下寨65和青薯2号化感抑草作用研究

李 玮

（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）

【研究意义】杂草是作物管理中成本最高的类别，全球每年因草害的损失估计约为400 亿美元[1]。目前，合成除草剂是解决农田杂草问题的最主要的策略之一，然而，过度及不合理使用会给人类、动物和环境健康造成潜在的威胁。如常用除草剂草甘膦使用后，土壤、水和食物中的草甘膦残留会影响土壤微生物群，污染水面，并对动物和人类造成严重的毒理学影响，如遗传毒性、细胞毒性和激素破坏，从而降低土壤肥力[2]。此外，合成除草剂的长期使用使得部分杂草的抵抗力不断增强，这也为杂草防治工作增加了成本和难度。为应对滥用合成除草剂而引发的各类问题，研究安全、可持续的替代解决方案是非常必要的。【前人研究进展】化感作用作为一种在环境和经济上可持续的替代方法，在世界范围内被广泛用于控制杂草。化感作用是一种植物对另一种植物产生的直接或间接影响，是代谢产物产生并释放到环境中的结果[3]。在植物呼吸、光合作用、酶活性、水分保持、气孔开度、激素水平、细胞分裂和伸长以及细胞壁和细胞膜的形状等生命过程中，都可能受到化感化学作用的影响。化感物质是植物主要代谢途径的次生代谢产物或废物，是主要阻碍植物生长的有机化学物质，可引起细胞膜的变化而激活次级反应[4-5]。在植物的不同组织和器官（根、茎、树皮、叶、花、果实或种子）中可发现化感物质的存在，而其种类和含量因植物种类及部位的不同而异。化感物质的合成取决于植物自身所处的环境条件[6]。光照的数量、强度、持续时间以及所处的生长期对各种化感物质均有不同程度的影响[7-8]。在杂草和作物的生长竞争中，作物向环境中释放的化感物质可抑制农田杂草的生长，具有开发为生物除草剂的潜力[9-10]。生物除草剂对田间杂草具有选择性高、无抗药性、副作用低、残留低等优势，是化学除草剂的理想替代品[11]。生物防治是综合作物保护战略的一个组成部分，有助于发展可持续有机农业，其原则在于管理有害生物种群的平衡，而不是消灭有害生物[12-13]。生物防治产品侧重于利用自然机制和相互作用调节自然物种在其环境中的关系。目前，寻找替代解决方案已经转向分子和天然产物，并且国内外学者已发表了许多关于生物活性天然产物作为潜在除草剂来源的报道[14]。甘薯已被证明能显著抑制入侵杂草薇甘菊植物的生长、土壤养分吸收和繁殖能力[15-17]。此外，研究[18-20]还表明，甘薯对其他植物具有显著的化感作用，不同的甘薯品种表现出不同的抑制效果。【本研究切入点】有关马铃薯化感抑草的国内外研究较少，沈硕[21]研究发现，青藏高原马铃薯主栽品种青薯9号和175号具有生物防除田间野燕麦和自生油菜的潜力。本试验制备青海高原主栽马铃薯品种下寨65和青薯2号的化感水浸提液，通过研究其对受体野燕麦和自生油菜种子萌发及幼苗生长的生物活性，评价青海高原主栽马铃薯品种的化感效应。【拟解决的关键问题】为明确青海马铃薯品种的化感抑草作用，开发马铃薯生物除草剂、选育马铃薯抑草品种研究提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 实验材料供试材料为马铃薯下寨65、青薯2号、野燕麦（Avena fatuaL.）和小油菜（Brassica campestrisL.）均由青海省农林科学院植物保护研究所课题组提供。

1.1.2 实验试剂甲醇、体积分数75%乙醇、1%次氯酸钠、二甲基亚砜。

1.1.3 实验仪器星海旋转蒸发仪（R2002K）（无锡市星海五生化设备有限公司）、离心机（TDZ4-WS）（长沙湘仪离心机仪器有限公司）、电子天平（PL203）（梅特勒-托利多仪器有限公司）、电热恒温干燥箱（DHG-9240A）（上海齐欣科学仪器有限公司）、循环水式多用真空泵（SHB-B 型）（郑州长城科工贸有限公司）、各型微量移液器（德国艾本德公司）、高压蒸汽灭菌锅。

其它：1 000 mL 的锥形瓶、100 mL 锥形瓶、培养皿、10 mL 注射器、0.22 μm 水系膜、50 mL 离心管、量筒、烧杯、滤纸。

1.2 试验方法

1.2.1 种子的预培养将野燕麦和小油菜种子先用1%的次氯酸钠溶液或是3%的过氧化氢溶液消毒15 min，然后用无菌水冲洗3～5次，无菌水冲洗至无色为止，超净工作台内晾干备用。

为了打破野燕麦和小油菜种子的休眠，需要对种子进行温湿环境的预培养，在直径9 cm的培养皿内铺一层滤纸或纱布，加入5 mL 的无菌水，将消过毒的种子均匀地撒在滤纸上，每个培养皿约30～50 粒种子，放置在25 ℃的恒温培养箱中培养3～4 d，最后选择露白一致的野燕麦和小油菜种子进行试验。

1.2.2 粗提物和腐解液的制备（1）将马铃薯下寨65和青薯2号的秸秆部分用剪刀剪碎至2～3 cm，然后将根际土和切成块状的马铃薯混匀后，分成地上和地下部分分别置于1 000 mL锥形瓶中经甲醇浸泡3 d后，浸提液抽滤过滤，反复抽滤几次，置于离心机中4 000 r/min 离心15 min 后，然后用0.22 μm 水系膜过滤后将滤液移至圆底烧瓶中用旋转蒸发仪浓缩至浸膏，常温保存。（2）将马铃薯下寨65 和青薯2 号秸秆部分经过粉碎处理后，置于100 mL 锥形瓶中用蒸馏水浸泡7 d 后，先用抽滤机抽滤，置于离心机中4 000 r/min 离心15 min后，然后用0.22 μm水系膜进一步过滤后在4 ℃冰箱中保存备用。

1.2.3 粗提物对种子萌发的影响实验将已经处理好的下寨65和青薯2号的地上和地下部分粗提物质量浓度处理为：2.5，5，10，20，50 mg/mL，为了充分溶解可以加入少量的2%的二甲基亚砜。取直径9 cm的培养皿，将20粒经催芽处理的种子分别按照5×4的方式整齐摆放在培养皿中，然后用移液枪将各个梯度的溶液加入5 mL 于培养皿中，对照用蒸馏水处理。每个处理重复3次。将培养皿放置在25 ℃的恒温培养箱中培养，每天向培养皿中加入适量的蒸馏水，培养3 d 后记录种子的发芽率，7 d 后测定种子的芽长、根长、鲜重和干重。

1.2.4 腐解液对种子萌发的影响实验将马铃薯下寨65和青薯2号的秸秆部分称取2.5，5，10 g、浸泡在100 mL 蒸馏水中7 d 后用0.22 μm 水系膜过滤，然后取直径9 cm 的培养皿，将20 粒经催芽处理的种子整齐摆放在培养皿中，然后用移液枪将各个浓度处理的腐解液滤液加入5 mL 于培养皿中，对照用蒸馏水处理。每个处理重复3 次。将培养皿放置在25 ℃的恒温培养箱中培养，每天向培养皿中加入适量的蒸馏水，培养3 d后记录种子的发芽率，7 d后测定种子的芽长、根长、鲜重和干重。

1.3 计算方法

发芽率=（种子的发芽数/供试的种子数）×100%

化感效应指数（RI）是用来衡量化感效应强度的指标：RI=1-C/T（T＞C）或RI=T/C-1（T＜C）。其中：C为对照值，T为处理值，当RI＞0表示为促进作用，RI＜0表示为抑制作用，绝对值大小与作用强度一致。

2 结果和分析

2.1 粗提物对种子萌发和幼苗生长的影响

2.1.1 粗提物对小油菜种子萌发和幼苗生长的影响由下寨65粗提物对小油菜种子萌发和幼苗生长的影响结果（表1）得出，随着下寨65 粗提物质量浓度的升高，发芽率、芽长、根长、鲜重以及干重都表现出不同程度的抑制作用。当质量浓度为50 mg/mL时，发现发芽率、芽长、根长、鲜重以及干重等与对照组相比较都有显著的降低，说明抑制作用随着质量浓度的升高会越来越明显。质量浓度为2 mg/mL时地下部分抑制作用明显比地上部分更加有效。

表1 下寨65粗提物对小油菜种子萌发和幼苗生长的影响Tab.1 The influence of the crude extract of potato xiazhai 65 on seed germination and seeding growth of rape

由青薯2 号粗提物对小油菜种子萌发和幼苗生长的影响结果（表2）得出，随着青薯2 号粗提物质量浓度的升高，发芽率、芽长、根长、鲜重以及干重都表现出不同程度的抑制作用。当质量浓度为50 mg/mL时，发现各指标与对照组相比较都有显著的降低，说明抑制作用随着质量浓度的升高会越来越明显。质量浓度为2 mg/mL 时，除根长以外，地下部分的发芽率、芽长、鲜重以及干重抑制作用明显比地上部分有效，说明地下部分对种子萌发以及幼苗生长产生的影响更大。

表2 青薯2号粗提物对小油菜种子萌发和幼苗生长的影响Tab.2 The influence of the crude extract of potato qingshu 2 on seed germination and seeding growth of rape

2.1.2 粗提物对小油菜化感效应的综合评价由下寨65号和青薯2号粗提物对小油菜化感效应的综合效应（图1）得出，化感作用由强到弱的顺序依次是B365下、F32号下、F32号上、B365上，其中，B365下和F32号下受到的化感作用显著，RI绝对值不低于3，然后F32号上和B365上的化感作用依次减弱。

图1 下寨65和青薯2号粗提物对小油菜的化感效应Fig.1 Allelopathic effects of crude extracts from Xiazhai 65 and Qingshu 2 on rape

2.1.3 粗提物对野燕麦种子萌发和幼苗生长的影响由下寨65号粗提物对野燕麦种子萌发和幼苗生长的影响结果（表3）得出，随着下寨65 粗提物质量浓度的升高，发芽率、芽长、根长、鲜重以及干重都表现出不同程度的抑制作用。质量浓度为2 mg/mL 时，地上部分和地下部分的抑制作用不太明显，当质量浓度为50 mg/mL时，发现各指标与对照组相比较都有显著的降低，说明抑制作用随着质量浓度的升高会越来越明显。

表3 下寨65号粗提物对野燕麦种子萌发和幼苗生长的影响Tab.3 The influence of the crude extract of potato xiazhai 65 on seed germination and seeding growth of Avena fatua L.

由青薯2 号粗提物对野燕麦种子萌发和幼苗生长的影响结果（表4）得出，随着青薯2 号粗提物质量浓度的升高，发芽率、芽长、根长、鲜重以及干重都表现出不同程度的抑制作用。当质量浓度为50 mg/mL 时，发现各指标与对照组相比较都有显著的降低，说明抑制作用随着质量浓度的升高会越来越明显。质量浓度为2 mg/mL 时，地下部分的发芽率、芽长、鲜重以及干重抑制作用明显比地上部分有效，说明地下部分对种子萌发以及幼苗生长产生的影响更大。

表4 青薯2号粗提物对野燕麦种子萌发和幼苗生长的影响Tab.4 The influence of the crude extract of potato qingshu 2 on seed germination and seeding growth of Avena fatua L.

2.1.4 粗提物对野燕麦化感效应的综合评价由下寨65和青薯2号粗提物对野燕麦化感效应的综合评价（图2）得出，化感作用由强到弱的顺序依次是F32号下、B365下、B365上、F32号上，其中，B365下和F32号下受到的化感作用显著，RI绝对值不低于2，然后B365上和F32号上的化感作用依次减弱。

图2 下寨65和青薯2号粗提物对野燕麦的化感效应Fig.2 Allelopathic effects of crude extracts from Xiazhai 65 and Qingshu 2 on Avena fatua L.

2.2 腐解液对种子萌发和幼苗生长的影响

2.2.1 腐解液对小油菜种子萌发和幼苗生长的影响由腐解液对小油菜种子萌发和幼苗生长的影响结果（表5、图3）得出，随着腐解液质量浓度的升高，发芽率、芽长、根长、鲜重以及干重都表现出抑制的作用。当质量浓度为75 mg/mL时，发现发芽率、芽长、根长、鲜重以及干重等与对照组相比较都有显著的降低，说明抑制作用随着质量浓度的升高会越来越明显。质量浓度为25 mg/mL 时，除了芽长，青薯2 号的发芽率、芽长、鲜重以及干重抑制作用明显比下寨65 有效，说明青薯2 号对种子萌发以及幼苗生长产生的影响更大。

图3 腐解液对小油菜种子萌发和幼苗生长的影响Fig.3 The influence of the decomposed liquids of potato on seed germination and seeding growth of rape

表5 腐解液对小油菜种子萌发和幼苗生长的影响Tab.5 The influence of the decomposed liquids of potato on seed germination and seeding growth of rape

2.2.2 腐解液对小油菜化感效应的综合评价由下寨65和青薯2号腐解液对小油菜化感效应的综合评价（图4）得出，化感作用F32 号＞B365，其中，随着质量浓度的增加，F32 号和B365 化感作用的差异越显著，RI绝对值不低于3，说明F32号和B365对小油菜的化感作用相当有效。

图4 下寨65和青薯2号腐解液对小油菜的化感效应Fig.4 Allelopathic effects of Xiazhai 65 and Qingshu 2 decomposing liquids on rape

2.2.3 腐解液对野燕麦种子萌发和幼苗生长的影响由腐解液对野燕麦种子萌发和幼苗生长的影响结果（表6、图5）得出，随着腐解液质量浓度的升高，发芽率、芽长、根长、鲜重以及干重都表现出抑制的作用。当质量浓度为75 mg/mL时，发现发芽率、芽长、根长、鲜重以及干重等与对照组相比较都有显著的降低，说明抑制作用随着质量浓度的升高会越来越明显。质量浓度为25 mg/mL时，下寨65和青薯2号之间的抑制作用没有显著的差异，当质量浓度增加为50 mg/mL时，下寨65的发芽率、芽长、根长、鲜重以及干重抑制作用都明显比青薯2号有效，说明下寨65对野燕麦种子萌发以及幼苗生长产生的影响更加有效。

表6 腐解液对野燕麦种子萌发和幼苗生长的影响Tab.6 The influence of the decomposed liquids of potato on seed germination and seeding growth of Avena fatua L.

图5 腐解液对野燕麦种子萌发和幼苗生长的影响Fig.5 The influence of the decomposed liquids of potato on seed germination and seeding growth of Avena fatua L.

2.2.4 腐解液对野燕麦化感效应的综合评价由下寨65和青薯2号腐解液对野燕麦化感效应的综合评价（图6）得出，化感作用B365＞F32 号，其中，随着质量浓度的增加，F32 号和B365 化感作用的差异越来越小，RI绝对值不低于2，说明F32号和B365对野燕麦的化感作用相当有效。

图6 下寨65和青薯2号腐解液对野燕麦的化感效应Fig.6 Allelopathic effects of Xiazhai 65 and Qingshu 2 decomposing liquids on Avena fatua L.

3 讨论与结论

以除草剂为主的传统杂草管理方法可能会引起严重的环境污染和健康问题[22]。因此，制定有效管理杂草的替代策略对于可持续农业来说是不可或缺的。生物化感除草方法作为有机系统以及常规化学除草方法的一种很好的替代方法，其基础是化感物质的使用。大多数化感物质被归类为植物中的次生代谢物，可以直接或间接地控制杂草，有作为生物除草剂的潜力，且对环境安全，符合生态友好的标准[23]。此外，化感物质可为作物提供额外的竞争优势，通过抑制受体植物生长，提高自身争夺资源的能力[24]。

特定作物表现出的化感作用程度往往因作物品种而异[25]。本研究在实验室条件下评估了2 种不同的马铃薯品种青薯2号和下寨65对常见马铃薯田杂草野燕麦和小油菜的种子萌发和幼苗生长的化感作用。研究发现，成熟期的下寨65 地下部分粗提物对小油菜的化感效应高于成熟期的青薯2 号地下部分粗提物，而成熟期的青薯2 号地下部分粗提物对野燕麦的化感效应高于成熟期的下寨65 地下部分粗提物，不同作物品种化感潜力的差异可能是由于其产生和释放的化感物质类型和浓度不同造成的[26]。由于2个不同马铃薯品种的腐解液的添加，2种杂草的发芽率降低，表明它们具有化感物质，且对试验杂草表现出植物抑制作用。其中青薯2号腐解液处理的小油菜的发芽率、芽长、鲜重以及干重抑制作用明显高于下寨65，说明小油菜对马铃薯品种青薯2 号的化感胁迫较为敏感，这可能是由于2 种杂草的基因组特征不同[27-28]。此外，2 个不同品种在较高浓度下对马铃薯田杂草野燕麦和小油菜萌发的抑制作用均最大。野燕麦和小油菜发芽率降低可能是由于遭受代谢活动、种子吸胀潜力、部分分裂细胞死亡和胚胎等不同异常的化感胁迫所致。化感胁迫还可能引起pH 值的变化、幼苗渗透能力的变化、细胞损伤、膜通透性的变化、矿质吸收和胚根吸水能力的降低，从而导致茎生长的降低[29]。由于根系对周围环境中的化学变化感知较为敏感，因而反应可能更快。根和芽的长度减少可能是由于细胞分裂减少和生长激素异常[30]。研究发现海棠属植物不同部位的水提取物对4 个小麦品种的发芽、根和茎长有强烈的抑制作用。另外，小麦品种（Sim）的幼苗对银胶菊根、茎和叶的部分提取物的抗性也优于其他品种，小麦品种（Lasani）的种子萌发和幼苗生长受银胶菊根、茎和叶提取物的抑制作用最大[31]。在本研究中，2 个马铃薯品种的不同部位粗提物对杂草根和芽的抑制作用存在差异。综上所述，马铃薯品种青薯2 号和下寨65 的地下部分具有开发生物除草剂的潜力，其化感活性可通过降低杂草的萌发和生长而对其造成严重损害的作用机制，需进一步研究。

致谢：青海省科学技术厅自然科学基金面上项目（2022-ZJ-907）同时对本研究给予了资助，谨致谢意！