南方红豆杉水浸提液对喜树种子发芽和幼苗生长的化感作用

李春英,关佳晶,李玉正,苏伟然,田 瑶,王婷婷,李 申,赵春建,*

1 东北林业大学 森林植物生态学教育部重点实验室, 哈尔滨 150040 2 东北林业大学 化学化工与资源利用学院, 哈尔滨 150040

为了更利于集约化经营,我国人工造林常以纯林为主要造林方式,而人工纯林的长期生长常导致林木生长衰退和地力下降[1-2]。营建人工混交林或对人工纯林混交化改造是消除人工林前述弊端的重要方式。与纯林相比,建立在树种合理搭配基础上的人工混交林系统可充分利用空间、改善立地条件,提高林产品的数量和质量[3- 5]。

喜树(Camptothecaacuminata)为国家Ⅱ级重点保护野生植物,广泛分布于长江流域及西南诸省区,但野生的喜树资源分布却呈明显递减趋势[6-7]。为了缓解喜树资源危机,目前已开展喜树人工林营造。但据调查：喜树纯林生长较差、单株结实量较小[8- 10],因此选择适宜树种开展喜树人工混交林培育势在必行。已有研究表明：南方红豆杉(Taxuschinensisvar.mairei)是喜树的适宜混交树种,喜树南方红豆杉混交对喜树生长有明显促进作用,李雷鸿等[11]和杨逢建等[12]从混交改善混交林地微气候角度解释了这种促进作用,但未从种间化感作用角度探讨这种促进作用。

化感作用是指植物通过适当的途径向环境释放特定的化学物质,从而直接或间接影响邻近或下茬(后续)同种或不同种植物萌发和生长的效应[13]。化感作用普遍存在于森林生态系统中[14-16],是影响人工混交林种间关系的重要因素之一[17]。因此,为更全面了解混交林各树种种间关系,进而为营建种间关系和谐的人工混交林提供指导,有必要对混交树种间的化感作用进行深入研究。

为了探究南方红豆杉是否对喜树具有潜在的化感促进作用,本文考察了南方红豆杉鲜叶、凋落叶、枝和根浸提液对喜树种子发芽、幼苗生长的影响,以期为在生产实践上营造种间关系合理的喜树南方红豆杉人工混交林提供化感方面的理论依据。

1 材料和方法

1.1 植物材料及采集地概况

南方红豆杉样品采集地点位于浙江省富阳市胥口镇浙江海正药业股份有限公司药用植物种植基地(30°0′ N,119°38′ E),海拔32 m,此地属于亚热带季风气候,年平均气温16℃,无霜期231 d,全年降雨量为 1938.6 mm,土壤为砂质红壤。选取10年生南方红豆杉(Taxuschinensisvar.mairei)的枝(直径小于1.0 cm)、鲜叶、凋落叶和根(直径小于1.0 cm)作为水浸提液的提取材料。受试的喜树种子采自江西省九江市马回岭镇。

1.2 水浸提液的制备

参考文献[18]的方法。将南方红豆杉的鲜叶、凋落叶分别按质量比1：10加入蒸馏水,在常温下浸泡48 h,然后依次用定性滤纸和0.45 μm微孔滤膜过滤,分别得到浓度为100 g/L的南方红豆杉的鲜叶、凋落叶浸提液的原液。

南方红豆杉的枝、根首先用剪枝剪剪成长度约1 cm的小段,然后分别按质量比1：10加入蒸馏水,在常温下浸泡48 h,然后依次用定性滤纸和0.45 μm微孔滤膜过滤,分别得到浓度为100 g/L的南方红豆杉的枝、根浸提液的原液。

将前述的南方红豆杉不同部分浸提液原液置于4℃冰箱中备用。使用前,以蒸馏水分别稀释为25、50 g/L和100 g/L的浸提液。

1.3 喜树种子发芽实验

取同一批次籽粒饱满的喜树种子100粒,分别用25、50 g/L和100 g/L的南方红豆杉不同器官或凋落叶浸提液浸泡24 h,然后再分别用相应的南方红豆杉浸提液润湿滤纸,将浸泡处理后的喜树种子放在滤纸上,盖上培养皿盖,培养皿置入28°C人工气候箱中进行发芽。培养皿自放置培养箱起每天上午9点统计发芽种子的数量(以胚根突出种皮超过1 mm视为发芽),直到第15天终止发芽实验,用公式(1)计算喜树种子发芽率(Germination percentage, GP)。用蒸馏水代替南方红豆杉浸提液为对照,每组处理3次重复。

发芽率GP=(M1/M0)×100%

(1)

式中,M1：试验期内全部正常发芽喜树种子粒数；M0:供试喜树种子粒数。

1.4 喜树幼苗培养实验

图1 实验期间日光温室的气温 Fig.1 Atmospheric temperature in solar greenhouse during the experiment

栽培土为采自浙江省市富阳区胥口镇喜树林下0—20 cm的土壤,土壤类型为砂质红壤,pH 值5.8,有机质13.6 g/kg、全氮1.2 g/kg、碱解氮53.3 mg/kg、速效磷19.0 mg/kg、速效钾457.1 mg/kg。取同一批次的发芽喜树种子,种植于填充上述栽培土的口径20 cm、高15 cm育苗盆中,置于日光温室内进行实验,常规管理。在整个实验期,采用NB-IoT温湿度传感器(精讯畅通电子科技有限公司,威海)连续监测日光温室内温度,其中每日最低和最高气温如图1所示。每盆保留3株苗,待幼苗长至株高10 cm左右时随机分为若干组,每组6盆。各组分别浇灌25、50 g/L和100 g/L的南方红豆杉不同部分浸提液,每盆每3天浇灌1次100 mL南方红豆杉浸提液,并视土壤水分情况适当补水。用蒸馏水代替南方红豆杉浸提液为对照,每组处理3次重复。培养实验共进行60天,在第60天分别用卷尺和游标卡尺测量喜树幼苗株高和基径；大量浇水后,将喜树幼苗从育苗盆小心挖出,避免弄断细根,去除根上附着的泥土,80°C烘干至恒重,称量其干重。

在喜树幼苗处理后的第60天,从每个处理中随机挑选6株,采用LI 6400光合仪(美国LI-COR公司)测定喜树植株叶片中上部成熟叶片净光合速率。测定时最高气温 28.8℃,最低气温 23.5℃,最高辐射光强 1450 μmol m-2s-1,测定时间 8:30—11:30。测定使用开放气路,CO2浓度为当日大气 CO2浓度,标准叶室(2 cm×3 cm)温度 28℃,相对湿度 65%,LED 光源光强为1000 μmol m-2s-1。

1.5 数据处理

使用“Excel 2010”软件(Microsoft)提供的“单因素方差分析”功能模块检验不同处理之间的差异(LSD,α=0.05)。所有数据均用平均值±标准差(SD)显示。

2 结果与分析

2.1 红豆杉不同部分浸提液对喜树种子发芽的影响

图2显示了南方红豆杉不同部分浸提液浸泡处理对喜树种子发芽率的影响。

图2 南方红豆杉浸提液对喜树种子发芽率的影响Fig.2 Effects of extracts from Taxus chinensis var. mairei on germination percentage of Camptotheca acuminata seed

从图2可以看出,各组处理的喜树种子初始发芽时间相同,即种子均在浸泡后第8天开始发芽；随着发芽天数的增加,不同处理的喜树种子发芽率均逐渐增加。在整个发芽实验期间,不同浓度的南方红豆杉凋落叶浸提液浸种对喜树种子发芽率均无显著影响(P>0.05)；50 g/L和100 g/L的南方红豆杉鲜叶浸提液浸泡的喜树种子仅在处理第12天后的个别时间,其发芽率高于对照组,而25g/L的鲜叶浸提液浸种在整个发芽实验期间对喜树种子发芽率均无显著影响(P>0.05)；在浸种第9天后,至发芽实验结束时,高浓度的南方红豆杉枝浸提液(100 g/L)和根浸提液(50、100 g/L)处理的喜树种子发芽率均高于对照组(P<0.05),其他浓度的南方红豆杉枝浸提液和根浸提液对喜树发芽率无显著影响(P>0.05)。

2.2 南方红豆杉不同部分浸提液对喜树幼苗生长指标的影响

喜树幼苗经过南方红豆杉不同部分浸提液浇灌处理后,在第60天测量其基径、株高和全株干重,结果分别如图3—图5所示。

图3 南方红豆杉浸提液处理对喜树幼苗基径的影响Fig.3 Effects of extracts from Taxus chinensis var. mairei on basal diameter of Camptotheca acuminata seedlings

图4 南方红豆杉浸提液处理对喜树幼苗株高的影响Fig.4 Effects of extracts from Taxus chinensis var. mairei on plant height of Camptotheca acuminata seedlings

由图3—5可知,所有浓度的凋落叶浸提液对喜树幼苗基径、株高、全株干重3个指标均无显著影响；所有浓度南方红豆杉鲜叶浸提液对喜树基径、全株干重均无显著影响,而仅在其浓度达到100 g/L时可以促进喜树株高增加；南方红豆杉根和枝浸提液对喜树幼苗株高、基茎、干重均具有促进作用且作用强度与浓度呈正关,与对照组相比,100 g/L的根和枝浸提液浇灌喜树幼苗,可以使喜树幼苗基径分别提高19.0%和15.3%、株高分别提高14.2%和8.4%、干重分别提高23.1%和15.9%。

图5 南方红豆杉浸提液对喜树幼苗干重的影响Fig.5 Effects of extracts from Taxus chinensis var. mairei on dry weight of Camptotheca acuminata seedlings

2.3 南方红豆杉不同部分浸提液对喜树幼苗光合作用的影响

在喜树幼苗使用南方红豆杉浸提液浇灌的第60天,对不同组的喜树幼苗进行光合测定,得到净光合速率,结果如图6所示。

图6 南方红豆杉浸提液对喜树幼苗净光合速率的影响Fig.6 Effects of extracts from Taxus chinensis var. mairei on net photosynthetic rate of Camptotheca acuminata seedlings

3 结论与讨论

植物种间的化感作用十分复杂,同一供体植物不同部位的浸提液对同一受体的作用方向(促进或抑制)及作用强度可能存在差异[18-19]；同一供体植物相同部位的浸提液对不同受体的作用效果也可能存在差异[20-21]。经检索文献发现,尚未见有关红豆杉属植物对其他植物化感促进作用方面的报道,而其化感抑制作用方面的报道仅有2篇：(1)Moral等[22]研究了短叶红豆杉(Taxusbrevifolia)不同部分浸提液对大麦(Hordeumvulgare)、旱雀麦(Bromustectorum)、花旗松(Pseudotsugamenziesii)种子胚根生长的影响,表明短叶红豆杉叶浸提液可以抑制前两种植物种子的胚根生长而对花旗松种子的胚根生长无显著影响；凋落物浸提液对3种植物种子胚根生长均有显著抑制作用；树皮浸提液对3种植物种子胚根生长均无显著影响。(2)张艳杰等[23]考察了南方红豆杉种子石油醚、甲醇、乙酸乙酯、乙醚以及水浸提液对白菜种子萌发及幼苗生长的影响,表明上述浸提液均会抑制白菜种子萌发和幼苗生长。与前述2篇报道不同,本研究发现了红豆杉属植物的化感促进作用：南方红豆杉枝和根浸提液对喜树种子的发芽及幼苗的生长具有化感促进作用：50—100 g/L的南方红豆杉枝和根浸提液浸种处理可显著提高喜树种子发芽率；浇灌处理可显著提高喜树幼苗的株高、地径、全株干重及其净光合速率。这种差异可能是制备浸提液的溶剂种类不同或者相同化感成分对不同植物化感作用的种间差异造成的[24-25]。

化感物质可以通过植株挥发、雨雾淋溶、根系分泌和凋落物分解等途径对受体植物发生作用[26]。本研究结果显示南方红豆杉枝和根浸提液可以促进喜树种子萌发和幼苗生长,说明南方红豆杉化感物质可能通过上述某种方式释放到土壤环境,从而直接或间接促进喜树生长。而南方红豆杉根浸提液对喜树的化感促进作用强于枝浸提液,说明来自南方红豆杉根系化学成分的化感作用可能是促进喜树生长的重要因素之一。

混交树种间的促进作用是地下化学生态作用的正反馈[27]。南方红豆杉化感物质可能通过以下几个方面对喜树生长产生影响：(1)某些植物化感物质本身具有激素样作用或通过改变受体植物的激素组成及浓度促进受体植物生长[28],南方红豆杉中某种(类)化感物质可能也具有上述作用；(2)植物因形态可塑性可通过调整根系的分布对邻近植物做出响应[29],喜树识别到来自南方红豆杉根际的化学信号,通过改变根系的垂直或水平分布从而增加对土壤养分的利用率；(3)化感物质可改变土壤微生物群落结构,使其利于邻近植物生长[27,30],如果南方红豆杉化感物质能促进喜树形成菌根则可能促进其生长[31]。因此,进一步的研究有必要分离鉴定南方红豆杉根浸提液及根系分泌物中促进喜树生长的化感物质,并探讨这些化感物质与根系、土壤微生物等地下生态因子的相互作用,为喜树南方红豆杉人工混交林造林设计提供有价值的参考。