刺兒菜對三種堇菜屬植物的化感作用

張翔宇， 何松林， 王 政， 賈文慶， 朱小佩， 王艷麗， 杜曉華， 劉會超

(1.河南科技學(xué)院， 河南 新鄉(xiāng) 453000； 2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)， 鄭州 450002)

化感作用(allelopathy)是普遍存在于植物中的一種化學(xué)相互作用，通過向環(huán)境中釋放化學(xué)物質(zhì)，影響自身或周邊植物生存、生長，從而達(dá)到適應(yīng)生存環(huán)境的一種自身化學(xué)防御機(jī)制[1-3]。植物通過化感作用來增強(qiáng)自身的競爭能力，在一定程度上影響植物群落組成、演替、更新以及群落內(nèi)物種的分布格局，近年來受到眾多學(xué)者的關(guān)注[4]。張?zhí)﹦碌萚5]對闊葉豐花草(Borrerialatifolia)在果園生草控草的研究認(rèn)為，闊葉豐花草水浸提液對勝紅薊(Ageratumconyzoides)、白花鬼針草(Bidensalba)化感抑制作用顯著，除了能抑制對方的種子萌發(fā)，也能抑制其植株生長。梁軍等[4]在禾草的化感潛力對于揭示高寒地區(qū)多年生人工草地的退化機(jī)理研究中認(rèn)為，垂穗披堿草(Elymusnutans)、冷地早熟禾(Poacrymophila)和中華羊茅(Festucasinensis)三種禾草水浸提液對自身及其他植物種子發(fā)芽和幼苗生長均具有自毒和化感效應(yīng)，且粉末浸提液的化感效應(yīng)強(qiáng)于整株浸提液。Hussain M Iftikhar 等[6]研究認(rèn)為，黑木相思(AcaciamelanoxylonR. Br.)水浸提液處理后的萵苣(Lactucasativa.)，生長過程中干生物量較對照減少50%以上。

角堇(Violacornuta)、三色堇(ViolatricolorL.)、大花三色堇(Viola×wittrockianaGams.)均為堇菜科堇菜屬多年生草本植物，在我國常作兩年生栽培，品種繁多、花色豐富、鮮艷明亮、花期長且耐寒，花開形似蝴蝶，素有“花壇皇后”的美譽(yù)，是華北、華中、華南、江南地區(qū)冬春季花壇、花境、花海配置的主要植物，在冬春園林應(yīng)用中占有舉足輕重的地位，同時也是近年來大受歡迎的盆栽及庭院花卉[7-10]。其全株可入藥,具有清熱解毒、散瘀、止咳等功效, 可用于治療小兒瘰疬、咳嗽及呼吸道炎癥等疾患[11]。

刺兒菜(Cirsiumsetosum)是菊科薊屬的多年生草本植物，根系發(fā)達(dá)，葉厚多角質(zhì)，耐寒，生命力頑強(qiáng)，在我國廣泛分布，排在作物農(nóng)田十大惡性雜草之列[12]，在角堇、三色堇、大花三色堇早春、秋季地栽配置應(yīng)用過程中經(jīng)常伴生，嚴(yán)重影響著堇菜屬植物的正常生長。目前對于刺兒菜的化感作用研究，僅羅小勇等[13]研究刺兒菜不同器官水浸提液對生菜(LactucasativaL.)幼苗生長的化感作用，慕小倩等[14]、李文紅等[15]分別研究刺兒菜整株水浸提液化感作用對小麥(TriticumaestivumL.)幼苗生長、水稻(OryzasativaL.)種子萌發(fā)和幼苗生長的影響。對于刺兒菜不同器官水浸提液對堇菜屬植物化感作用的系統(tǒng)性研究分析尚未見報道。本試驗以角堇(JP)、三色堇(08 H)、大花三色堇(EYO)為材料，研究了刺兒菜不同器官水浸提液對其種子萌發(fā)和幼苗生長的影響，以期明確刺兒菜對堇菜屬花卉的化感作用規(guī)律，為堇菜屬花卉應(yīng)用過程中的雜草綜合防治提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

角堇(Violacornuta)、三色堇(ViolatricolorL.)、大花三色堇(Viola×wittrockianaGams.)種子均來自河南科技學(xué)院草花育種實(shí)驗室，刺兒菜(Cirsiumsetosum)采于河南科技學(xué)院周邊農(nóng)田。

1.2 方 法

刺兒菜水浸提液的制備：參照王桔紅等[16]的方法，將采集的刺兒菜全株先用流水沖洗干凈并摘除枯葉，再用蒸餾水沖洗3遍，置于室內(nèi)散光條件下晾干水分。莖和根剪成2～3 cm的小段，并用刀片從中間劃開，葉片剪成長2～3 cm、寬0.5 cm的長條，莖、根、葉各稱取40 g，加入400 mL蒸餾水，充分混勻后于恒溫條件下浸提，時間為48 h，之后用4層紗布過濾，得到浸提液母液；再將其配制成0.01、0.03、0.05、0.1 g·mL-1等4個濃度的浸提液，裝入藍(lán)口瓶中，于4 ℃冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>

種子萌發(fā)及幼苗生長試驗：分別挑選籽粒飽滿的三種菜屬色堇種子，置于平鋪有兩層定性濾紙的培養(yǎng)皿中(直徑6 cm)，每個培養(yǎng)皿放50粒，3個重復(fù)。分別向培養(yǎng)皿中加入0、0.01、0.03、0.05、0.1 g·mL-1的刺兒菜葉、莖、根浸提液4 mL，置于恒溫(25 ℃)培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng)，每24 h觀察記錄種子萌發(fā)情況(以胚根突破種皮1～2 mm 為種子萌發(fā)基準(zhǔn)[16])，至種子不再萌發(fā)。期間添加適量浸提液，始終保持濾紙濕潤。同等條件下對萌發(fā)種子繼續(xù)進(jìn)行培養(yǎng)，每天觀察幼苗生長情況，培養(yǎng)至第8天，每個重復(fù)隨機(jī)挑選10株幼苗，測量其胚根及胚軸長度。各測量指標(biāo)計算公式如下：

萌發(fā)率(%)=(正常發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總數(shù))×100%；

根冠比=胚根長/胚軸長；

參照Williamson，Richardson[17]的方法計算化感效應(yīng)指數(shù)(allelopathic response index,RI)：

當(dāng)T≥C時，RI=1-C/T；

當(dāng)T

式中：C為對照值，T為處理值，RI>0表示促進(jìn)作用，RI<0表示抑制作用，RI絕對值代表化感強(qiáng)度的大??；

綜合化感效應(yīng)指數(shù)(SE)：同一供試植物的萌發(fā)率、胚軸長、胚根長、根冠比的RI的算術(shù)平均值[18]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，DPS統(tǒng)計分析軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性檢驗(鄧肯氏新復(fù)極差法，α=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 刺兒菜不同器官浸提液對種子萌發(fā)的影響

從圖1可以看出，刺兒菜不同濃度的各器官浸提液對不同堇菜屬植物的化感效應(yīng)不同，不同堇菜屬植物對刺兒菜中化感物質(zhì)的耐受性也有所差異。隨著浸提液濃度的提高，達(dá)到0.1 g·mL-1時，除莖外，葉和根浸提液對JP種子萌發(fā)的抑制作用達(dá)到了顯著水平(p<0.05)，整體上不同器官浸提液抑制作用有根>葉>莖的趨勢。08 H種子萌發(fā)率均達(dá)94%及以上，不同濃度葉、莖、根浸提液對種子萌發(fā)多為促進(jìn)作用，沒有達(dá)到顯著水平(p>0.05)。葉和根浸提液對EYO種子萌發(fā)的影響效果不明顯，葉片總體呈輕微促進(jìn)趨勢，根呈現(xiàn)出低濃度促進(jìn)、高濃度抑制，沒有達(dá)到顯著水平(p>0.05)；莖浸提液則呈現(xiàn)出促進(jìn)萌發(fā)的作用，濃度為0.1 g·mL-1時，達(dá)到了顯著水平(p<0.05)。

2.2 刺兒菜不同器官浸提液對胚軸的影響

從圖2可以看出，刺兒菜不同器官浸提液對三種堇菜屬植物胚軸生長影響效果顯著(p<0.05)。葉浸提液對JP胚軸呈現(xiàn)低濃度促進(jìn)高濃度抑制的作用，在濃度為0.03 g·mL-1時促進(jìn)作用達(dá)到顯著水平(p<0.05)，濃度達(dá)到0.1 g·mL-1時抑制作用達(dá)到顯著水平(p<0.05)，胚軸長下降了45.32%。葉浸提液濃度≤0.1 g·mL-1范圍內(nèi)，對08 H和EYO幼苗胚軸均有顯著的促進(jìn)作用(p<0.05)，0.1 g·mL-1時對08 H胚軸促進(jìn)作用達(dá)到最大，胚軸長增加了51.21%；0.03 g·mL-1時對EYO促進(jìn)作用最大，胚軸長增加了44.35%。

圖2 刺兒菜不同器官浸提液對JP(A)、08 H(B)、EYO(C)胚軸的影響

莖浸提液濃度在≤0.1 g·mL-1范圍內(nèi)，對三種堇菜屬植物胚軸生長均有促進(jìn)作用，隨著濃度增加促進(jìn)作用呈先升高后降低的趨勢，中低濃度促進(jìn)作用顯著(p<0.05)，濃度達(dá)到0.1 g·mL-1時，除JP外，對其余兩種促進(jìn)作用不顯著(p>0.05)。其中，在濃度分別為0.1 g·mL-1、0.03 g·mL-1、0.05 g·mL-1時，對JP、08 H、EYO幼苗胚軸有最強(qiáng)促進(jìn)作用，胚軸長分別增加了30.71%、48.07%、59.41%。

根浸提液對三種堇菜屬植物胚軸生長有明顯的低促高抑作用，低濃度時對08 H、EYO胚軸促進(jìn)作用達(dá)到顯著水平(p<0.05)，隨濃度增加對JP、08 H、EYO抑制作用明顯，濃度達(dá)到0.1 g·mL-1時，抑制作用最大，胚軸長分別降低了70.13%、51.53%、46.95%，其中對JP、08 H胚軸抑制作用達(dá)到顯著水平(p<0.05)。

2.3 刺兒菜不同器官浸提液對胚根的影響

從圖3可看出，葉浸提液對三種堇菜屬植物胚根生長有低濃度促進(jìn)、高濃度抑制的作用。0.01 g·mL-1時對08 H有輕微促進(jìn)作用，促進(jìn)效果不顯著(p>0.05)，0.03 g·mL-1時，對JP、EYO促進(jìn)作用最強(qiáng)，達(dá)到顯著水平(p<0.05)，濃度達(dá)到0.1 g·mL-1時，對三種堇菜屬植物胚根表現(xiàn)出抑制作用，胚根長分別降低了59.11%、37.06%、7.18%，其中對JP、08 H胚根生長的抑制作用達(dá)到顯著水平(p<0.05)。

圖3 刺兒菜不同器官浸提液對JP(A)、08 H(B)、EYO(C)胚根的影響

莖浸提液對08 H胚根生長有“低促高抑”作用，0.1 g·mL-1抑制作用最強(qiáng)，胚根長降低18.95%，沒有達(dá)到顯著水平(p>0.05)，在≤0.1 g·mL-1范圍內(nèi)，對JP、EYO胚根生長均呈現(xiàn)輕微促進(jìn)作用，促進(jìn)效果不顯著(p>0.05)。

根浸提液對三種堇菜屬植物同樣表現(xiàn)出低濃度促進(jìn)、高濃度抑制的“濃度效應(yīng)”，均在0.01 g·mL-1促進(jìn)作用最明顯，對08 H、EYO促進(jìn)作用達(dá)到顯著水平(p<0.05)。濃度達(dá)到0.1 g·mL-1時抑制作用達(dá)到最大，胚根長分別下降了41.38%、35.86%、11.56%，對JP、08 H胚根生長達(dá)到了顯著的抑制作用(p<0.05)。

2.4 刺兒菜不同器官浸提液對根冠比的影響

從圖4可以看出，不同濃度葉浸提液對三種堇菜屬植物根冠比的化感作用整體上呈現(xiàn)抑制作用。具體表現(xiàn)為0.05 g·mL-1時,對JP、EYO根冠比有輕微促進(jìn)，其余均表現(xiàn)為抑制作用，隨濃度升高，抑制作用隨之加強(qiáng)，達(dá)到0.1 g·mL-1時，對JP和08 H抑制作用最大，達(dá)到顯著水平(p<0.05)，根冠比分別下降了24.35%和58.41%。

圖4 刺兒菜不同器官浸提液對JP(A)、08 H(B)、EYO(C)根冠比的影響

莖浸提液對三種堇菜屬植物根冠比的化感作用有一定差異。隨著浸提液濃度升高，對JP作用規(guī)律不明顯，整體抑制作用較強(qiáng)，濃度達(dá)到0.1 g·mL-1時抑制作用最強(qiáng)，根冠比下降了20.87%。對08 H表現(xiàn)出隨濃度升高抑制作用加強(qiáng)的趨勢，在0.1 g·mL-1時達(dá)到最大抑制作用，根冠比下降了30.84%，抑制效果顯著(p<0.05)。對EYO根冠比均有抑制作用，在0.03 g·mL-1時抑制作用達(dá)到顯著水平(p<0.05)，根冠比下降了30.48%。

根浸提液對三種堇菜屬植物根冠比都有高濃度促進(jìn)作用，均在0.1 g·mL-1時促進(jìn)作用最強(qiáng)，根冠比分別增加了121.74%、45.79%、106.67%。不同的是在低濃度時，對08 H、EYO根冠比表現(xiàn)出輕微抑制作用，抑制效果不顯著(p>0.05)。

2.5 刺兒菜不同器官浸提液對種子萌發(fā)和幼苗生長的影響

2.5.1對JP種子萌發(fā)和幼苗生長的影響

由表1可以看出，刺兒菜不同器官浸提液對JP種子萌發(fā)和幼苗生長的影響效果不同。葉浸提液對萌發(fā)率、胚軸、胚根及根冠比整體呈現(xiàn)低促高抑的作用，在0.1 g·mL-1時對胚根的化感效應(yīng)指數(shù)為-0.59，綜合化感效應(yīng)指數(shù)為-0.34。不同濃度的莖浸提液對胚軸與胚根均有促進(jìn)作用，對根冠比有低促高抑的作用。不同濃度浸提液對種子萌發(fā)均有輕微抑制作用，對胚軸及胚根均有低促高抑的作用，都在0.1 g·mL-1時抑制作用達(dá)到最大，化感效應(yīng)指數(shù)分別為-0.7、-0.41，對根冠比在不同濃度均有促進(jìn)作用，在0.1 g·mL-1時促進(jìn)作用達(dá)到最大，化感效應(yīng)指數(shù)為0.55。

表1 刺兒菜浸提液對JP種子萌發(fā)和幼苗生長的影響

2.5.2對08 H種子萌發(fā)和幼苗生長的影響

由表2可看出，葉、莖浸提液對08 H種子萌發(fā)和幼苗生長化感作用規(guī)律較一致，與根浸提液化感作用規(guī)律差別較大。葉、莖浸提液對萌發(fā)率、胚軸促進(jìn)作用明顯；對胚根有“低促高抑”作用，在0.1 g·mL-1達(dá)到最大，化感效應(yīng)指數(shù)分別為-0.37、-0.19；對根冠比多為抑制作用，0.1 g·mL-1時抑制作用最強(qiáng)，化感效應(yīng)指數(shù)分別為-0.59、-0.31。不同濃度根浸提液對萌發(fā)率、胚軸、胚根均有低促高抑的作用，對根冠比則表現(xiàn)出低濃度抑制高濃度促進(jìn)的作用，0.1 g·mL-1時化感作用最強(qiáng)，化感效應(yīng)指數(shù)分別為-0.02、-0.52、-0.36、0.31，綜合化感效應(yīng)指數(shù)為-0.15。

表2 刺兒菜浸提液對08 H種子萌發(fā)和幼苗生長的影響

2.5.3對EYO種子萌發(fā)和幼苗生長的影響

從表3可以看出，0.05 g·mL-1時的葉浸提液對萌發(fā)率和胚軸有輕微抑制，其余均有不同程度的促進(jìn)作用，在0.03 g·mL-1時促進(jìn)作用最明顯，化感效應(yīng)指數(shù)分別為0.06、0.31，0.01 g·mL-1和0.1 g·mL-1時對胚根有抑制作用，在中等濃度(0.03 g·mL-1、0.05 g·mL-1)時則有促進(jìn)作用，對根冠比整體上有抑制作用，0.03 g·mL-1時抑制作用最大，化感效應(yīng)指數(shù)-0.15。不同濃度莖浸提液對萌發(fā)率、胚軸長、胚根長的影響，除在0.01 g·mL-1對萌發(fā)率有抑制作用外，其余皆是促進(jìn)作用，對于根冠比則是不同程度的抑制作用，0.03 g·mL-1時抑制作用最大，化感效應(yīng)指數(shù)為-0.30。不同濃度的根浸提液對萌發(fā)率、胚軸長、胚根長都是低濃度促進(jìn)高濃度抑制的作用，區(qū)別在于起始抑制濃度不同，對根冠比則表現(xiàn)出相反的作用，只在低濃度(0.01 g·mL-1)時是抑制作用，隨著濃度升高，促進(jìn)作用隨之加強(qiáng)，0.1 g·mL-1時達(dá)到最大，化感效應(yīng)指數(shù)0.52。

表3 刺兒菜浸提液對EYO種子萌發(fā)和幼苗生長的影響

3 結(jié)論與討論

早在1937年H.Molisch就已提出化感作用，并指出其有抑制和促進(jìn)兩方面不同的作用[19]。目前對化感作用的研究，主要集中在外來入侵物種對本土植物的危害作用，如蟛蜞菊[Wedeliachinensis(Osbeck) Merr.][20-21]、紫莖澤蘭(EupatoriumadenophorumSpreng)[22-23]、紅花酢漿草(OxaliscorymbosaDC.)[24-25]等對各種大田及園藝作物的危害作用，關(guān)于本土雜草對新興花卉(如堇菜屬植物生長)的化感作用研究較少。姚樹寬等[26]對假蒼耳化感作用的研究發(fā)現(xiàn)，同為Brassica屬的4種植物白菜(Brassicacampestri)、油菜(Brassicapekinensis)、芥菜(Brassicajuncea)、甘藍(lán)(Brassicaoleracea)對假蒼耳浸提液化感作用的響應(yīng)不同，并表現(xiàn)出顯著的差異性，王文萱等[27]對托魯巴姆(Solanurntorvum)葉片水浸提液的研究也表明，不同受體間的化感響應(yīng)存在差異，均推測化感物質(zhì)具有選擇性和依賴性。本研究結(jié)果表明，刺兒菜浸提液對三種堇菜屬植物的化感作用效應(yīng)不同，不同器官浸提液對JP種子萌發(fā)和幼苗生長的抑制作用更強(qiáng)，對08 H幼苗根冠比的抑制作用更加明顯，對EYO的化感作用更多的表現(xiàn)為促進(jìn)作用，推測化感效應(yīng)也可能與受體植物種子大小及植株抗性有關(guān)。

3.1 刺兒菜不同器官浸提液對種子萌發(fā)的影響

Shu Wang等[28]研究表明，油菜(BrassicanapusL.)凋落物分解過程能顯著降低化感作用對萵苣種子萌發(fā)及幼苗生長的影響；Yujie Jiao等[29]研究表明，對入侵植物紫莖澤蘭(Ageratinaadenophora)進(jìn)行堆肥處理，提高了黑麥草(LoliumperenneL.)種子萌發(fā)率、葉片葉綠素含量及根脫氫酶、硝酸鹽還原酶的活性。本研究中，刺兒菜化感物質(zhì)對萌發(fā)的抑制作用表現(xiàn)為JP>EYO>08 H ，其中根浸提液萌發(fā)抑制作用最為明顯，推測抑制生長的化感物質(zhì)更多的是其發(fā)達(dá)的地下根所釋放的。因此，地栽堇菜屬植物在刺兒菜存在較多的地塊應(yīng)用時，可對所用地塊提前進(jìn)行深翻，同時增施土壤菌肥，對刺兒菜殘體進(jìn)行消化分解，提供有利的栽培環(huán)境，也可選擇營養(yǎng)缽苗，避免直接播種。

3.2 刺兒菜不同器官浸提液對幼苗胚軸的影響

3.3 刺兒菜不同器官浸提液對幼苗胚根的影響

對于三種堇菜屬植物，不同濃度莖浸提液度對JP和EYO胚根生長均為促進(jìn)作用，對08 H表現(xiàn)為低促高抑作用，表明08 H對莖浸提液的化感效應(yīng)更顯著；不同濃度葉、根浸提液，除0.01 g·mL-1葉浸提液對EYO表現(xiàn)出輕微抑制外，其余均表現(xiàn)出低促高抑的濃度效應(yīng)，與紫莖澤蘭[32]、闊葉豐花草[33]的化感作用規(guī)律一致。

羅小勇等[13]在小刺兒菜對生菜化感作用的研究中發(fā)現(xiàn)，小刺兒菜莖對生菜胚根生長的抑制作用最強(qiáng)，生菜胚根幾乎停止生長。本研究結(jié)果顯示，根的浸提液對三種堇菜屬植物的化感抑制作用最強(qiáng)，其次是葉和莖，這表明土壤中根是影響堇菜屬植物生長的主要因素，可能是根的某些成分抑制了堇菜屬植物幼苗的正常生長分化，進(jìn)而導(dǎo)致植株整體生長受阻，具體原因還有待進(jìn)一步研究確定。

3.4 刺兒菜不同器官浸提液對幼苗根冠比的影響

李文紅等[15]研究發(fā)現(xiàn)，整株刺兒菜水浸提液對水稻種子萌發(fā)有抑制作用，但能顯著促進(jìn)已發(fā)芽幼苗的生長。本研究結(jié)果顯示，對已萌發(fā)的幼苗，刺兒菜葉、莖浸提液對胚軸的促進(jìn)作用更強(qiáng)，對胚根的抑制作用更強(qiáng)，而不同濃度根浸提液則表現(xiàn)出低濃度時促進(jìn)胚軸生長的作用更強(qiáng)，高濃度時抑制胚軸生長的作用更明顯。這可能與刺兒菜不同器官化感物質(zhì)含量不同有關(guān)，有待進(jìn)行進(jìn)一步試驗分析確定。試驗中還觀察到，高濃度的根浸提液對萌發(fā)后的種子生長抑制作用加強(qiáng)，08 H長勢弱、葉片發(fā)黃、胚根多腐爛，JP和EYO萌發(fā)后大多不能正常生長，胚根長出后生長停滯，最后大多腐爛，與Uddin M N等[34]的“蘆根分泌物可導(dǎo)致受體植物根黑化和壞死”的研究結(jié)果一致，這與根中具有的潛在植物毒素相關(guān)。綜合來看，刺兒菜根對三種堇菜屬植物的正常生長影響嚴(yán)重，刺兒菜根又在地下分布廣泛，在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)及時對土地進(jìn)行深翻，施加土壤菌肥，減弱或消除對植株正常生長發(fā)育的影響。