入侵植物野胡蘿卜浸提液對4種草坪草的化感效應

廖博通, 陳 琳, 劉志華, 劉陽華, 文明英, 向國紅

1衡陽市蔬菜研究所, 湖南 衡陽 421000; 2湖南人文科技學院, 湖南 婁底 417000

化感作用是指植物或微生物通過向環境釋放化感物質,從而對自身或其他植物的生長發育產生有利或有害的作用(Kaliszetal.,2021; Kayanifaroetal.,2017)?；形镔|幾乎存在于植物體的各個器官中,不同器官所產生的化感物質對植物的影響具有一定的差異(Peng,2019)。自然條件下,植物化感物質主要通過根系分泌、地上部淋溶、莖葉揮發和植株枯落物在土壤中降解等方式釋放到自然界,化感物質的釋放是外來入侵植物成功入侵的重要因子(Saraetal.,2012; Zhangetal.,2021)。多數入侵植物具有適應性強、生長速度快、繁殖能力強等特點,通過植物化感途徑影響本土植物生長,廣泛存在于農田、荒地、草地、林地和濕地等生態環境中(李玉霞等,2019; 廖慧璇等,2021)。入侵到農作物區,通過釋放化感物質,影響農作物的生長發育(李澳然等,2020; 盧東升等,2019),如假臭草EupatoriumcatariumVeldkamp水浸提液對4種作物種子萌發和幼苗生長均有較強的化感作用,且隨著浸提液濃度的增大,化感效應顯著增強(馬永林等,2016);入侵到荒地,通過迅速定居和分泌化感物質,抑制本土植物種子萌發和生長,影響本土植物的株數和地上生物量(李鳳蘭等,2020; 桂富榮等,2011),如薇甘菊MikaniamicranthaH.B.K.水溶性化感物質能夠促進有效氮的生成,進而促進自身生長并抑制本地植物的生長(鄭亞萍等,2021);入侵到草地生態區,一方面向周圍環境釋放化學物質產生化感作用,影響草地植物的生長,另一方面與本地植物競爭資源,減少原有群落中的優勢植物,降低群落物種多樣性,影響草地功能,惡化草場質量(魯京慧,2018; 趙威等,2017)。

野胡蘿卜DaucuscarotaL.原產于歐洲,是傘形科胡蘿卜屬兩年生草本植物,全國各地均有分布(張玥等,2021),在我國部分地區的草地生態系統中已成為惡性入侵植物(曹婧等,2020)。研究表明,野胡蘿卜水浸提液對禾本科雜草具有一定的化感作用(陶俊杰等,2014),但關于野胡蘿卜水浸提液對草坪草種子萌發和幼苗生長的研究鮮有報道。本試驗采用室內生物測定的方法,研究野胡蘿卜根、莖、葉不同濃度水浸提液對白三葉TrrifoliumrepensL.、黑麥草LoliumperenneL.、翦股穎AgrostisstoloniferaL.和高羊茅FestucaarundinaceaL.種子萌發和幼苗生長的影響,旨在探究野胡蘿卜不同部位浸提液的化感差異,評價不同草坪草對野胡蘿卜化感作用的耐受差異,為野胡蘿卜入侵嚴重地區草地的建植及入侵機制研究提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

2021年6月,在湖南省衡陽市泉溪鎮(26°87′N,112°75′E ,平均海拔78 m)采集野胡蘿卜根系和莖葉。白三葉、黑麥草、翦股穎和高羊茅種子購于北京正道生態科技有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 野胡蘿卜水浸提液的制備 參考姚樹寬等(2018)的方法,將采集到的野胡蘿卜根、莖和葉分開,蒸餾水洗凈,所有樣品經自然風干后剪成1～2 cm的長度進行粉碎,粉碎后過0.425 mm孔徑篩。分別稱取野胡蘿卜根、莖和葉粉末40 g,加1000 mL蒸餾水在25 ℃條件下,120 r·min-1振蕩浸提48 h,用3層紗布和雙重濾紙過濾浸提液,再用孔徑為0.45 μm微孔濾膜過濾,得到濃度為40 g·L-1的野胡蘿卜根、莖和葉浸提液母液,再用蒸餾水稀釋成10、20、30 g·L-1浸提液,4 ℃冰箱保存備用。

1.2.2 化感作用測定 采用培養皿濾紙發芽法進行萌發試驗(周娟娟等,2021),選50粒大小均勻顆粒飽滿的供試草坪草種子,用0.3%的高錳酸鉀溶液消毒10 min,無菌水沖洗5次,再用濾紙吸干種子表面水分,置于直徑為9 cm鋪有雙層濾紙的培養皿中。分別加入不同濃度的野胡蘿卜根、莖和葉浸提液5 mL,以蒸餾水為對照(CK),每個處理設3次重復,在25 ℃恒溫光照培養箱中12 h光照培養,每天適當補充浸提液和蒸餾水以保持濕潤。

1.2.3 測定項目和方法 每日以胚芽突破種皮1 mm為標準記錄發芽種子數,第5 天計算發芽勢(germination potential,PG),第7 天計算發芽率(germination rate,RG)、發芽指數(germination index,IG)、活力指數(vigor index,IV),第7天從培養皿中隨機選取10株幼苗,用精度為1 mm的直尺測量幼苗根長(root length,LR)和芽長(shoot length,LS)。

PG/%=5 d內發芽種子數/供試種子×100;

RG/%=7 d內發芽種子數/供試種子×100;

IG=∑(tG/t);

IV=IGS;

式中:tG為逐日發芽數,t為相應的發芽天數,S為發芽周期結束時的芽長。

參照Williamsonetal. (1988)的方法,計算化感效應指數(response index,IR),IR=1-C/T(T≥C)或IR=T/C-1(T0表示促進作用,IR<0為抑制作用,絕對值的大小與化感作用強度一致。

化感綜合效應指數(synthetic effects of allelopathic index,ISE)為同一浸提液處理對同一受體植物各個測試指標IR的算術平均值,ISE=(IR1+IR2+IR3+IR4+IR5+IR6)/6,式中,IR1～IR6分別為發芽勢、發芽率、發芽指數、活力指數、根長和苗長的化感效應指數。ISE<0為抑制作用,ISE>0為促進作用,絕對值大小表示化感效應作用強度。

1.3 數據分析

利用Excel 2003進行數據處理,采用SPSS 22.0軟件進行單因素(one-way ANOVA)和三因素方差分析(three-way ANOVA),Duncan氏法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 野胡蘿卜不同部位浸提液對受體植物種子發芽率的影響

隨著野胡蘿卜根、莖、葉浸提液濃度的增加,白三葉和翦股穎的發芽率呈降低趨勢,黑麥草發芽率在野胡蘿卜根、葉浸提液處理下,高羊茅發芽率在野胡蘿卜莖、葉浸提液處理下,隨濃度的增加呈先增高后降低的趨勢(表1)。野胡蘿卜根、莖、葉浸提液對白三葉和翦股穎的發芽率抑制程度大于黑麥草和高羊茅的,且在浸提液濃度為40 g·L-1時,4種草坪草的發芽率均為最低值,與CK相比,均具顯著差異(P<0.05)。在根浸提液處理下分別降低71.53%、12.95%、46.06%和16.08%,在莖浸提液處理下分別降低56.94%、10.08%、52.81%和11.18%,在葉浸提液處理下分別降低100.00%、15.83%、79.77%和34.26%。野胡蘿卜根、莖、葉浸提液對4種草坪草發芽率的抑制情況總體表現為葉的抑制強度大于根和莖。

表1 野胡蘿卜不同部位浸提液處理下4種草坪草種子的發芽率

2.2 野胡蘿卜不同部位浸提液對受體植物種子發芽勢的影響

隨著野胡蘿卜根、莖、葉浸提液濃度的增加,白三葉和翦股穎的發芽勢呈降低趨勢,黑麥草和高羊茅發芽勢在野胡蘿卜根、莖浸提液處理下,隨濃度的增加呈先增高后降低趨勢(表2)。當根浸提液濃度為10 g·L-1時,白三葉和翦股穎的發芽勢與CK相比,分別降低了34.09%和39.09%,均顯著低于CK (P<0.05),黑麥草和高羊茅的發芽勢與CK相比分別增加了6.26%和7.64%,差異均不顯著;在莖浸提液濃度為10 g·L-1時,白三葉和翦股穎的發芽勢與CK相比,分別降低了5.31%和35.64%,其中翦股穎的發芽勢顯著低于CK (P<0.05),黑麥草和高羊茅的發芽勢分別增加了3.13%和6.11%,與CK差異均不顯著;在葉浸提液濃度為10 g·L-1時,白三葉、黑麥草、翦股穎和高羊茅的發芽勢與CK相比,分別降低了81.06%、2.34%、20.69%和0.72%,其中白三葉和翦股穎的發芽勢顯著低于CK (P<0.05)。當浸提液濃度為40 g·L-1時,白三葉、黑麥草、翦股穎和高羊茅的發芽勢均顯著低于CK (P<0.05),在根浸提液處理下分別降低了71.97%、25.78%、62.07%和11.45%,在莖浸提液處理下分別降低了56.82%、15.62%、70.12%和5.34%,在葉浸提液處理下分別降低了100%、36.72%、80.47%和29.77%。野胡蘿卜根、莖、葉浸提液對4種草坪草的發芽勢抑制情況總體表現為葉的抑制強度大于根和莖。

表2 野胡蘿卜不同部位浸提液處理下4種草坪草的發芽勢

2.3 野胡蘿卜不同部位浸提液對受體植物種子發芽指數的影響

隨著野胡蘿卜根、莖、葉浸提液濃度的增加,白三葉和翦股穎的發芽指數呈降低趨勢,與CK相比,均具有顯著差異(P<0.05),黑麥草的發芽指數在野胡蘿卜莖浸提液處理下,隨濃度的增加呈先增高后降低趨勢,高羊茅的發芽指數在野胡蘿卜根、莖、葉浸提液處理下,隨濃度的增加呈先增高后降低趨勢(表3)。野胡蘿卜根、莖、葉浸提液對白三葉和翦股穎的發芽指數抑制程度大于黑麥草和高羊茅,且浸提液濃度為40 g·L-1時,白三葉、黑麥草、翦股穎和高羊茅4種草坪草的發芽指數達到最低值,與CK相比,均具有顯著差異(P<0.05),在根浸提液處理下分別降低了79.29%、35.96%、71.66%和17.33%,在莖浸提液處理下分別降低了78.37%、25.58%、70.43%和13.74%,在葉浸提液處理下分別降低了100%、37.05%、81.93%和48.39%。

表3 野胡蘿卜不同部位浸提液處理下4種草坪草的發芽指數

2.4 野胡蘿卜不同部位浸提液對受體植物種子活力指數的影響

隨著野胡蘿卜根、莖、葉浸提液濃度的增加,白三葉、黑麥草和翦股穎的活力指數呈降低趨勢,高羊茅的發芽指數隨濃度的增加呈先增高后降低趨勢(表4)。當根浸提液濃度為10 g·L-1時,白三葉和翦股穎的活力指數分別降低了54.52%和24.57%,顯著低于CK (P<0.05),高羊茅的活力指數增加了37.75%,顯著高于CK (P<0.05);在10 g·L-1莖浸提液處理下,白三葉、黑麥草和翦股穎的活力指數分別降低了10.33%、12.31%和33.87%,其中翦股穎的活力指數顯著低于CK (P<0.05),高羊茅的活力指數增加了34.91%,顯著高于CK(P<0.05);在10 g·L-1葉浸提液處理下,白三葉、黑麥草和翦股穎的活力指數分別降低了90.86%、23.67%和5.97%,其中白三葉和黑麥草的活力指數顯著低于CK (P<0.05),高羊茅的活力指數增加了2.58%,與CK相比差異不顯著。當浸提液濃度為40 g·L-1時,白三葉、黑麥草、翦股穎和高羊茅的發芽指數顯著低于CK (P<0.05),在根浸提液處理下分別降低了82.31%、45.50%、64.91%和29.68%,在莖浸提液處理下分別降低了82.40%、52.30%、73.41%和21.52%,在葉浸提液處理下分別降低了100%、69.16%、83.62%和79.64%。

表4 野胡蘿卜不同部位浸提液處理下4種草坪草的活力指數

2.5 野胡蘿卜不同部位浸提液對4種草坪草根長的影響

由表5可知,在野胡蘿卜根、莖、葉浸提液濃度≥10 g·L-1時,白三葉根長均顯著低于CK (P<0.05),葉浸提液濃度為40 g·L-1時為最低值,降低了100%;在野胡蘿卜根、莖、葉浸提液濃度≥10 g·L-1時,黑麥草根長均顯著低于CK (P<0.05),根、莖浸提液濃度為40 g·L-1時為最低值,分別降低了47.28%、38.49%;在野胡蘿卜根浸提液濃度為10 g·L-1時,翦股穎根長顯著高于CK (P<0.05),隨著浸提液濃度的增加根長逐漸降低,與CK差異不顯著,在莖浸提液濃度≥20 g·L-1,葉浸提液濃度≥10 g·L-1處理時,與CK差異顯著(P<0.05);高羊茅的根長與CK相比,在根浸提液濃度≥10 g·L-1,莖浸提液濃度≥30 g·L-1,葉浸提液濃度≥20 g·L-1時,差異顯著(P<0.05),浸提液濃度為40 g·L-1時為最低值,分別降低了50.81%、31.27%、53.75%。

表5 野胡蘿卜不同部位浸提液處理下4種草坪草的根長

2.6 野胡蘿卜不同部位浸提液對4種草坪草芽長的影響

由表6可知,在葉浸提液濃度為40 g·L-1時,白三葉的芽長顯著低于CK (P<0.05);黑麥草的芽長與CK相比,在根浸提液濃度≥30 g·L-1,莖、葉浸提液濃度≥10 g·L-1處理時差異顯著(P<0.05),莖、葉浸提液濃度為40 g·L-1時為最低值,分別降低了36.63%、50.82%;高羊茅的芽長與CK相比,在葉浸提液濃度≥20 g·L-1時顯著低于CK (P<0.05),在根、莖、葉浸提液濃度為40 g·L-1時最低,分別降低了14.95%、9.35%、60.44%。

表6 野胡蘿卜不同部位浸提液處理下4種草坪草的芽長

2.7 影響草坪草種子萌發的三因素交互作用分析

單因素方差分析下,草坪草品種、浸提液種類及濃度對草坪草種子萌發存在極顯著影響(P<0.01)(表7)。雙因素方差分析下,浸提液種類和浸提液濃度交互作用對發芽率、發芽勢、根長和芽長存在極顯著影響(P<0.01);浸提液種類和草坪草品種交互作用對草坪草種子萌發有極顯著影響(P<0.01);浸提液濃度和草坪草品種交互作用對發芽指數、活力指數和芽長具有極顯著影響(P<0.01),對根長有顯著影響(P<0.05)。在三因素方差分析中,浸提液種類、浸提液濃度和草坪草品種的互作對發芽率、發芽勢、發芽指數有極顯著影響(P<0.01),對根長有顯著影響(P<0.05)。從浸提液種類、浸提液濃度和草坪草品種對草坪草種子萌發及幼苗生長的交互作用分析來看,浸提液濃度因素影響較弱。

表7 浸提液種類、濃度和草坪草品種對草坪草種子萌發及幼苗生長影響的三因素方差分析

2.8 野胡蘿卜不同部位浸提液對4種草坪草的化感綜合效應

野胡蘿卜根、莖、葉浸提液對白三葉、黑麥草和翦股穎種子均存在一定的化感抑制作用,隨著野胡蘿卜浸提液濃度的增加,其化感抑制作用逐漸加強(表8)。野胡蘿卜根、莖、葉浸提液對高羊茅種子則表現為“低促高抑”的雙重效應。4種草坪草種子中,白三葉、翦股穎比黑麥草、高羊茅更易受野胡蘿卜浸提液的影響,其中野胡蘿卜根、葉浸提液對4種草坪草種子的抑制作用強弱順序為白三葉>翦股穎>黑麥草>高羊茅,野胡蘿卜莖浸提液對4種草坪草種子的抑制作用強弱順序為翦股穎>白三葉>黑麥草>高羊茅。

表8 野胡蘿卜不同部位浸提液對4種草坪草的化感綜合效應指數

3 討論

化感作用是植物在長期進化過程中形成的一種適應機制,有利于提高植物競爭資源和空間的優勢,化感物質能抑制種子胚生長、影響種子細胞結構并干擾種子中活性氧的產生與積累、打破種子內源激素平衡等(Toshihiro,2019)。植物化感作用強弱與受試植物種類、浸提液部位及濃度有關(趙威等,2017)?；形镔|主要是植物次生代謝產物,自然界中常見的化感物質有酚類、萜類和生物堿類物質等(師小平等,2020)。

本研究表明,隨著野胡蘿卜根、莖、葉浸提液濃度的逐漸增大,白三葉和翦股穎的發芽率、發芽勢、發芽指數、活力指數均呈現不同程度的降低,且隨著浸提液濃度的升高抑制效果加強。這與星毛委陵菜PotentillaacaulisL.莖葉和根系水浸提液對5種牧草種子萌發的影響基本一致(任秀珍等,2010)。黑麥草的發芽率、發芽勢和高羊茅的發芽勢、發芽指數、活力指數在根浸提液處理下,黑麥草的發芽勢、發芽指數和高羊茅的發芽率、發芽勢、發芽指數、活力指數在莖浸提液處理下,黑麥草的發芽率和高羊茅的發芽率、發芽指數、活力指數在葉浸提液處理時均呈現出“低促高抑”的雙重效應。陶俊杰等(2014)在研究野胡蘿卜水浸提液對2種禾本科雜草的化感作用中發現,隨著浸提液濃度的增加,對雀麥BromustectorumL.種子化感抑制作用增強,對野燕麥AvenafatuaL.種子的化感作用整體表現為“低促高抑”現象,這與本研究結果基本一致。

4種草坪草對野胡蘿卜不同部位、不同濃度的化感耐受力表現出一定的差異,野胡蘿卜相同部位、相同濃度浸提液對4種草坪草的化感作用也不同,可能野胡蘿卜的化感物質在不同部位具有差異,野胡蘿卜化感作用具有一定物種選擇性及濃度效應(任秀珍等,2010)。通過對野胡蘿卜浸提液種類、浸提液濃度和草坪草品種進行三因素方差分析發現,浸提液濃度對草坪草種子萌發和幼苗生長影響相對較弱,這與李鈺瑩等(2020)研究黃花蒿ArtemisiaannuaL.浸提液對4種草坪草種子萌發及幼苗生長的影響的三因素交互作用分析結果基本一致?；芯C合效應指數表明,野胡蘿卜不同部位浸提液對高羊茅的化感作用表現為“低促高抑”的雙重效應,白三葉、黑麥草和翦股穎則表現為抑制作用,野胡蘿卜浸提液對白三葉和翦股穎的化感抑制作用強于黑麥草和高羊茅,原因可能是不同草坪草品種間的耐受差異,具體原因需要做深入細致的研究。王輝等(2022)研究發現,3種供試牧草對舟葉橐吾Ligulariacymbulifera(W. W. Smith)Hand.-Mazz.植株浸提液的敏感程度也有差異。野胡蘿卜不同部位浸提液對4種草坪草的化感作用有一定差異,其中葉浸提液的化感作用最強。這與袁著耕等(2017)對刺蒼耳XanthiumspinosumL.不同部位水浸提液的研究中得出其葉浸提液的化感作用最強的結果一致。本研究結果可為野胡蘿卜入侵嚴重地區草坪的建植提供一定理論依據。