8种有毒植物乙醇提取物对3种杂草种子萌发的影响

王宇哲, 魏有海, 郭良芝, 程 亮, 郭青云

(青海大学农林科学院/青海省农业有害生物综合治理重点实验室,青海西宁 810016)

植物是生物活性物质的天然宝库,能产生多种次生代谢产物,其中有毒植物含有的活性成分大多数具有除草、杀虫和抑菌活性,从而具有成为植物源农药的潜力[1]。植物源农药具有与环境相容性好、易分解、低残留、有害生物不易产生抗性等优点,植物源农药的开发利用符合人们对有害生物可持续治理的要求[2]。此外,生物技术、高通量筛选和组合化学的快速发展及其在农药领域的渗透和应用促进了植物源农药的开发和利用[3]。我国有毒植物分布广泛,主要分布在西北和西南各省份[4],青海省分布的有毒植物主要有棘豆属、黄华属、毛茛属、唐松草属、狼毒属以及大戟属等植物[5]。有毒植物不仅抑制牧草正常生长,而且致使家畜中毒和草场退化。但有毒植物次生代谢产物除草潜力的开发也将是有毒植物合理利用的一项有效措施。采用有毒植物的提取物来抑制各种杂草种子萌发的研究已有一些文献报道,李祥等发现黄花棘豆水浸提液对燕麦种子萌发和幼苗生长有抑制作用,且对燕麦根尖的有丝分裂有抑制作用[6]。邓建梅等通过室内生物测定法和盆栽法发现12种有毒植物的水提液对野芥菜、燕麦、反枝苋和狗尾草的种子萌发和幼苗生长有较高的抑制作用[7]。刘利红研究发现,狼毒和小花棘豆根的茎叶水浸液对扁蓿豆、草木樨状黄芪、沙芦草、大针茅和克氏针茅5种受体植物的种子发芽与幼苗生长均具有抑制作用,且随着水浸液浓度的增加,其抑制作用逐渐增强,此外,对茎叶的抑制作用强于对根的抑制作用[8]。有毒植物可通过释放化学物质对周围的植物产生直接或间接的抑制或促进作用[9-10],该作用来源于植株根系分泌、凋落物的淋溶和腐解等[11-12]。在青海省退化的高寒草甸生态系统中,针对有毒植物是否对农田杂草的生长和发育具有化感作用的研究较为缺乏。因此,本试验以青海省海北天然草地高原毛茛等8种有毒植物作为试验材料,研究它们的乙醇提取物对野燕麦、旱雀麦和野芥菜种子萌发的影响,旨在筛选出抑制作用较强的有毒植物,为进一步利用天然草地有毒植物资源提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 植物材料

供体植物有高原毛茛(Ranunculustanguticus)、蓟罂粟(Argemonemexicana)、披针叶黄华(Thermopsislanceolata)、黄花棘豆(Oxytropisochrocephala)、斜茎黄芪(Astragaluslaxmannii)、葵花大蓟(Cirsiumsouliei)、黄帚橐吾(Ligulariavirgaurea)和瓣蕊唐松草(Thalictrumpetaloideum),均采自青海省海北州天然草地。受体植物有野燕麦(Avenafatua)、旱雀麦(Bromustectorum)和野芥菜(Raphanusraphanistrum),种子分别采自于青海省农林科学院试验田和青海祁连农田,采集时间为2020年8月。

1.2 试验方法

1.2.1 供体植物醇提物制备 将8种有毒植物新鲜健康植株用清水洗净,晾干后切碎,置于电热恒温鼓风干燥箱中,80 ℃烘干水分至恒重,然后用粉碎机粉碎成粉末过筛,按照样品与乙醇的质量体积比1 g ∶20 mL称取样品并置于锥形瓶中,瓶口用塑料膜封后振荡提取,20 ℃条件下振荡浸提48 h(转速150 r/min)后经消毒滤纸过滤,去除残渣,滤液减压浓缩至无醇,得乙醇提取物浸膏,于 4 ℃ 冰箱中保存备用。

1.2.2 配制不同浓度的浸提液 分别称取乙醇提取物浸膏0.05、0.10、0.20、0.40、0.80 g放置于5个锥形瓶中,加入50 mL蒸馏水充分溶解后得到浓度为1、2、4、8、16 mg/mL的浸提液,备用。

1.2.3 供体植物醇提物对受体植物的生物活性测定 在培养皿(直径9 cm)底部铺1层灭过菌的滤纸,培养皿内放入健康饱满的经消毒处理的受体植物种子20粒/个,分别用移液管移取质量浓度分别为1、2、4、8、16 mg/mL的供体植物醇提液 1 mL 至培养皿中,盖上皿盖,每个处理设3次重复,对照为蒸馏水处理,置于光照培养箱内,温度为 25 ℃,光/暗周期为14 h/8 h,培养期内每隔2 d添加适量清水保湿,以免干燥影响发芽。每天记录种子萌发数,连续记录7 d,7 d后记录芽长和根长。计算发芽指数和芽(根)长抑制率来评价醇提物的生物活性,具体公式如下。

发芽指数=∑(Gt/Dt);

式中:Gt为第t天的发芽数;Dt为相应的发芽时间,d。

1.2.4 供体植物各萃取组分的制备 将得到的乙醇提取物浸膏溶解并悬浮于1 L蒸馏水中,并将悬浮液依次用等体积的石油醚、乙酸乙酯和正丁醇萃取3次,合并萃取液,减压浓缩至溶液呈黏稠状,最终分别得到石油醚萃取组分、乙酸乙酯萃取组分、正丁醇萃取组分和乙醇提取物。将不同有机溶剂萃取组分按照“1.2.2”节中的方法配制成16 mg/mL的浸提液进行生物活性测定。

1.2.5 数据统计 数据均以“平均值±标准差”表示,用Excel软件和SPSS 软件进行数据统计和分析;采用方差分析和Duncan’s新复极差法对不同处理的数据进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 供体植物乙醇提取物对杂草种子萌发的影响

2.1.1 8种有毒植物乙醇提取物对野燕麦种子萌发芽(根)长的影响 由图1、图2可知,高原毛茛、蓟罂粟和瓣蕊唐松草乙醇提取物对野燕麦种子芽长和根长抑制率随着浓度升高呈现升高的趋势,但在低浓度时为负值,即低促高抑的双重效应;其中1 mg/mL醇提物对野燕麦种子根长的促进效果最显著,达到144.29%。不同浓度葵花大蓟乙醇提取物对野燕麦种子萌发的抑制作用不同,都对种子萌发整体呈抑制作用,且随着浓度增高抑制作用增强;披针叶黄华乙醇提取物可以促进野燕麦种子的萌发,且效果显著,其中1 mg/mL披针叶黄华醇提物对芽长的促进效果最显著,达到130.93%;黄花棘豆乙醇提取物对野燕麦芽(根)长的抑制率整体上随着黄花棘豆乙醇提取物浓度的增高而升高;斜茎黄芪乙醇提取物对野燕麦种子芽长的影响表现为低浓度促进高浓度抑制,对野燕麦根长表现为抑制作用;芽(根)长抑制率整体上随着黄帚橐吾乙醇提取物浓度的增高而升高。

2.1.2 8种有毒植物乙醇提取物对旱雀麦种子萌发芽(根)长的影响 如图3、图4所示,8种有毒植物中的乙醇提取物对旱雀麦种子的芽(根)长抑制率均随着浓度的升高而升高,均在16 mg/mL时达到最大值。瓣蕊唐松草乙醇提取物对旱雀麦的芽长表现为低促高抑的双重效应,16 mg/mL醇提物对旱雀麦种子芽长抑制效果达100.00%;黄帚橐吾乙醇提取物在1 mg/mL时对旱雀麦的芽长有略微的促进作用。

2.1.3 8种有毒植物乙醇提取物对野芥菜种子萌发芽(根)长的影响 如图5、图6所示,高原毛茛、葵花大蓟、斜茎黄芪和黄帚橐吾这4种有毒植物的乙醇提取物对野芥菜的芽(根)长抑制率均随着浓度的上升而增加;蓟罂粟和瓣蕊唐松草的乙醇提取物对野芥菜的芽(根)长表现为低促高抑的双重效应;披针叶黄华对野芥菜根长的抑制率随着浓度的增加而上升,但对野芥菜芽长仅在16 mg/mL时有抑制作用;黄花棘豆乙醇提取物对野芥菜的芽长有低促高抑的双重效应,但对根长的抑制率却随着浓度的增加而上升。16 mg/mL蓟罂粟乙醇提取物对3种杂草种子芽长、根长的抑制效果均为100.00%。

2.2 不同供体植物乙醇提取物不同有机溶剂萃取组分的确定

2.2.1 高原毛茛乙醇提取物不同有机溶剂萃取组分对杂草种子萌发的影响 由表1可知,高原毛茛的乙醇提取物各萃取组分对3种杂草种子萌发的抑制作用不同,在16 mg/mL各萃取组分处理条件下,野燕麦种子的芽长和根长与对照组相比,均差异显著(P<0.05);除高原毛茛乙醇提取物石油醚萃取物组分处理外,其他处理下旱雀麦和野芥菜种子的芽长和根长与对照相比,均差异显著(P<0.05);高原毛茛的乙醇提物石油醚组分对3种杂草种子萌发的抑制作用强弱顺序表现为野燕麦>野芥菜>旱雀麦。从各萃取组分来看,高原毛茛乙醇提取物乙酸乙酯萃取组分、高原毛茛乙醇总提取物和高原毛茛乙醇提取物正丁醇萃取组分对3种杂草种子萌发的抑制作用最好,对芽长和根长的抑制率均达100.00%。

2.2.2 蓟罂粟乙醇提取物不同有机溶剂萃取组分对杂草种子萌发的影响 由表2可知,蓟罂粟的乙醇提取物各萃取组分对3种杂草种子萌发的抑制作用表现与高原毛茛一致,对3种杂草种子萌发的抑制作用强弱表现为野燕麦>野芥菜>旱雀麦。同样,蓟罂粟乙醇提取物乙酸乙酯萃取组分、蓟罂粟乙醇总提取物和蓟罂粟乙醇提取物正丁醇萃取组分对3种杂草种子萌发的抑制作用最好,对芽长和根长抑制率均达100.00%。

2.2.3 葵花大蓟乙醇提取物不同有机溶剂萃取组分对杂草种子萌发的影响 由表3可知,葵花大蓟的乙醇提取物各萃取组分对3种杂草种子萌发具有不同程度的抑制作用,在16 mg/mL各萃取组分处理条件下,葵花大蓟乙醇提取物正丁醇萃取组分对3种杂草种子的抑制作用明显高于其他有机溶剂萃取组分,显著抑制了3种种子的芽长和根长(P<0.05),对旱雀麦种子萌发的抑制作用最好,对芽长和根长的抑制率均达100.00%。

2.2.4 披针叶黄华乙醇提取物不同有机溶剂萃取组分对杂草种子萌发的影响 由表4可知,披针叶黄华的乙醇提取物各萃取组分对3种杂草种子萌发具有不同程度的抑制作用,在16 mg/mL各萃取组分处理条件下,抑制作用表现为披针叶黄华乙醇提取物乙酸乙酯萃取组分>披针叶黄华乙醇提取物正丁醇萃取组分>披针叶黄华乙醇提取物石油醚萃取组分>披针叶黄华乙醇总提取物。其中,披针叶黄华乙醇提取物乙酸乙酯萃取组分对野燕麦和野芥菜种子芽长和根长的抑制率均为100.00%,对旱雀麦种子芽长和根长的抑制率分别为93.84%和96.90%。

2.2.5 黄花棘豆乙醇提取物不同有机溶剂萃取组分对杂草种子萌发的影响 由表5可知,黄花棘豆的乙醇提取物各萃取组分对3种杂草种子萌发具有不同程度的抑制作用,在16 mg/mL黄花棘豆乙醇提取物石油醚萃取组分处理条件下,野燕麦种子芽长和根长均低于对照,且差异显著(P<0.05),而旱雀麦和野芥菜的根长与对照相比,差异不显著(P>0.05),黄花棘豆乙醇提取物正丁醇萃取组分处理条件下,可以促进旱雀麦种子的萌发,而乙酸乙酯萃取组分和乙醇总提取物对3种杂草种子萌发的抑制作用相对较低,其中对野荠菜的芽长具有促进作用。

2.2.6 斜茎黄芪乙醇提取物不同有机溶剂萃取组分对杂草种子萌发的影响 由表6可知,斜茎黄芪的乙醇提取物各萃取组分对3种杂草种子萌发的抑制作用不同,在16 mg/mL各萃取组分处理条件下,斜茎黄芪乙醇提取物乙酸乙酯萃取组分可以抑制3种杂草种子的萌发,与对照相比差异显著(P<0.05),其他3个有机溶剂萃取组分均促进了3种杂草种子的萌发,其中斜茎黄芪乙醇总提取物对旱雀麦种子萌发的促进作用最强,芽长和根长均显著高于对照(P<0.05),野燕麦和野芥菜芽长也显著高于对照(P<0.05),两者根长也高于对照,但差异不显著(P>0.05)。

2.2.7 黄帚橐吾乙醇提取物不同有机溶剂萃取组分对杂草种子萌发的影响 由表7可知,黄帚橐吾的乙醇提取物各萃取组分对3种杂草种子萌发的抑制作用不同,在16 mg/mL各萃取组分处理条件下,野燕麦种子的芽长和根长均显著低于对照(P<0.05),其中乙酸乙酯萃取组分的抑制作用最强,对野燕麦芽长和根长的抑制率分别为75.00%和85.64%。黄帚橐吾乙醇提取物正丁醇萃取组分显著促进了野芥菜种子的萌发(P<0.05),对旱雀麦种子萌发也有促进作用,芽长和根长均高于对照,但差异不显著(P>0.05)。

2.2.8 瓣蕊唐松草乙醇提取物不同有机溶剂萃取组分对杂草种子萌发的影响 由表8可知,瓣蕊唐松草的乙醇提取物各萃取组分对3种杂草种子萌发具有不同程度的抑制作用,在16 mg/mL瓣蕊唐松草乙醇提取物乙酸乙酯萃取组分处理条件下,野燕麦种子芽长和根长均显著低于对照(P<0.05),旱雀麦和野芥菜的根长与对照相比差异不显著(P>0.05),瓣蕊唐松草乙醇总提取物处理条件下,旱雀麦种子芽长和根长与对照相比差异显著(P<0.05),野燕麦和野芥菜种子芽长和根长也低于对照,差异不显著(P>0.05)。综上,瓣蕊唐松草的乙醇提取物各萃取组分对3种杂草种子萌发的抑制作用强弱顺序为野燕麦>旱雀麦>野芥菜。

3 结论与讨论

天然草地有毒植物的危害主要是通过影响草地牧草的种子萌发和幼苗生长,最终导致牧草种群被抑制[13-15],研究和掌握有毒植物的这种化学作用规律,并合理开发利用有毒植物,实现农田杂草有效控制,减少农业生态系统对化学药剂的依赖具有重要的意义。已有研究表明,有毒植物对受体植物的抑制作用强度与浸提液浓度、活性物质种类以及受体植物种类密切相关[16]。本试验研究了8种有毒植物不同浓度的乙醇提取物对野燕麦、旱雀麦以及野芥菜种子萌发的影响,结果表明8种有毒植物乙醇提取物对3种杂草种子的萌发及根芽生长具有明显的抑制或促进作用。葵花大蓟和黄帚橐吾乙醇提取物对3种杂草种子的萌发表现为抑制作用,且随着醇提物的浓度升高其抑制作用不断加强,这与胡远彬等研究的劲直黄芪水浸提液对种子发芽和幼苗生长影响的结果[17]一致。本试验还发现,低浓度的高原毛茛和披针叶黄华以及蓟罂粟乙醇提取物对野燕麦种子芽和根的生长具有促进作用,高浓度下具有较强的抑制作用,这种低浓度促进高浓度抑制的双重效应,与高玉莲等研究的瑞香狼毒对高粱、燕麦的结果[18]相一致。另外,同为禾本科的野燕麦和旱雀麦,其受影响程度表现出显著差异,旱雀麦对高原毛茛、披针叶黄华和斜茎黄芪以及蓟罂粟醇提物最为敏感,野燕麦则敏感性较差,这与包赛很那等研究的“野生植物种子对苗期劲直黄芪根浸提液抑制作用”结果[19]一致,这说明有毒植物醇提物中发挥抑制作用的活性物质具有选择性和依赖性,这可能与物种进化历史[20]有关。

本试验比较了8种有毒植物的乙醇提取物中不同有机溶剂萃取组分的生物活性,结果表明,瓣蕊唐松草、斜茎黄芪、披针叶黄华、蓟罂粟和高原毛茛醇提物的乙酸乙酯萃取相优于其他萃取相,这与杨甲月等研究的“瑞香狼毒根中醇提物不同有机溶剂萃取物对拟南芥幼苗生长抑制作用”结果[21]一致,说明乙酸乙酯萃取物是有毒植物活性物质的主要有效组分。本试验还发现,石油醚萃取物是黄花棘豆和黄帚橐吾活性物质的主要有效组分,而正丁醇萃取物是葵花大蓟的主要有效组分。披针叶黄华、高原毛茛和蓟罂粟的主要有效组分是正丁醇和乙酸乙酯萃取物,这可能与植物性有效活性成分较为复杂有关,植物很多代谢产物均具有生物活性,在含量和活性高低上有所差异,多种活性成分可能存在协同作用[22],这与丁建海等研究的“车前子提取物不同溶剂萃取物”结果[23]相似。综上,这8种有毒植物都具有开发为除草剂或植物生长调节剂的潜力。但对这些有毒植物活性物质的释放途径、作用机制、活性成分还有待进一步深入研究。

综上所述,8种有毒植物醇提物对3种杂草种子萌发具有不同程度的影响,其中高原毛茛、蓟罂粟、披针叶黄华醇提物对野燕麦种子萌发呈现低促高抑的趋势,而瓣蕊唐松草醇提物对野燕麦和野芥菜种子萌发亦呈现为低促高抑的趋势。不同有毒植物的有效组分有差异,高原毛茛、蓟罂粟、披针叶黄华、斜茎黄芪和瓣蕊唐松草的有效组分位于乙酸乙酯萃取物中,黄花棘豆和黄帚橐吾的有效组分位于石油醚萃取物中,而葵花大蓟的有效组分则位于正丁醇萃取物中。