车前种子的萌发率（P＜0.05），与对照组相比下降了88.4%，其他器官浸提液处理下的萌发率与对照接近且无显著差异（见图2A）。随着野胡萝卜根、茎浸提液浓度的提高，北美车前幼苗全长表现出“低促高抑”现象，而其幼苗子叶长却均表现为促进作用（见图2B，C）；随野胡萝卜叶浸提液浓度升高，北美车前全长逐渐缩短，但子叶长表现为低浓度促进高浓度抑制现象。

2.4 北美车前水浸提液对北美车前的化感影响

除0.01 g·mL-1花序轴浸提液处理下的萌发率与对照相同外，其余各处理下北美车前种子的萌发率随浸提液浓度升高均有不同程度的下降（见图3A），但与对照相差均较小，即使是抑制作用最强的0.01 g·mL-1根浸提液，其萌发率仍高达97.2%。北美车前根和叶所有浓度浸提液对自身幼苗全长均表现出“剂量效应”，即浸提液浓度越大抑制作用越强；随茎浸提液浓度升高幼苗全长表现为先促进后抑制现象。与之相反的是，北美车前各器官所有浸提液对其幼苗子叶长均表现为显著促进作用（P＜0.05）。

2.5 野胡萝卜水浸提液对野胡萝卜的化感影响

野胡萝卜根和叶浸提液随浓度升高对种子萌发的抑制作用增强（见图4A），其中抑制作用最强的是0.05 g·mL-1叶浸提液，种子萌发率仅为21.6%。同样，在0.05 g·mL-1叶浸提液浓度下（见图4B，C），幼苗全长和子叶长最低，幼苗几乎不生长。根和茎的浸提液对幼苗全长也有显著抑制作用（P＜0.05），且茎的抑制强度要显著大于根（P＜0.05）。除最高浓度叶浸提液外，其他各器官所有浓度浸提液均不同程度地促进了野胡萝卜幼苗子叶的生长。

2.6 北美车前和野胡萝卜种内及种间的综合化感效应指数

在浸提液浓度上，野胡萝卜和北美车前各器官浸提液对各自的综合化感效应均表现为高浓度最高（绝对值），即高浓度抑制效应最显著；在2 个物种的4个种对中，野胡萝卜高浓度浸提液对北美车前的化感效应最强（见图5A）。从植物不同器官来看，茎浸提液中，北美车前对野胡萝卜的化感效应最强（见图5B）；叶浸提液中，野胡萝卜对北美车前的化感作用最强，野胡萝卜对其自身的化感作用其次。不同器官浸提液化感抑制作用由强到弱的顺序为，叶＞茎＞根（野胡萝卜），花序轴＞叶＞根（北美车前）。总体来看，地上器官的化感作用强于地下根系。

3 讨论

研究表明，植物器官浸提液对植物种子萌发有显著影响［18］，如不同浓度薄壳山核桃（Carya illinoensis）根系水浸提液对小麦、大豆的萌发有不同程度的抑制作用，且随着浓度的增大抑制作用增强［19］。沙芥（Pugionium cornutum）水浸提液对白菜种子萌发表现为抑制作用并呈浓度效应，即浸提液浓度越高，抑制作用越强［20］。这些研究成果与本研究相同，即3因素方差分析显示浓度具有最强的变异解释量（即影响最大），且得到单因素方差分析和综合化感效应指数的印证。不同入侵种之间的化感作用强度也有差异，如北美车前各器官、各浓度浸提液对于自身种子和野胡萝卜种子萌发的抑制作用均较弱，而野胡萝卜各器官浸提液中叶浸提液的化感作用强度最高。

尽管浸提液浓度对化感效应的影响最大，但北美车前和野胡萝卜不同器官、不同浓度浸提液对自身和对方幼苗全长和子叶长的影响情况不同，有的促进，有的抑制，也有的表现出低浓度促进、高浓度抑制等多种形式；这与苦瓜（Momordica charantia）、秸秆不同器官水浸提液对3 种杂草化感抑制作用强弱不同的现象一致［21］。2 个物种各器官中、低浓度浸提液总体上对双方幼苗生长均有促进效果，在一定程度上说明这2种入侵植物可能会通过种内的化感作用来帮助自己生长［22～23］，从而提高自身的入侵性，使之在与其他物种竞争中更有优势，印证了北美车前可在野外形成密度极高的单优群落。另外，高浓度野胡萝卜叶对野胡萝卜自身和北美车前幼苗生长都有极强的抑制效果，野胡萝卜虽有少数萌发但一直没有生长，无法测量得出全长和子叶长，北美车前幼苗的全长和子叶长相比对照组也显著缩短，长度分别约为对照组的1/5 和1/2。这表明野胡萝卜叶中的化感物质会抑制北美车前和野胡萝卜幼苗对于水分和营养物质的吸收以及光能的利用，这也与野外所观察到的野胡萝卜虽植株高大但分布稀疏的现象相符。因此，从入侵植物化感作用“对自己促进，对对方抑制”的结果可以推测，多个入侵植物共同生存于同一生境，对自己促进作用更强而对别的入侵种抑制作用更强的入侵植物，将更具入侵性和扩散性；而对自己促进作用较弱且对别的物种抑制作用较弱的入侵植物，在共生过程中可能会被逐渐淘汰或边缘化。如此以来，多入侵种共生的群落，其物种组成和群落结构也将会发生动态演变。

同一植物不同器官之间的化感作用通常有差异［24］，这可能是由于不同器官中所含化感物质的种类与含量不同导致的［25～26］。众多研究表明，植物体地上部分的化感作用强度要强于地下部分，且往往叶＞茎＞根。在同一浓度下，豚草（Ambrosia artemisiifolia）水浸液对玉米（Zea mays）等作物种子萌发及幼苗生长的影响强度顺序均为地上部分强于地下部分［27］。但也有研究得出相反结果，如葎草（Humulus scandens）地下部分浸提物较地上部分对空心莲子草（Alternanthera philoxeroides）的化感抑制强度更明显［28］。本研究结果与豚草相似，总体上不同器官浸提液的化感作用强弱顺序为叶＞茎＞根（野胡萝卜）及花序轴＞叶＞根（北美车前），即地上强于地下。野胡萝卜叶浸提液的化感作用强度最高，高浓度条件下北美车前和野胡萝卜种子萌发率分别下降88.4%和47.2%，这一结果也表明野胡萝卜叶可能具有一定的生物除草剂开发利用价值。

近年来，国内的确有少部分学者们已开始关注开展了大量关于入侵植物间的化感作用的研究，但它们往往关注于多注重入侵植物对本地种的影响以及提取化感物质开发生物除草剂，而却通常忽视了伴生共生入侵植物之间的相互化感作用，更鲜少也极少考虑到它们不同原产地的问题。个别研究发现，如原产热带非洲和亚洲的五爪金龙（Ipomoea cairica）叶片水浸提液对与之伴生原产中美的薇甘菊（Mikania micrantha）种子萌发和根生长都有强烈的抑制效果［20］。原产南美的假臭草（Praxelis clematidea）在野外也与五爪金龙伴生，且其叶水浸液对五爪金龙的幼苗生长的抑制强度位于供试的17 种具有化感作用的入侵植物之首［29］。可以发现，这几种入侵植物原产地各不相同，但在入侵地却相邻生长，且都体现出显著的抑制效果。在本研究中，我们选取的是原产于北美的北美车前和原产于欧洲的野胡萝卜，种内种间的化感实验结果表明这2种入侵植物无论是种内还是种间，总体上也均呈相互抑制作用。可见，由于北美车前和野胡萝卜原产地不同而在入侵地未经长时间共同进化，很可能会对彼此的化感物质更敏感，从而抑制对方的种子萌发和幼苗生长，导致种间竞争激烈，这很好地印证了“化学武器假说”的推论［9～11］。当然这一结论尚缺乏与已长期适应的入侵种的对比，因此还需要开展进一步的研究加以证实。

本研究中从化感作用的角度探讨了入侵植物间的相互作用，揭示了北美车前和野胡萝卜种内和种间的化感作用强弱，对于深入研究同一入侵地多种入侵植物群落内的种间关系和预测群落演变具有一定的理论价值。但在自然条件下化感作用只是入侵植物种间互作的一个方面，若要彻底厘清它们之间的关系，还需要开展室外实验结合其他因素综合评价这2 种来源不同的共生入侵植物的竞争强弱及对于本地种和群落的影响。