入侵植物三叶鬼针草对4种果树叶片浸提液的化感及其自感响应
2023-10-31单春燕陈志远王柳洁于海静江路雨李玉英李百炼张龙冲
单春燕,陈志远,王柳洁,张 曼,于海静,江路雨,李玉英,李百炼,张龙冲,
(1.河南农业大学 林学院,郑州 450000;2.河南省软籽石榴工程研究中心,河南南阳 473000;3.河南省南水北调中线水源区流域生态安全国际联合实验室,河南南阳 473061;4.加州大学 河滨分校环境科学系,美国河滨 CA92521)
植物在长期的进化过程中会通过化感作用保持自身对生存资源的竞争优势[1],化感作用是指植物(包括微生物)在其生长过程中会产生化学物质,这些化学物质通过自然挥发、根系分泌、雨雾淋溶以及植株腐解4种方式进入环境,从而对其他植物或自身产生有利或者不利影响的现象[1-3],植物释放的化感物质广泛存在于植物的茎叶、根系等器官之中[4-5]。
外来入侵植物危害日益严重,其会与本土植物竞争生存资源,抢占本土植物生态位,进而破坏当地生态系统的结构和功能,威胁生物多样性[6-7]。三叶鬼针草是一种入侵性极强的入侵植物[8],属于菊科鬼针草属1 a生草本植物,以种子繁殖为主,具有生命周期短、生态适应性强、结实率高且易于传播、萌发率高、繁殖速度快、能在恶劣环境中繁殖和存活等特点。三叶鬼针草植株中含有黄酮类、酚类等有效成分,其中黄酮类是其主要活性成分[9]。目前关于三叶鬼针草的研究主要包括,将其作为超富集植物修复遭受重金属镉污染的土壤[10-12],作为药材在临床应用中与其他中药配合应用[13],作为动物的饲草资源[14]等,另外三叶鬼针草作为一种入侵植物也受到了广泛关注[15-16]。核桃、桃、石榴、柿树是中国重要的经济树种,已有研究发现核桃树的根、叶片等器官中存在可以影响多种植物生长的胡桃醌、酚类等化感物质,高剂量的核桃凋落叶对滇重楼生长产生了强烈的化感作用[17-18];桃叶中含有黄酮等化学物质[19];石榴叶中含有总酚、鞣质、总黄酮、鞣花酸等有效成分[20];柿叶中含有单宁,是一种存在于植物中的水溶性多酚类物质[21]。原慧芳等[22]研究表明柿树叶片具有化感潜力,柿树叶片浸提液显著抑制萝卜、小麦、绿豆种子发芽和幼苗生长。
有研究表明,可以利用植物之间的化感作用实现田间杂草、外来入侵植物的生物防治[21-23]。目前关于探究果树对入侵植物三叶鬼针草种子萌发与幼苗生长的化感作用以及三叶鬼针草自身自毒效应的研究较少,本试验从化感作用的角度出发,以4种本地常见果树(核桃、桃、石榴、柿)即将凋落的叶片及三叶鬼针草地上部分植株为研究对象,探究核桃、桃、石榴、柿的叶及三叶鬼针草地上部分植株浸提液对三叶鬼针草种子萌发和幼苗生长的化感效应,为防治三叶鬼针草入侵,利用果树叶片资源开发新的生物除草剂提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
核桃、桃、柿、石榴树即将凋落的叶片和三叶鬼针草植株(地上部分)以及三叶鬼针草种子均于2020年9月-11月采自于河南农业大学林木种苗繁育中心园内,该基地地处东经112°42′～ 114°13′,北纬34°16′～34°58′。
1.2 浸提液配制
用蒸馏水洗去采集的供体材料叶片表面灰尘,放在室温下阴干备用,将阴干的植物叶片放在打粉机中打磨成粉末,每种植物叶片粉末分别称取50 g置于锥形瓶中,分别往锥形瓶中加入 1 000 mL的蒸馏水,常温下浸泡24 h,在常温条件下用摇床120 r·min-1水浴振荡浸提48 h,分别取各上清液用双层滤纸过滤两次得到质量浓度为0.05 g·mL-1的母液,取各植物叶片浸提液部分母液加蒸馏水分别稀释至质量浓度为 0.005、0.025 g·mL-1,放置于4 ℃冰箱中冷藏备用[24]。
1.3 发芽试验
采用培养皿滤纸法进行种子萌发试验,选取50粒健康、籽粒饱满的三叶鬼针草种子置于铺有两层滤纸的培养皿中,分别加入0.005、0.025和0.05 g·mL-1的浸提液10 mL,对照组加等量蒸馏水,每种处理3个重复。所有培养皿放于 15 ℃、80%湿度、光周期12 h的光照培养箱中培养,萌发过程中若出现缺水,适时加入相应质量浓度的浸提液或蒸馏水补充,以滤纸始终保持湿润为度,种子发芽的标准是胚根突破种皮1～ 2 mm[25]。
1.4 指标测定
每天同一时间记录每个培养皿中发芽的种子数,连续5 d无萌发即视为发芽结束,最后分别计算种子的发芽率(germination rate,GR)、发芽指数(germination index,GI)、发芽势(germination potential,GP)、化感作用效应指数(response index,RI),从每个培养皿中随机挑选20株幼苗测量其芽长和根长,并计算根长与芽长的根冠比[25],使用万分之一天平测量胚芽与胚根的鲜、干质量。
发芽率=发芽种子数/供试种子数×100%
发芽指数=∑(Gt/Dt)(Gt:在t天内的发芽数,Dt:第t天)
发芽势=第4天发芽种子数/供试种子 数×100%
参照史生晶等[15]的计算公式,C为对照值,T为处理值,各测试指标中T≥C时,RI=1-C/T;T
1.5 数据处理
利用SPSS 25.0和Excel 2010对数据进行分析与处理,采用单因素方差分析法分析不同植物的不同质量浓度浸提液对三叶鬼针草种子萌发和幼苗生长各指标的影响差异,试验数据以“平均值±标准误差”表示,P<0.05为差异性评判标准,对满足正态分布的数据使用LSD法进行多重比较,对少数不满足正态分布的数据使用非参数Kruskal-Wallis法进行多重比较。
2 结果与分析
2.1 5种浸提液对三叶鬼针草种子发芽率的 影响
如表1所示,在0～0.05 g·mL-1质量浓度浸提液处理下,柿叶、核桃叶、三叶鬼针草植株浸提液对受体植物种子发芽率均无显著影响(P>0.05),其种子萌发率均在97%以上。石榴叶、桃叶浸提液在0～0.025 g·mL-1质量浓度范围内对受体植物种子的发芽率亦无显著影响 (P>0.05),而在0.05 g·mL-1石榴叶和桃叶浸提液处理下,三叶鬼针草种子的发芽率显著低于对照组(P<0.05),其种子发芽率分别为 70.00%和 21.34%,化感效应指数分别为 -0.291和-0.79。综合分析表明,5种浸提液对三叶鬼针草种子发芽率影响不大,仅高质量浓度 (0.05 g·mL-1)下桃叶、石榴叶浸提液对三叶鬼针草种子发芽率具有显著抑制作用,其他均无显著影响。
表1 5种浸提液处理下三叶鬼针草种子的发芽率Table 1 Germination rate of Bidens pilosa seeds under five kinds of extracts
2.2 5种浸提液对三叶鬼针草种子发芽指数的影响
由表2可见,0.025、0.05 g·mL-1质量浓度下的5种浸提液对三叶鬼针草种子发芽指数均有显著的抑制作用,其发芽指数均显著低于对照组(P<0.05),尤其在不同质量浓度石榴叶浸提液处理下,三叶鬼针草种子发芽指数均受到抑制作用,且具有显著的浓度效应。在柿叶、核桃叶、桃叶、三叶鬼针草、石榴叶浸提液处理下的三叶鬼针草种子发芽指数分别在10.41～28.47、 12.89～28.86、1.25～24.28、13.28～28.25、6.66～ 21.16,对照组发芽指数为25.720。综合分析认为,5种浸提液对三叶鬼针草种子发芽指数的影响较大,其抑制作用强弱顺序依次为:桃叶>石榴叶>柿叶>核桃叶>三叶鬼针草。
表2 5种浸提液处理下三叶鬼针草种子的发芽指数Table 2 Germination index of Bidens pilosa seeds under five kinds of extracts
2.3 5种浸提液对三叶鬼针草种子发芽势的 影响
表3显示,在柿叶、核桃叶、桃叶、石榴叶浸提液0.05 g·mL-1质量浓度处理下,三叶鬼针草种子的发芽势显著低于对照组(P<0.05),尤其在桃叶浸提液下被完全抑制,这表明三叶鬼针草种子萌发的时间进程与集中程度在该质量浓度处理下受到显著抑制;在柿叶、核桃叶、桃叶、三叶鬼针草、石榴叶浸提液不同质量浓度处理下的三叶鬼针草种子发芽势分别为54.67%～ 99.34%、87.34%～97.34%、0.02%～100.00%、 95.34%～100.00%、37.34%～96.00%,对照组发芽势为98.67%。综合分析认为,三叶鬼针草种子发芽势对桃叶水提物最敏感,其次是石榴叶水提物。
表3 5种浸提液处理下三叶鬼针草种子的发芽势Table 3 Germination potential of Bidens pilosa seeds under five kinds of extracts
2.4 5种浸提液对三叶鬼针草幼苗芽长、根长、根冠比的影响
表4表明,三叶鬼针草幼苗芽长在柿叶、核桃叶、桃叶、石榴叶浸提液下受到的化感作用均呈现出“低促高抑”双重浓度效应,而其根长与根冠比在柿叶、核桃叶、三叶鬼针草、桃叶浸提液下则受到不同程度的抑制作用,且抑制作用具有浓度效应。三叶鬼针草浸提液对自身幼苗芽长具有促进作用,尤其在较低质量浓度下促进效应明显 (P<0.05)。在高质量浓度(0.05 g·mL-1)柿叶、核桃叶、桃叶、石榴叶浸提液处理下,三叶鬼针草幼苗芽长和根长显著低于对照组(P<0.05),尤其石榴叶浸提液对三叶鬼针草幼苗芽长和根长的抑制作用最强,其化感作用效应指数分别为 -0.565、 -0.665,但同一质量浓度下对三叶鬼针草幼苗根冠比抑制效应最显著的是桃叶浸 提液。
表4 5种浸提液处理下三叶鬼针草幼苗的芽长、根长、长度根冠比Table 4 Bud length,root length and length root-shoot ratio of Bidens pilosa seedlings under five kinds of extracts
2.5 5种浸提液对三叶鬼针草幼苗质量的影响
从表5可看出,三叶鬼针草幼苗胚芽和胚根鲜质量在高质量浓度(0.05 g·mL-1)的石榴叶浸提液处理下受到显著抑制作用(P<0.05),其余不同质量浓度的不同供体植物浸提液对三叶鬼针草幼苗鲜质量、干质量均表现为促进作用或不显著抑制作用,尤其在质量浓度为0.005 g·mL-1的5种浸提液下,三叶鬼针草幼苗胚芽鲜质量均高于对照组,且差异显著(P<0.05)。
表5 5种浸提液处理下三叶鬼针草幼苗的胚芽鲜质量、胚根鲜质量、胚芽干质量、胚根干质量Table 5 Fresh mass of germ and radicle,dry mass of germ and radicle of Bidens pilosa seedlings under five kinds of extracts
2.6 5种浸提液对三叶鬼针草种子萌发和幼苗生长的综合化感效应
如表6所示,三叶鬼针草种子萌发与幼苗生长受5种浸提液的综合化感影响均呈现出“低促高抑”的变化趋势,其中桃叶、三叶鬼针草植株浸提液浓度在0.025 g·mL-1时就表现出抑制作用。在柿叶、核桃叶、桃叶、三叶鬼针草、石榴叶浸提液0.05 g·mL-1质量浓度处理下,三叶鬼针草种子萌发与幼苗生长均受到较强的化感抑制作用,综合化感效应指数分别为-0.225、-0.099、-0.406、-0.110、-0.395,其在该质量浓度下综合化感效应指数的强弱表现为:桃叶>石榴叶>柿叶>三叶鬼针草>核桃叶。
表6 5种浸提液处理下三叶鬼针草种子萌发和幼苗生长的综合化感效应Table 6 Allelopathic comprehensive effects of Bidens pilosa seed germination and seedling growth under five kinds of extracts
3 讨 论
种子萌发对入侵种群个体的定居、繁衍、扩散等起着非常重要的作用[15],它是单向且不可逆转的,而幼苗生长直接影响着植株对资源的竞争力,植物间化感作用通过影响植物种子萌发及幼苗生长进而影响种群建成[9]。本研究表明,5种供体植物浸提液中均含有干扰三叶鬼针草种子萌发与幼苗生长的化感物质,但效应因浸提液浓度、化感物质种类、受体植物的不同生长阶段及不同部位而异。
3.1 5种浸提液对三叶鬼针草种子萌发的影响
总的来说,本研究中当5种浸提液质量浓度低于0.025 g·mL-1时,三叶鬼针草种子萌发对浸提液的化感作用有一定耐受性,在萌发过程中能够抵御一定的化感干扰,这也可能是三叶鬼针草入侵性较强的一个因素[26]。4种果树叶浸提液在高质量浓度(0.05 g·mL-1)时对三叶鬼针草发芽指数和发芽势均表现出抑制效应,且对发芽指数和发芽势的影响大于对发芽率的影响,说明其发芽指数与发芽势作为衡量化感作用的指标比发芽率更敏感,这与已有研究结果相似[27-29]。三叶鬼针草是典型的机会主义者,萌发条件适宜时种子就大量快速萌发从而侵占生境资源,这是其成为入侵植物的一个重要原因[26],而高质量浓度(0.05 g·mL-1)4种果树叶浸提液导致其种子发芽集中程度降低,发芽时间延长,将可能会严重影响三叶鬼针草植物对资源的竞争能力。
对于具体供体植物而言,三叶鬼针草种子发芽指数在石榴叶浸提液处理下始终受到显著抑制作用,而其发芽率、发芽势仅在高质量浓度 (0.05 g·mL-1)时受到显著抑制作用,这与范丽花等[30]的研究结果相似。在浸提液0.05 g·mL-1质量浓度下,桃叶浸提液对三叶鬼针草种子萌发的抑制作用最强,说明该质量浓度下受体植物种子对桃叶中的化感物质最敏感。
3.2 5种浸提液对三叶鬼针草幼苗生长的影响
本研究发现,高质量浓度(0.05 g·mL-1)的柿叶、核桃叶、桃叶、石榴叶浸提液均对三叶鬼针草幼苗芽长、根长、根冠比具有不同程度抑制作用,且同一浸提液对幼苗根长的抑制作用要强于芽长,说明同一受体植物的不同部位对同一化感物质敏感性不同[31],可能与根系最先直接接触到浸提液环境中的化感物质,更容易也更快受到化感作用影响所致。Rice[32]研究发现化感物质会通过影响植物内源激素的合成与利用从而影响种子萌发与幼苗生长,进而对植株芽长和根长产生影响,本研究结果也可能与此有关。
在5种浸提液中,三叶鬼针草浸提液对其自身芽长、胚芽的鲜质量、干质量表现为促进作用,其对自身幼苗根长和根冠比则表现出不同程度的抑制作用,这与郑欣颖等[16]和王桔红等[33]研究结果相似,植物在遭受逆境胁迫时具有一定的耐受性和适应性,在应对不同生境时会采取不同的生物量分配策略[34]。从本研究结果可推测当三叶鬼针草种群密度高时,可能会通过自感作用抑制种内其他个体根系生长,将更多生物量分配到地上部分,甚至有可能会提高其在成熟阶段的有性繁殖投入,增强自身入侵性[3,35]。高质量浓度(0.05 g·mL-1)下仅石榴叶和桃叶浸提液抑制三叶鬼针草幼苗胚芽和胚根鲜质量,且石榴叶浸提液抑制显著,说明三叶鬼针草幼苗生长对桃叶和石榴叶浸提液较敏感,同时也表明不同浸提液中的化感物质成分存在差异,同一受体植物在不同化感物质胁迫下的抗干扰能力不同[36]。
4 结 论
5种供体植物浸提液对三叶鬼针草种子萌发与幼苗生长存在不同程度的化感效应,其中桃叶和石榴叶浸提液对三叶鬼针草种子萌发与幼苗生长的综合化感抑制作用较为明显,在开发成生物制剂治理三叶鬼针草具有较好的发展与应用前景。4种果树叶片及三叶鬼针草地上部分植株对三叶鬼针草种子萌发与幼苗生长的化感作用还需要对浸提液进行成分分析以及结合大田试验进行进一步研究。
