珙桐—灯台树枝和叶的水提物对白菜种子萌发和幼苗生长的化感效应

王 欢 徐云飞 刘一伯 刘沁松 徐文娟 龙 芸 胥 晓

（1. 西华师范大学生命科学学院，南充 637009；2. 西华师范大学西南野生动植物资源保护教育部重点实验室，南充 637009；3. 西华师范大学西南山地特色植物种质适应与利用研究所，南充 637009）

群落中的各种植物在长期进化过程中为了保持其竞争优势，往往通过次生代谢形成一些化学物质，并通过根系分泌、自然挥发、雨雾淋溶、凋落物分解、种子萌发、花粉传播和微生物分泌等多种途径释放到环境中，从而对其他植物产生有利或有害作用，这个过程被称为植物化感作用。由于化感物质几乎存在于植物的所有器官中，不同植物和同种植物的不同器官对受体植物产生的影响也不相同，如落叶松（）各器官的水浸液均抑制白桦（）种子的萌发和胚根胚轴的生长，但后者各器官的水浸液却能显著促进前者种子的萌发；沙芥（）不同器官的水浸提液对白菜（）种子化感效应的强弱不同，表现为叶＞果皮＞枝条；南方红豆杉（var）不同部位浸提液对白菜种子的萌发和幼苗生长存在不同程度的影响，但种胚浸提液对其抑制作用最强。虽然植物这种特殊的化感作用方式广泛存在于植物界中，并在种内和种间关系、群落演替过程、物种分布格局、外来物种入侵以及农业生产等领域有着重要的作用，但在濒危植物群落中有关化感作用的研究工作开展较少，尤其是濒危植物及其伴生植物的化感效应很少得到关注。

珙桐（）是我国特有的珍稀濒危和孑遗植物，由于适应性较差，群落中自然更新困难，野生种群分布范围狭窄。灯台树（）则常作为伴生树种在群落内与珙桐形成固定的种间关系，共同维持群落的稳定。目前对珙桐的研究主要集中在抗逆生理、濒危原因、适应能力、群落结构和分布差异等方面，而对其化感作用的研究相对较少。化感作用在植物种内和种间均普遍存在并在一定程度上影响群落组成和物种演替。种内化感作用主要表现为自毒作用，如杉木（）的干、皮、枝、叶、根桩中含有多种酚类物质对其自身种子的萌发和幼苗生长产生影响，而种间化感作用主要表现为干扰其他物种的种子萌发和幼苗生长发育，如混交林中白桦、落叶松均能对共同生长的其他树种产生化感作用。鉴于孑遗植物珙桐和灯台树在群落中具有稳定的伴生关系并长期维持，我们推测二者在进化过程中极可能会通过某些方式（如化感作用）去抑制其他植物的种子萌发，从而保证二者在群落中的稳定关系。但对于其他植物的幼苗来说，由于已经具有独立生长并适应环境的能力，其受到的化感抑制效应可能会减弱，甚至发生改变。此外，由于植株在生长过程中伴随着大量枝和叶的凋落，二者在形态结构以及物质组成方面差异较大，其凋落物的化感效应也可能完全不同。为了验证上述的科学问题，我们以平武县野生珙桐群落中珙桐及灯台树的枝、叶为水提液的材料来源，以化感效应常用的模式受体植物白菜为检验对象，分别比较了2种植物的枝、叶及其混合后（参考野外凋落混比）的5 种不同质量浓度（0、0.025、0.050、0.075、0.100 g·mL）的水提液对白菜的种子的发芽率、发芽速度指数和发芽指数，以及幼苗的鲜质量、苗高、根长和幼苗活力指数的影响差异，以此揭示：①珙桐和其伴生树种灯台树如何通过其凋落物的化感效应去影响其他植物种子的萌发和幼苗的生长？②珙桐和灯台树的凋落枝、叶以及二者混合后的化感效应是否具有差异？③上述化感效应是否还受到水提液的质量浓度影响？该研究可为进一步探究珍稀濒危植物与其伴植物间的稳定关系的形成途径提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

制备水提液的试验材料来自四川省平武县野生珙桐研究样地。该样地所处海拔1 701～1 752 m，属亚热带山地湿润季风气候，年均温9.5 ℃，年均降水量957 mm。乔木层以珙桐为主，伴生树种灯台树为辅，其他零星具有山核桃（）分布，灌木层有少量的马桑（）、火棘（）等，样地树的平均株高、平均胸径、平均树龄分别为18.0 m、38.7 cm、25.5 a，郁闭度为0.8，土壤属于黄壤类型。2020年秋季从样地中随机收集珙桐和灯台树当年凋落的枝和叶，调查自然状况下各树种凋落的枝/叶质量比。通过在3 个珙桐和3 个灯台树纯林下各设10 个1 m×1 m 的取样方（总共30 个），收集取样方内地面凋落的枝、叶清除杂质后于70 ℃烘干至恒质量，分别计算出珙桐自然凋落的枝/叶质量比为1/1.41，灯台树自然凋落的枝/叶质量比为1/0.82。受体材料为购于绵阳福城高科农业有限公司的白菜种子（纯度＞96%，净度＞98%，发芽率＞85%，含水量＜7%）。

本试验共有珙桐枝、珙桐叶、珙桐枝-叶混合、灯台树枝、灯台树叶、灯台树枝-叶混合、珙桐和灯台树枝-叶完全混合7 种来源的水提液，水提液制备参照李金鑫等的方法，用0.1 g·mL的水提液分别配成0.025、0.050、0.075、0.100 g·mL4 种质量浓度置于冰柜中4 ℃备用，同时设蒸馏水为对照。试验中珙桐和灯台树枝、叶的混合比例分别参考野外实际调查值，珙桐和灯台树完全混和的比例则按二者各自枝/叶质量比经等比混合而成。

1.2 种子萌发试验

在人工气候箱（MGC-350HP，上海）中进行，采用培养滤纸法进行种子萌发试验。白菜种子用体积分数0.2%的次氯酸钠溶液消毒10 min，然后用蒸馏水漂洗3次，晾干备用。培养皿经过高温灭菌后铺上2 层滤纸，选取籽粒饱满、大小均匀的白菜种子置于培养皿中，每个培养皿均匀放置30 粒种子。7 种不同来源的水提液分别按照0（对照）、0.025、0.050、0.075、0.100 g·mL5 个质量浓度设置处理组，共35 个处理组。每个处理组10 个培养皿做重复，共计350个培养皿和10 500粒种子。试验开始时分别向35个处理组中的每个培养皿加入8 mL 相应质量浓度的水提液，置于人工气候箱中恒温培养（温度25 ℃，湿度75%，光照12 h·d）。培养过程中添加适量水提液以保持培养皿内滤纸的湿度，对照加入等量的蒸馏水，每天统计发芽数量（胚根突破种皮1 mm 视为萌发），待发芽末期连续2 d 无萌发时视为发芽结束，总萌发时间为7 d，萌发结束后测量每个种子的根长、苗高和幼苗鲜质量。

1.3 数据和指标测量

根据慕小倩等的方法计算种子的发芽率、发芽指数（GI）、发芽速度指数（）和幼苗活力指数（VI）（方法附后）。参照高玉莲等的方法进行幼苗生长测定。作物幼苗生长至第7天，各培养皿中分别选取长势一致的10 株幼苗进行苗高（）、根长（）和鲜质量（）测量并计算平均值。测量时，以根颈处为起点，至主根最低端为幼苗根长，至幼苗地上最长顶端为苗高。幼苗鲜质量用精度为0.000 1 g 的METTLER TOLEDO 电子分析天平测定（MS304TS，上海）。参考Williamson 和Richardson提出的化感效应检验方法计算各处理下的化感综合效应指数（synthetical effect of allelopathy，SE）（方法附后）。

发芽指数：

式中：G为第天种子的发芽数量；D为相应的天数。

发芽速度指数：

式中：为每隔24 h发芽种子数。

幼苗活力指数：

式中：为试验终期幼苗苗高；为发芽指数。

化感综合效应指数：

式中：为化感作用响应指数（response index，），＞0为促进，＜0为抑制，绝对值的大小表示作用强度大小。至分别表示发芽率、发芽指数、发芽速度指数、幼苗活力指数、苗高、根长、幼苗鲜质量7种测量指标的化感作用效应。计算方法如下：

式中：为对照值；为处理值。

1.4 数据分析

运用统计软件SPSS 26.0 对数据进行方差分析（ANOVA），采用Duncan 法检验各组间的显著性，采用双因素方差分析（two-way analysis of variance）检验因子间的交互作用。采用Origin 2018软件进行作图，图表中数据为平均值±标准误，显著性检验水平均为0.05。

2 结果与分析

2.1 珙桐枝、叶水提液对白菜种子萌发和幼苗生长的影响

与对照相比，质量浓度为0.025 g·mL的珙桐枝水提液处理显著降低了白菜种子的发芽率，而其他质量浓度无显著影响（见表1）；随着浓度升高，珙桐叶水提液处理显著降低了白菜种子的发芽率、发芽指数和发芽速度，在浓度为0.100 g·mL时达到最低值（见表1）。结果表明珙桐枝的水提液对白菜种子的萌发影响较小，而叶的水提液对白菜种子的萌发具有明显的抑制作用，这种作用随质量浓度增加而增强。

表1 珙桐枝、叶的水浸提液对白菜种子萌发的影响Table 1 Effects of water extracts from branches or leaves of D.involucrata on seed germination of cabbage

与对照相比，随着质量浓度增加，珙桐枝的水提液处理显著增加了白菜幼苗的根长、苗高、鲜质量和活力（根长在0.075 g·mL时达到最大值，苗高、鲜质量和活力在质量浓度为0.100 g·mL时达到最大值）（见图1）；与对照相比，不同质量浓度珙桐叶水提液处理白菜幼苗显著降低了其幼苗的根长，而白菜苗高、鲜质量和活力均呈现“先增后降”趋势（见图1）。结果表明珙桐枝的水提液对白菜幼苗的生长具有明显的促进作用，促进作用随质量浓度增加而增加，而叶的水提液对白菜幼苗生长的影响取决于水提液质量浓度，表现出“低质量浓度促进、高质量浓度抑制”的特点。

图1 珙桐枝、叶的水浸提液对白菜幼苗生长的影响柱状图上的不同字母表示平均值间有显著差异；o.器官（枝、叶）效应；c.质量浓度效应；o×c.器官与质量浓度交互效应Fig.1 Effects of water extracts from branches and leaves of D.involucrata on the growth of cabbage seedlingsValues with the different letters on the bars indicate significant differences between mean values；o.Organ effect；c.Concentration effect；o×c.Organ effect and concentration effect are denoted as

2.2 灯台树枝、叶水提液对白菜种子萌发和幼苗生长的影响

与对照相比，各质量浓度灯台树枝水提液处理白菜种子后，各发芽指标无显著变化（见表2）；与对照相比，灯台树叶的水提液处理显著降低了白菜种子的发芽率、发芽指数和发芽速度指数（质量浓度为0.050 g·mL时的发芽率仅有6%，质量浓度为0.100 g·mL时种子无萌发）（见表2）。结果表明灯台树枝的水提物对白菜种子萌发的影响较小，而叶的水提液对白菜种子的萌发具有明显的抑制作用，这种作用随质量浓度增加而增强并在质量浓度为0.100 g·mL时达到完全抑制。

表2 灯台树枝、叶的水浸提液对白菜种子萌发的影响Table 2 Effects of water extracts from branches and leaves of the B.controversum on seed germination of cabbage

与对照相比，灯台树枝水提液质量浓度升高显著降低了白菜幼苗的根长（质量浓度为0.1 g·mL时达到最低值），而白菜幼苗的苗高、鲜质量以及活力均随质量浓度增加呈现显著增加趋势，且在质量浓度为0.100 g·mL时达到最大值（见图2）；与对照相比，经灯台树叶水提液处理后，白菜幼苗的苗高呈现“先增后亡”趋势，幼苗的根长、鲜质量、活力均随质量浓度增加呈现急剧降低的趋势，且在质量浓度为0.050 g·mL时达到最低值0（见图2）。结果表明灯台树枝水提液对白菜幼苗的生长具有明显的促进作用且随质量浓度增加促进作用增强，而叶的水提液对白菜幼苗的生长具有明显的抑制作用，抑制作用随质量浓度增加而增加。

图2 灯台树枝、叶的水浸提液对白菜幼苗生长的影响Fig.2 Effects of water extracts from branches and leaves of B.controversum on the growth of cabbage seedlings

2.3 珙桐和灯台树的枝-叶混合的水浸提液对白菜的种子萌发和幼苗生长的影响

与对照相比，经3 种不同来源（珙桐、灯台树、珙桐+灯台树）的枝-叶混合的水提液处理后，显著降低了白菜种子的发芽率、发芽指数和发芽速度指数，质量浓度为0.100 g·mL时达到最低值，其中珙桐枝-叶混合水提液导致白菜种子的发芽率、发芽指数和发芽速度指数分别降低了27.3%、54.8%和48.9%，灯台树枝-叶混合水提液分别降低了92.9%、98.1%和98.0%，而珙桐+灯台树的枝-叶混合水提液降低了70.7%，86.0%和84.2%（见表3）。结果表明珙桐、灯台树、珙桐+灯台树3 种不同来源的枝-叶混合的水提液对白菜种子的萌发均随质量浓度增加表现出明显的抑制作用，且灯台树枝-叶混合水提液的抑制作用最强。

表3 珙桐、灯台树、珙桐+灯台树的枝-叶混合水提液对小白菜种子萌发的影响Table 3 Effects of the mixed water extracts with the branches and leaves of D.involucrata，B.controversum and D.involucrata&B.controversum on the germination of cabbage seeds

与对照相比，经3 种不同来源（珙桐、灯台树、珙桐+灯台树）的枝-叶混合的水提液处理后，白菜幼苗的根长、苗高以及活力均随质量浓度增加表现出“先增后降”的变化，而幼苗鲜质量除珙桐+灯台树的枝-叶混合水提液处理后呈现“先增后降”的趋势，其他2 种枝-叶混合水提液处理后则总体呈现“逐渐降低”趋势并在质量浓度为0.100 g·mL时达到最低值（见图3）；与对照相比，质量浓度为0.100 g·mL的珙桐枝-叶混合水提液导致白菜幼苗的根长和鲜质量分别降低了68.4%和42.2%，灯台树枝-叶混合水提液分别降低了85.5% 和68.6%，而珙桐+灯台树的枝-叶完全混合水提液降低了62.7%和45.1%（见图3）。结果表明，珙桐、灯台树、珙桐+灯台树3 种不同来源的枝-叶混合的水提液对白菜幼苗生长均随质量浓度增加总体表现出“低质量浓度促进、高质量浓度抑制”特点，灯台树枝-叶混合水提液的抑制作用最强。

图3 珙桐枝叶混合、灯台树枝叶混合、珙桐和灯台树枝叶混合水浸提液对白菜幼苗生长的影响s.品种效应；c.质量浓度效应；s×c.品种与质量浓度交互效应Fig.3 Effects of the mixed water extracts with the branches and leaves of D. involucrata，B. controversum and D.involucrata&B.controversum on the growth of cabbage seedlingss.Species effect；c.Concentration effect；s×c.Species effect and concentration effect are denoted as

3 讨论与结论

从化感综合效应指数来看，我们发现来自珙桐和灯台树相同部位以及二者不同部位的水提液对白菜种子生长的影响差异较大。如珙桐枝的水提液的促进作用显著高于灯台树枝；珙桐叶的水提液在低质量浓度下呈现促进效应，而灯台树叶则表现出抑制效应；灯台树枝的水提液具有促进作用，而其叶则表现出抑制作用，且叶的水提液的化感强度显著高于枝的水提液（见图4）。由此可见，不同物种相同部位、相同物种不同部位的水提液对同一受体植物所产生的化感作用强度和方向（抑制或促进）是不同的。根据Iqbal 等的研究，不同植物在长期的进化和适应环境过程中产生了不同的次生代谢物质，这些物质绝大部分是化感物质，并通过凋落物的腐浸液和根系分泌过程对土壤微生物以及其他植物的种子萌发和幼苗生长产生影响。此外，木本植物的茎主要由周皮、韧皮部、维管形成层、木质部和髓组成，主要功能是输导和支撑，而叶一般由表皮、叶肉和叶脉3 部分组成，主要功能是光合作用和合成有机物质。作为植物物质和能量代谢最活跃的器官之一，叶相较于其他部位具有更多或活性更强且稳定的化感物质，所以叶水提液对受体植物的化感强度可能高于枝。另一方面，已有研究发现珙桐枝叶中存在三萜、鞣花酸、木脂素、生物碱、黄酮类和酚类成分，而灯台树枝叶的化学成分主要包括黄酮、甾体和单苯环等。因此，由于次生代谢物质的种类和含量不同，最终导致来自珙桐和灯台树相同部位以及二者不同部位的水提液的化感效应具有明显差异。

图4 不同浓度的珙桐和灯台树的枝、叶及混合后的水提液对白菜萌发和生长的化感综合效应指数DB.珙桐枝；DL.珙桐叶；D-BL.珙桐（枝+叶）；BB.灯台树枝；BL.灯台树叶；B-BL.灯台树（枝+叶）；DB-BL.珙桐+灯台树（枝+叶）Fig.4 The synthetical allelopathic effect index of various concentrations of different water extracts on seed germination and seedling growth of cabbageDB.Branches of D. involucrate；DL.Leaves of D. involucrate；D-BL.Branches and leaves of D.involucrate；BB.Branches of B.controversum；BL.Leaves of B.controversum；B-BL.Branches and leaves of B.controversum；DB-BL.Branches and leaves of D.involucrata，B.controversum

质量浓度是化感作用的产生的必要条件，同源水提液化感作用也因质量浓度而异。本试验发现，随着水提液质量浓度的不断增加，来源于同种植物（珙桐或灯台树）的不同部位（枝和叶）的水提液对白菜种子生长的影响规律也存在明显差异。如珙桐和灯台树的枝水提液对白菜幼苗生长的影响均表现出“质量浓度增大、促进增加”规律，珙桐的叶水提液对白菜幼苗生长的影响呈现“低促高抑”规律，灯台树的叶水提液对白菜幼苗生长的影响呈现“质量浓度增大、抑制增强”规律。根据王璞和Suzuki 等的研究，化感物质中生物活性的大小是由质量浓度所决定，低质量浓度的化感物质对植物代谢或生长的影响常表现为促进作用，而高质量浓度的化感物质则表现为促进、抑制或无作用等多种形式。质量浓度效应在自然界中广泛存在，如假苍耳（）浸提液对萝卜（）种子萌发的“低促高抑”效 应、落 叶 松 叶 水 提 物 对 胡 桃 楸（）种子萌发的“促进”效应，以及沙芥（）水提液对白菜种子萌发及幼苗生长的“抑制”效应中先后被观察到。值得注意的是，本研究参照了野外的凋落枝/叶质量比，形成了不同质量浓度的珙桐和灯台树枝-叶混合水提液并以此模拟野外生境。结果均发现，无论珙桐（或灯台树）的枝水提液或叶水提液，只要二者混合后均随质量浓度增加表现出对白菜种子萌发的抑制作用，而对幼苗生长则呈现“低促高抑”的化感效应（见表3 和图3）。白菜的种子与幼苗相比，无法进行光合作用和合成必要的有机物，仅处于生命开始阶段的脆弱期，更易受到化感物质的抑制影响，而幼苗已具备利用光能合成有机物的能力并能自主完成系列的基础生理和代谢过程，对外界环境的抵抗能力远比处于萌发阶段的种子强，故表现出了截然不同的化感效应。我们推测这种现象可能是珙桐及其伴生树种灯台树为了维持二者在群落中的稳定关系、避免其他植物种子过多萌发导致竞争而进化出的一种调控途径。此外，植物的化感影响是由2 种或2 种以上的成分相互作用产生的，各化感成分间还存在着拮抗或促进作用，这种对幼苗均表现出随质量浓度“低促高抑”的现象也是符合了生态学的限制因子定律，即任何因子接近或超过生物的耐受性极限均会限制生物的生长发育。

综上，本研究发现珙桐和灯台树枝水提液对白菜种子萌发影响较小，对幼苗生长有明显促进作用且随质量浓度增加而增大；叶水提液对白菜种子萌发均具明显抑制作用，但对幼苗生长的影响各不相同，珙桐呈现随质量浓度增加的“低促高抑”现象，而灯台树呈现随质量浓度增加“抑制增加”的特点；不同来源的枝-叶混合的水提液对白菜种子萌发均表现出明显的抑制作用，但对幼苗生长均随质量浓度增加表现出“低促高抑”特点。这些结果证实了珙桐和灯台树的枝、叶及其混合后的水提液对白菜种子的萌发和幼苗生长的化感作用存在显著不同的影响，并且化感作用的强度和方向取决于不同的树种、部位和水提液质量浓度，这对于进一步揭示珍稀濒危植物及其伴生树种在群落中如何维持相对稳定的伴生关系具有一定的参考意义。此外，虽然该研究发现了珙桐和灯台树间的一些特定的化感效应，但属于简单验证实验，未来还需通过比较、筛选和鉴定化感活性成分并验证其功能等方法进行机制层面的深入研究。