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Allelopathy of Equisetum arvense extract on seed germination and seedling growth of wheat

问荆水浸液对小麦种子萌发及幼苗生长的化感效应初探



全 文 :书问荆水浸液对小麦种子萌发及幼苗
生长的化感效应初探
郑景瑶1,岳中辉1,田宇1,刘宝林2,郭立波1
(1.哈尔滨师范大学生命科学与技术学院,黑龙江 哈尔滨150025;2.中储粮北方农业开发有限公司,黑龙江 嫩江161400)
摘要:以小麦为受体,采用生物测定法研究不同浓度的问荆根茎水浸液对小麦种子萌发和幼苗生长的影响,从而探
讨问荆对小麦的化感效应,为小麦的合理生产提供理论依据。结果表明:5和30mg/mL问荆水浸液对龙麦26
(LM26)、垦九10(KJ10)、龙麦33(LM33)、龙辐18(LF18)、格来尼(GLN)的萌发率无显著影响,而70和100
mg/mL处理后5个品种的种子萌发率都显著降低(犘<0.05);100mg/mL处理后LM26、LF18的苗高降低,其他
浓度处理后各品种小麦的苗高都增加。各浓度处理后,不同品种小麦幼苗的干物质量都减少,过氧化物酶(POD)
活性都升高;各浓度处理后LM26、KJ10、LM33、GLN4个品种小麦幼苗的可溶性糖(WSS)含量都显著降低(犘<
0.05);70mg/mL处理后格来尼、100mg/mL处理后LF18幼苗的丙二醛(MDA)含量都显著增加(犘<0.05);随浓
度的增加,LM26,LF18,GLN幼苗的过氧化氢酶活性(CAT)显著升高。
关键词:问荆;水浸液;化感作用;种子萌发;幼苗生长
中图分类号:S512.1;Q945.34  文献标识码:A  文章编号:10045759(2014)03019106
犇犗犐:10.11686/cyxb20140322  
  小麦(犜狉犻狋犻犮狌犿犪犲狊狋犻狏狌犿)是中国主要的粮食作物,在农业生产中占有重要地位。目前小麦的减产已成为农
业生产中比较严重的问题,麦田杂草是小麦减产的一个重要原因,因此防治与小麦共生的杂草是小麦增产的重要
环节。在小麦生长过程中,杂草与小麦为获取水分、营养、光照等存在竞争关系[1],同时它们又会通过向环境中释
放某些化感物质影响对方的生长[2]。植物通过产生化学物质而对其他生物产生影响的能力被称之为化感作用
(alelopathy),Calaway和Aschehoug[3]在2000年就提出过“化学武器”假说,认为化感作用是外来杂草成功入
侵的“化学武器”。近10年来作物与杂草的化感作用逐步成为世界各国科学家重视的一个新的研究领域,在农业
生态系统中起着重要作用[4]。小麦的根系及幼苗的地上部分能够分泌异羟肟酸等物质,抑制棉苗(犌狅狊狊狔狆犻狌犿
spp.)及黄瓜(犆狌犮狌犿犻狊狊犪狋犻狏狌狊)的生长[56];小麦残体植株能够释放酚酸类化合物,抑制千金子(犈狌狆犺狅狉犫犻犪犾犪狋犺狔
狉犻狊)的生长[7];小麦的活体植株能够分泌甲氧基化异羟肟酸(DIMBOA)和去甲氧基类似物(DIBOA),在抗虫、抑
草、抗微生物和抗真菌等方面都起到重要的作用[8]。同时麦田常见杂草也会对小麦产生化感作用,如播娘蒿
(犇犲狊犮狌犿犻狀犻犪狊狅狆犺犻犪)能够抑制小麦的有丝分裂[9];紫茎泽兰(犃犵犲狉犪狋犻狀犪犪犱犲狀狅狆犺狅狉犪)能够降低小麦的根系活力,
抑制小麦的生长[10];黄花蒿(犃狉狋犲犿犻狊犻犪犪狀狀狌犪)能够抑制小麦幼苗根长、根毛和苗高的生长[11];豚草(犃犿犫狉狅狊犻犪
犪狉狋犲犿犻狊犻犻犳狅犾犻犪)可以抑制小麦的早期生长[12]。为了有效地防除杂草,杂草化感作用的研究已越来越受到植物保
护学者的重视。
问荆(犈狇狌犻狊犲狋狌犿犪狉狏犲狀狊犲)是小麦生长早期常见的杂草,是蕨类木贼科问荆属多年生草本植物,目前关于问荆
的研究虽然有很多,但仍主要集中在生长繁殖和环境条件[13]、外部形态和内部解剖结构[14]、化学成分及药理特
性[1516]等方面。研究发现,问荆体内含有酚酸、黄酮和生物碱等物质[17],这些物质释放到环境中后会影响植物的
生长,已有研究证实问荆的水提物可抑制30多种杂草种子的萌发及植物的株高[1819]。在小麦生长初期,问荆除
第23卷 第3期
Vol.23,No.3
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA   
191-196
2014年6月
收稿日期:20130617;改回日期:20130917
基金项目:黑龙江省高校重点实验室开放课题(ZK1201203),黑龙江省高校科技创新团队研究计划-哈尔滨师范大学科技创新团队研究计划
(KJTD20112)和哈尔滨师范大学国家级预研项目(12XYG10)资助。
作者简介:郑景瑶(1989),女,黑龙江牡丹江人,在读硕士。Email:zhengjingyao1989@163.com
通讯作者。Email:yuezhonghui@163.com
了与小麦争夺水分、光照和养分外,其根茎分泌物是否对小麦种子及幼苗产生影响是需要探讨的问题。目前,关
于问荆生长对作物种子萌发和幼苗生长影响的研究还少见报道,其化感作用机理仍有待于进一步探究。因此,本
研究以问荆的地下根茎为对象,采用生物测定法系统地分析问荆根茎浸提液处理后小麦种子萌发率、幼苗形态、
生理指标的变化规律,意在探究问荆化感作用是否对小麦种子萌发及幼苗的生长产生影响,为筛选出较好的抗草
小麦品系、进一步分析问荆的化感效应及其作用机制提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
试验的供体材料问荆根茎采自黑龙江省中储粮北方公司科技园区内,该区地理位置为北纬49°55′,东经
125°25′,采集时间为2012年5月3日;受体材料为该公司提供的5个常用小麦品种,分别为:龙麦26(LM26),该
品种耐旱性强,耐湿性好;垦九10(KJ10),该品种为适时早播品种;龙麦33(LM33),该品种抗倒性好;格来尼
(GLN),该品种对光照反应不敏感,可比其他品种晚播15d左右;龙辐18(LF18)为大田试验新种。
1.2 试验方法
1.2.1 水浸液的制备 将采集到的问荆根茎用蒸馏水冲洗后阴干剪碎,准确称取50g定容到500mL,25℃浸
提24h,用双层无菌纱布过滤除去植株残体制得100mg/mL浓度的母液,将母液稀释至5,30,70mg/mL三个
浓度,保存在4℃冰箱中备用,以蒸馏水作为对照。蒸馏水,5,30,70,100mg/mL处理液分别用 N0、N1、N2、N3
和N4 表示。
1.2.2 生物测定方法 挑选均匀、饱满的小麦种子,用1mg/mL的高锰酸钾溶液对种子进行消毒,蒸馏水反复
冲洗后分别播种于垫有2层滤纸的培养皿(Φ9cm)中,播种密度为100粒/皿,每培养皿中分别加入不同浓度的
问荆水浸液5mL,对照组加入等量蒸馏水,将培养皿置于25℃、光照12h恒温培养箱中培养,每个处理设3次重
复。以胚根突破种皮为萌发标准,每隔24h记录1次萌发种子的数量,待连续2d无萌发时,统计小麦各品种的
萌发率。
将小麦种子25℃催芽至露白后每个培养皿中放入20粒,加入各浓度的水浸液5mL,对照组加等量水,每个
处理设定3次重复,于室温条件下进行培养。每天更换皿中的水浸液,待种子萌发15d长至幼苗后,随机取10
株幼苗测定其苗高及干重(105℃烘0.5h后,80℃烘至恒重)。
1.2.3 生理指标测定 丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量:取新鲜小麦叶片0.5g,采用硫代巴比妥酸法进
行测定;可溶性糖(watersolublesugar,WSS)含量:取新鲜小麦叶片0.2g,采用蒽酮比色法进行测定;过氧化氢
酶(catalase,CAT)活性和过氧化物酶(peroxidase,POD)活性:取新鲜小麦叶片0.2g进行冰浴研磨后,分别采用
紫外分光光度法和愈创木酚法进行测定。
1.3 数据分析
使用Excel进行数据处理,应用SAS8.1软件对数据进行t检验,分析各处理与对照间的差异显著性。
2 结果与分析
2.1 问荆水浸液对小麦种子萌发的影响
不同浓度问荆水浸液对小麦种子萌发率的影响如图1所示,5和30mg/mL浓度处理后小麦种子的萌发率
与对照相比差异都不显著。当浓度达到70mg/mL时各品种种子萌发率都降低,但LM26与对照相比差异不显
著,而其他4个品种都显著降低(犘<0.05),以GLN的降低率最大达12%,而LF18的降低率最小为7%;当浓度
达到100mg/mL时,种子萌发率与70mg/mL处理相比种子萌发率没有显著降低(LM26除外),而与对照相比
都显著降低(犘<0.05),以LM26的降低率最高达14%,而KJ10和LM33的降低率最小,为10%。这一结果说
明低浓度问荆水浸液对小麦种子萌发没有影响,而高浓度问荆水浸液对种子萌发具有抑制作用。
291 ACTAPRATACULTURAESINICA(2014) Vol.23,No.3
2.2 问荆水浸液对小麦幼苗生长的影响
图1 问荆水浸液处理后小麦种子的萌发率变化
犉犻犵.1 犞犪狉犻犪狋犻狅狀狅犳犵犲狉犿犻狀犪狋犻狅狀狉犪狋犲狅犳狑犺犲犪狋狊犲犲犱狊狑犻狋犺
犾犲犪犮犺犻狀犵狊狅犾狌狋犻狅狀狅犳犈.犪狉狏犲狀狊犲狋狉犲犪狋犿犲狀狋狊
   不同小写字母表示同一品种不同处理间差异显著(犘<0.05),下同。
Differentlowercaselettersindicatethesignificantdifferenceofthesame
varietybetweenthevariousconcentration(犘<0.05),thesamebelow.
不同浓度问荆水浸液对不同品种小麦苗高的影
响不同(表1),5,30,70mg/mL处理后各品种苗高
(plantheight,PH)与对照相比均表现出升高的趋
势,只有LM33在5mg/mL、GLN在30mg/mL浓
度处理时苗高低于对照,说明低浓度问荆水浸液处
理对小麦苗高具有促进作用。当浓度达到100
mg/mL时问荆水浸液对不同品种小麦苗高的影响
差别较大,只有LM26、LF18的苗高与对照相比降
低,而其他3个品种苗高仍高于对照,说明100
mg/mL浓度处理只对LM26、LF18的苗高有抑制
作用而对其他3个品种的苗高仍表现为促进作用。
不同浓度问荆水浸液对小麦幼苗干物质量(dry
matterweight,DMW)都有影响(表1),处理后均小
于对照组,说明问荆水浸液对小麦幼苗干物质量的
积累具有抑制作用。
表1 问荆水浸液处理后小麦的苗高、干物质量
犜犪犫犾犲1 犞犪狉犻犪狋犻狅狀狅犳狆犾犪狀狋犺犲犻犵犺狋犪狀犱犱狉狔犿犪狋狋犲狉狑犲犻犵犺狋狅犳狑犺犲犪狋狊犲犲犱犾犻狀犵狑犻狋犺犾犲犪犮犺犻狀犵狊狅犾狌狋犻狅狀狅犳犈.犪狉狏犲狀狊犲狋狉犲犪狋犿犲狀狋狊
处理
Treatments
苗高Plantheight(cm)
LM26 KJ10 LM33 LF18 GLN
干物质量Drymatterweight(g)
LM26 KJ10 LM33 LF18 GLN
N0 3.884 6.190 6.904 5.500 4.887 0.350 0.250 0.290 0.270 0.300
N1 4.948 6.280 6.606 6.268 5.733 0.230 0.220 0.230 0.210 0.220
N2 4.326 6.804 7.053 5.766 4.476 0.240 0.230 0.270
N3 4.620 7.571 7.411 5.729 6.992 0.210 0.210 0.260 0.230 0.280
N4 2.481 6.414 7.188 4.787 5.396 0.180 0.230 0.200 0.240 0.270
2.3 问荆水浸液对小麦幼苗生理指标的影响
2.3.1 问荆水浸液对小麦幼苗WSS含量的影响 不同浓度问荆水浸液处理后小麦幼苗WSS含量如图2所示,
不同浓度问荆水浸液处理后,各品种小麦幼苗 WSS含量都呈降低趋势。不同浓度处理后LM26、KJ10、LM33、
GLN与对照相比 WSS含量都显著降低(犘<0.05),当浓度达到100mg/mL时,LM33和GLN的降低率较高,
分别达到61%和51%,而LM26、KJ10在该浓度时与70mg/mL浓度相比差异不显著。不同浓度问荆水浸液处
理后LF18的 WSS含量与对照相比都没有显著差异。这一结果表明问荆水浸液对小麦幼苗 WSS的合成具有抑
制作用,在不同品种间表现出明显差异。
2.3.2 问荆水浸液对小麦幼苗 MDA含量的影响 不同浓度问荆水浸液对小麦幼苗 MDA含量的影响不同(图
3)。各品种小麦幼苗 MDA含量在各浓度问荆水浸液处理后与对照相比都有增加的趋势,但LM26、KJ10、LM33
各处理的 MDA含量与对照间差异不显著,GLN在70mg/mL处理后与对照相比差异显著增加(犘<0.05),
LF18在100mg/mL处理后与对照相比显著增加(犘<0.05),而其他浓度处理与对照差异都不显著。这一结果
说明问荆水浸液可能在一定程度上促进小麦幼苗 MDA的生成。
2.3.3 问荆水浸液对小麦幼苗CAT活性的影响 不同浓度问荆水浸液处理后小麦幼苗CAT活性的变化如图
4所示,不同浓度问荆水浸液处理后,LM26、LF18、GLN幼苗的CAT活性都呈升高的趋势,GLN在5mg/mL
处理后CAT活性与对照相比有显著差异(犘<0.05),而LM26、LF18的CAT活性在30mg/mL处理后与对照
391第23卷第3期 草业学报2014年
相比差异显著(犘<0.05)。不同浓度问荆水浸液处理后,KJ10的CAT活性随浓度的升高呈逐渐降低的趋势,而
不同浓度处理后,LM33幼苗的CAT活性与对照相比无显著差异。这一结果说明不同品种小麦幼苗CAT活性
对问荆化感物质的响应不同,有较大差异。
2.3.4 问荆水浸液对小麦幼苗POD活性影响 不同浓度问荆水浸液处理后小麦幼苗POD活性的变化如图5
所示,各品种小麦幼苗POD活性在不同浓度问荆水浸液处理后都呈升高的趋势,LM26、KJ10、LM33幼苗POD
活性在100mg/mL浓度处理后与对照相比显著升高(犘<0.05),而其他浓度与对照相比差异都不显著,但
LF18、GLN各浓度处理与对照间都没有达到显著水平。这一结果说明高浓度的问荆水浸液有助于小麦幼苗
POD活性的升高,小麦幼苗可能对问荆浸提物质产生了一定的抗逆性。
图2 问荆水浸液处理后小麦幼苗 犠犛犛含量的变化
犉犻犵.2 犞犪狉犻犪狋犻狅狀狅犳犠犛犛犮狅狀狋犲狀狋犻狀狑犺犲犪狋狊犲犲犱犾犻狀犵
狑犻狋犺犾犲犪犮犺犻狀犵狊狅犾狌狋犻狅狀狅犳犈.犪狉狏犲狀狊犲狋狉犲犪狋犿犲狀狋狊
 
图3 问荆水浸液处理后小麦幼苗 犕犇犃含量的变化
犉犻犵.3 犞犪狉犻犪狋犻狅狀狅犳犕犇犃犮狅狀狋犲狀狋犻狀狑犺犲犪狋狊犲犲犱犾犻狀犵
狑犻狋犺犾犲犪犮犺犻狀犵狊狅犾狌狋犻狅狀狅犳犈.犪狉狏犲狀狊犲狋狉犲犪狋犿犲狀狋狊
 
图4 问荆水浸液处理后小麦幼苗叶片犆犃犜活性的变化
犉犻犵.4 犞犪狉犻犪狋犻狅狀狅犳犆犃犜犪犮狋犻狏犻狋狔犻狀狑犺犲犪狋狊犲犲犱犾犻狀犵
狑犻狋犺犾犲犪犮犺犻狀犵狊狅犾狌狋犻狅狀狅犳犈.犪狉狏犲狀狊犲狋狉犲犪狋犿犲狀狋狊
 
图5 问荆水浸液处理后小麦幼苗叶片犘犗犇活性的变化
犉犻犵.5 犞犪狉犻犪狋犻狅狀狅犳犘犗犇犪犮狋犻狏犻狋狔犻狀狑犺犲犪狋狊犲犲犱犾犻狀犵
狑犻狋犺犾犲犪犮犺犻狀犵狊狅犾狌狋犻狅狀狅犳犈.犪狉狏犲狀狊犲狋狉犲犪狋犿犲狀狋狊
 
3 结论与讨论
许多植物能通过淋溶、挥发、残体分解和根系分泌向环境中释放化感物质,从而对其他生物产生直接或间接
的刺激作用,影响周围植物的生长发育[2021]。本研究表明,问荆根茎水浸液对各品种小麦种子的萌发率均有一定
的抑制作用,说明问荆根茎能够释放一定的化感物质进入土壤,影响小麦种子萌发,这与刘亮等[19]研究问荆水浸
提物对杂草种子萌发具有抑制作用的结果一致,同时问荆水浸液对小麦幼苗的影响都表现为苗高增加而干物质
量减少,说明问荆对各品种小麦的种子萌发和幼苗生长都具有化感效应。有研究发现受体植物种子的发芽速率
是衡量化感作用更敏感的指标,而种子萌发率的降低会影响植物在群落中的多度,对作物的生长及产量至关重
要[22]。本研究还发现问荆水浸液对不同小麦品种种子萌发率的抑制强弱不同,表现为对LM26和GLN的抑制
491 ACTAPRATACULTURAESINICA(2014) Vol.23,No.3
作用较强,而对KJ10、LM33、LF18的抑制作用较弱,可知KJ10、LM33、LF18这3个品种受问荆根茎水浸液化感
作用的影响并不大,由此可将这3个品种初步定义为对问荆化感作用并不敏感的优良品种。
在KJ10、LM33、LF18三个品种中,LF18的 MDA 含量在100mg/mL问荆水浸液处理后显著升高,而
KJ10、LM33经各浓度处理后都无显著变化。MDA是活性氧启动膜脂过氧化的主要产物,其含量的增高可引起
膜的严重损伤,而膜结构受到破坏后会影响植物的生长及发育[23],说明问荆根茎水浸液的化感作用对LF18的膜
系统造成一定的损伤,从而使其幼苗的生长受到抑制,而对KJ10和LM33的膜系统并无损伤。问荆对LF18的
幼苗生长具有抑制作用,而对 KJ10、LM33的生长无明显影响。KJ10、LM33两个品种的POD活性都在100
mg/mL问荆水浸液处理后显著升高(犘<0.05),POD是植物体内重要的保护酶,其活性的升高可清除活性氧自
由基来维持细胞膜的稳定性和完整性[24],从而提高植物的抗性,说明KJ10、LM33在问荆水浸液处理后通过自身
保护酶活性的提高对问荆的化感作用产生了抗性。5个受试品种中KJ10和LM33在各生理指标中都表现出对
问荆水浸液较强的适应性,这2个品种分别为适时早播、抗倒伏的优良品种,因此建议在大田中广泛种植。
目前已有许多关于杂草对小麦化感作用的研究[2526],但利用化感作用机制选择抗性品种的研究还较少。本
研究筛选出2个对问荆具有抗性的小麦品种KJ10和LM33,对大田生产及小麦的育种工作有一定的指导意义。
问荆根茎对小麦种子萌发及幼苗生长具有化感作用,但其对小麦的生殖生长及产量是否具有影响、其作用机理等
问题还需进一步探讨。
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犃犾犲犾狅狆犪狋犺狔狅犳犈狇狌犻狊犲狋狌犿犪狉狏犲狀狊犲犲狓狋狉犪犮狋狅狀狊犲犲犱犵犲狉犿犻狀犪狋犻狅狀犪狀犱狊犲犲犱犾犻狀犵犵狉狅狑狋犺狅犳狑犺犲犪狋
ZHENGJingyao1,YUEZhonghui1,TIANYu1,LIUBaolin2,GUOLibo1
(1.ColegeofLifeScienceandTechnology,HarbinNormalUniversity,Harbin150025,China;
2.SinograinNorthernAgriculturalCompanyLtd.,Nenjiang161400,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:Theeffectof犈狇狌犻狊犲狋狌犿犪狉狏犲狀狊犲rootextractatdifferentconcentrationsonseedgerminationandseed
linggrowthofwheatwasbioassayedtostudythealelopathicdynamicsof犈.犪狉狏犲狀狊犲towheatandtoprovidea
theoreticalbasisforwheatproduction.Therewerenosignificanteffectsonseedgerminationratesof5cultivars
ofwheat[Longmai26 (LM26),Kenjiu10 (KJ10),Longmai33 (LM33),Longfu18 (LF18)andGelaini
(GLN)]withaqueousextract(5and30mg/mL)of犈.犪狉狏犲狀狊犲,butthereweresignificant(犘<0.05)reduc
tionsinseedgerminationratesofthe5speciesofwheatwithaqueousextractsof70and100mg/mL.Theseed
lingheightsofLM26andLF18decreasedwith100mg/mLtreatmentandseedlingheightofalspeciesofwheat
increasedwithothertreatments.Thedrymatterweightofseedlingsofthefivespeciesdecreasedandtheperox
idase(POD)activityinwheatseedlingsincreasedwiththetreatments.Thewatersolublesugar(WSS)content
wassignificantly(犘<0.05)reducedinwheatseedlingsofLM26,KJ10,LM33andGLN.Themalondialde
hyde(MDA)contentsignificantly(犘<0.05)increasedinwheatseedlingsofGLNwiththe70mg/mLtreat
mentandinLF18withthe100mg/mLtreatment(犘<0.05).Thecatalase(CAT)activitysignificantly(犘<
0.05)increasedinwheatseedlingsLM26,LF18,GLNwiththetreatmentconcentrationincreasing.
犓犲狔狑狅狉犱狊:犈狇狌犻狊犲狋狌犿犪狉狏犲狀狊犲;aqueousextract;alelopathy;seedgermination;seedlinggrowth
691 ACTAPRATACULTURAESINICA(2014) Vol.23,No.3