外源自毒物质对苜蓿、小麦生长发育的影响

时间：2024-08-31

郑瑞,师尚礼，马史琛

(甘肃农业大学草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/甘肃省草业工程实验室/中-美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃兰州 730070)

自毒作用是指植物通过茎叶淋溶挥发、根系分泌释放、残茬腐烂分解等途径产生某些物质，并对同种植物的生长产生抑制作用的现象[1]。这些物质在土壤中累积到一定浓度后，对植株的生长发育特别是对根系的发育及功能有一定的影响[2]。苜蓿(Medicagosativa)是中国乃至全世界最为重要的饲料之一，不仅填补了优质蛋白饲料的空缺，而且对优良奶产品、肉制品的发展和经济效益做出了贡献[3]。自毒作用是苜蓿连作后出苗率低、生长状况变差、产量降低、品质变劣现象发生的主要原因[4]，目前被证实的苜蓿主要自毒物质有：萜类；类黄酮、异黄酮；苜蓿素、香豆素、生物碱、肉桂酸等[5]。小麦(Triticumaestivum)是通过根系分泌及残体分解有毒物质的方式影响自身或其他植物生长发育的他感性禾本科作物，常作为苜蓿后茬作物进行轮作。小麦中被发现的酚酸类他感物质主要有阿魏酸(ferulic acid)、香草酸(vanillic acid) 、丁香酸(syringic acid) 、对羟基苯甲酸(p-Hydroxybenzoic acid) 和对香豆酸(p-coumaric acid) 等[7]。

赵瑞林[8]研究发现，外源羟基苯甲酸对小麦种子萌发具有低促高抑的浓度效应。Abenavoli等[9]发现，香豆素使硬质小麦对硝酸盐的吸收减弱[9]。在小麦的叶片、根系和根际土壤中均检测到羟基苯甲酸、肉桂酸等抑制小麦生长的物质[10]。Abdul等[11]研究发现，在苜蓿的根系和残茬中均存在酚酸类自毒物质。肉桂酸也是酚酸类物质之一，有研究报道，外源肉桂酸对豌豆的种子萌发和幼苗生长抑制作用显著[12]。苜蓿素(Tricin)，又称小麦黄素，广泛存在于各种谷物中[13]。目前已从紫花苜蓿[14]、豌豆(Pisumsativum)[15]、小麦[15]、金荞麦(Fagopyrumdibotrys)[17]、玉米苞叶[18]等作物中检测到苜蓿素的存在，但苜蓿素对作物生长发育的影响研究较少。香豆素也是典型的自毒物质之一，有研究发现香豆素浓度为0.1 g/L时对黑麦草、水稻的生长发育抑制明显[14]。外源自毒物质对不同作物的影响已有较多报道，但对不同作物的影响效果差异还缺少相应的研究和佐证。Hedge[21]发现苜蓿自毒物质香豆素和肉桂酸在处理浓度高于6 ug/mL后，抑制作用显著。陈静[22]研究发现苯甲酸与4-羟基苯甲酸处理浓度为6.0 mg/L时对牡丹试管苗的生根具有抑制作用。鉴于此，试验选用肉桂酸、羟基本甲酸、香豆素、苜蓿素4种外源自毒物质的不同浓度处理下对苜蓿和小麦生长发育的影响，比较其毒性强弱，为苜蓿和小麦连作、轮作提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

选用甘农2号紫花苜蓿、陇春BJ103小麦作为试验材料，供试种子来自甘肃农业大学草业学院，肉桂酸、羟基苯甲酸、香豆素和苜蓿素4种外源自毒物质购买于武汉天植生物技术有限公司，分析纯≥99%，并分别编号为：A、B、C、D。

1.2 试验方法

1.2.1 浇灌液制备准确称取A物质0.005 g溶于100 mL蒸馏水中作为母液，将母液平均分为4份，第1份不加蒸馏水，标为浓度0.050 g/L的浇灌液，第2份加蒸馏水25 mL，标为浓度0.025 g/L的浇灌液，第3份加蒸馏水50 mL，为浓度0.010 g/L的浇灌液，第4份加蒸馏水125 mL，为浓度0.005 g/L的浇灌液。用同样的方法制备B、C、D不同浓度的浇灌液。

1.2.2 种子萌发试验选取形态良好、外观相似的苜蓿和小麦种子置于培养皿中，加0.05%的次氯酸钠溶液消毒，15 min后用镊子将种子取出，用蒸馏水将种子上的次氯酸钠完全冲洗干净，采用培养皿滤纸发芽试验法，在培养皿中铺平滤纸并用少量的蒸馏水浸湿，使培养皿底部与滤纸贴合完全。每个培养皿放置苜蓿种子30粒，小麦种子20粒，用不同浓度的浇灌液将种子完全浸没，每个浓度做3次重复，蒸馏水浸没作为对照。培养皿加盖后放置于24℃，14 h光照10 h黑暗的光照培养箱中培养。每隔1 d添加浇灌液1 mL，以保证种子发芽的湿润环境。起初每24 h计数种子萌发个数，连续3 d，72 h后测定发芽率，120 h后测定下胚轴长度、胚根及胚芽鞘的长度并计算相应的化感指数。

1.2.3 幼苗生长试验采用沙培法将消毒后的苜蓿、小麦的种子分别种于塑料杯中，定期浇灌不同浓度处理的浇灌液10 mL，以蒸馏水为对照，每处理3个重复，常规方法管理。30 d后选取长势一致的苜蓿幼苗30株，小麦20株。测定幼苗苗高、根长、苗鲜重、根鲜重。计算化感效应指数(RI)。

RI=1-C/T(T≥C)

RI=T/C-1(T

式中：C为对照值，T为处理值。当RI>0时，表示促进作用，当RI<0 时，表示抑制作用：RI绝对值的大小代表化感作用强度。

1.2.4 根系活力测定采用文献[23]的方法测定苜蓿、小麦幼苗根系活力。

1.2.5 数据分析采用Excel 2010整理试验数据，采用IBM SPSS Statistics 19.0进行数据处理和方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同外源自毒物质不同浓度处理对苜蓿、小麦种子发芽指数的影响

A浓度为0.005 g/L时，苜蓿和小麦的种子发芽指数与CK差异不显著(P<0.05)，浓度为0.010，0.025和0.050 g/L时，苜蓿种子发芽指数分别较CK降低18.92%，28.36%，43.23%；小麦种子发芽指数分别低于CK 11.81%，22.56%和40.31%(P>0.05)，A对小麦发芽指数的抑制强度较苜蓿略小。B浓度为0.005 g/L时，苜蓿发芽指数与CK无明显差异(P>0.05)，浓度为0.010，0.025 g/L和0.050 g/L时分别较CK降低12.75%，19.21%和40.5%(P>0.05)；小麦发芽指数只有在最大处理浓度0.050 g/L时低于CK 21.82%，其他浓度作用下均与CK无显著差异(P<0.05)。苜蓿种子发芽指数随着C处理浓度增加而分别较CK降低20%、46%、78%、93%(P>0.05)；小麦发芽指数在C处理浓度为0.005 g/L时无明显变化，浓度为0.010，0.025和0.050 g/L时分别低于CK 25%，36%和50%(P>0.05)。D浓度为0.005 g/L时，苜蓿种子发芽指数与对照差异不显著(P<0.05)，浓度为0.010，0.025和0.050 g/L时分别较CK降低22.72%，50.59%和60.66%(P>0.05);小麦发芽指数在D浓度为0.005、0.010 g/L时与CK差异不显著(P<0.05)，浓度为0.025、0.050 g/L时分别较CK降低20%、34%(P>0.05)(图1)。

综和分析，A、B、C、D对苜蓿、小麦发芽指数的毒性强弱表现为C>D>A>B，苜蓿发芽指数随着C处理浓度增加而降低，而A、B、D只有处理浓度大于0.005 g/L之后，才对苜蓿发芽指数有抑制；A、C处理浓度大于0.010 g/L，小麦发芽指数随着A、C处理浓度增加而下降，D处理浓度大于0.025 g/L后小麦发芽指数呈降低趋势，B浓度为0.050 g/L时小麦发芽指数有降低。

图1 浇灌液浓度处理的苜蓿、小麦种子发芽指数Fig.1 Germination index of alfalfa and wheat seeds treated with irrigation solution

2.2 对苜蓿、小麦种子萌发的影响

2.2.1 对苜蓿发芽率、胚根、下胚轴及胚芽鞘的影响 A、B浓度为0.005 g/L时，苜蓿发芽率和胚根长与CK差异不显著(P<0.05)，下胚轴长低于CK 15%、12%(P>0.05)，A、B浓度为0.010，0.025和0.050 g/L时，苜蓿发芽率、胚根长和下胚轴长随浓度增加而明显降低，发芽率分别低于CK 14%，31%，38%；14%，18%和25%，胚根长分别低于CK 21%，39%，64%；15%，33%，56%，下胚轴长分别低于CK 35%，46%，60%；28%，41%，51%(P>0.05)。C、D不同浓度处理后，苜蓿发芽率、胚根长和下胚轴长随浓度增加呈降低趋势，苜蓿发芽率分别低于CK1 1%，32%和47%，54%；11%，21%，33%，48%，胚根长分别低于CK 24%、45%、65%、74%；16%、31%、48%、69%，下胚轴长分别低于CK 37%、51%、61%、75%；22%、40%、52%、67%(P>0.05)(表1)。

2.2.2 对小麦发芽率、胚根、下胚轴及胚芽鞘长的影响 A处理浓度0.005、0.010 g/L时，小麦发芽率、胚根长及胚芽鞘长与CK间无显著差异(P<0.05)；浓度为0.025、0.050 g/L时，小麦发芽率、胚根长及胚芽鞘长分别低于CK16%、25%；28%、40%；15%、30%(P>0.05)。B处理浓度0.005，0.010和0.025 g/L时，小麦发芽率、胚根长和胚芽鞘长与CK间差异不显著(P<0.05)，浓度为0.05 g/L时，小麦的发芽率、胚根长及胚芽鞘长分别低于CK 17%，24%，12%(P>0.05)。C的处理浓度为0.005，0.010，0.025、0.050 g/L时，小麦种子的发芽率、胚根长和胚芽鞘长分别显著低于CK 16%、25%、38%、51%；23%、32%、46%、53%；11%、22%、35%、46%(P>0.05)，可见C对小麦根系的毒害抑制较芽更强烈。D处理浓度0.005 g/L时，小麦发芽率、胚根长及胚芽鞘长与CK间无显著差异(P<0.05)，0.01，0.025和0.05 g/L处理后分别低于CK 11%，18%和27%；12%，33%和51%；11%，15%和26%(P>0.05)(表2)。

表1 浇灌液浓度处理下苜蓿的发芽率，胚根长、下胚轴长及化感指数Table 1 Germination percentage (%) of alfalfa treated with watering solution concentration,radicle length (cm),hypocotyl length (cm)

表2 浇灌液处理下小麦的发芽率、胚根长、胚芽鞘长及化感指数Table 2 Wheat germination rate (%),radicle length (cm),coleoptile length (cm)

结果表明苜蓿种子萌发随自毒物质处理浓度的增加而受抑制作用增强；小麦种子萌发在自毒物质C的作用下随C处理浓度的增加而受抑制作用增强，B在最大处理浓度时才对小麦种子萌发表现出抑制作用，A处理浓度超过0.010 g/L、D处理浓度超过0.005 g/L之后抑制小麦种子萌发。A、B、C、D对苜蓿、小麦种子萌发的毒性强弱均表现为C>D>A>B。

2.2.3 苜蓿、小麦种子萌发各指标化感指数绝对值化感指数绝对值的大小表明化感强度，4种不同自素物质影响下，苜蓿、小麦种子萌发各指标基本均为负值(表1，2)。苜蓿种子萌发各指标化感指数绝对值均随着自毒物质处理浓度升高而呈上升趋势；小麦种子萌发各指标的化感指数绝对值在C各浓度作用下、A、D浓度大于0.010 g/L及B浓度大于0.025 g/L后迅速增大，说明抑制作用强度与自毒物质处理浓度关系密切。4种自毒物质毒性强弱表现为C最强，B最弱，A、D居中，且对苜蓿的抑制作用远强于小麦(图2)。

图2 不同自毒物质在不同浓度时苜蓿、小麦种子萌发指标的化感指数绝对值Fig.2 The absolute value of allelopathic index of various indexes of alfalfa and wheat seed germination at different concentrations of different autotoxic substances

2.3 不同外源自毒物质不同浓度处理对苜蓿、小麦幼苗生长的影响

2.3.1 对苜蓿幼苗生长的影响 A 处理浓度为0.005 g/L时，苜蓿苗高和苗鲜重与CK间无显著差异(P<0.05)，根长和根鲜重分别低于CK 21%、12%且差异显著(P>0.05)，浓度为0.010，0.025和0.050 g/L时，苜蓿苗高、根长、苗鲜重、根鲜重随之降低，说明A对苜蓿地下部的损害大于地上部；B处理浓度为0.005 g/L时苜蓿苗高、根长、苗鲜重、根鲜重与CK间无显著差异(P<0.05)，0.010，0.025和0.050 g/L处理后呈降低趋势，分别低于CK 13%、14%、11%、17%；18%、18%、11%、17%；37%、29%、17%、35%(P>0.05)。C处理浓度为0.005、0.010、0.025 g/L、0.050 g/L时，苜蓿苗高、根长、苗鲜重、根鲜重分别显著低于CK 30%、38%、50%、63%；27%、36%、46%、56%；22%、40%、51%、67%；19%、37%、46%、63%(P>0.05)，D作用下分别显著低于CK 19%、27%、37%、48%；21%、24%、29%、43%；17%、26%、39%、53%；14%、21%、29%、45%(P>0.05)，可见苜蓿幼苗生长各指标随C、D处理浓度增加而明显降低，且C处理下降幅度更大。

表3 浇灌液浓度处理下苜蓿的苗高、根长、苗鲜重及根鲜重Table 3 The height (cm),root length (cm),fresh weight (g),fresh weight (g) of Alfalfa

2.3.2 对小麦幼苗生长的影响小麦的苗高、根长、苗鲜重、根鲜重在A浓度为0.005、0.010 g/L时与CK间均无显著差异(P<0.05)，浓度为0.025、0.050 g/L时呈降低趋势，分别低于CK 14%、22%；10%、18 %；13%、17%、15%、22%(P<0.05)；在B浓度为0.005，0.010，0.025 g/L时与CK间均无显著差异(P<0.05)，0.050 g/L处理后分别显著低于CK 16%，13%，11%和11%(P<0.05)；在C作用下随着处理浓度的增加抑制效应增强，0.005、0.010、0.025、0.050 g/L处理后分别显著低于CK 17%、25%、28%、32%；11%、15%、18%、27%；114%、18%、26%、32%；11%、16%、22%、31%(P<0.05)；D处理浓度0.005、0.010 g/L时与CK间均无显著差异(P<0.05)，0.025、0.05 g/L处理后小麦的苗高、根长、苗鲜重、根鲜重分别显著低于CK 17%、26%、10%、17%；17%、22%、15%、24%(P<0.05)。由此证明，在对小麦幼苗生长的影响中，C毒性最强，而A、D处理浓度大于0.010 g/L、B处理浓度为0.050 g/L时，才表现出明显的抑制作用。

2.3.3 苜蓿、小麦幼苗生长各指标化感指数绝对值 4种自毒物质不同浓度处理下，苜蓿、小麦幼苗生长各指标化感指数均为负值，其绝对值越大说明化感抑制作用越强(表3，4)。苜蓿幼苗生长各指标化感指数的绝对值均随着自毒物质处理浓度升高而呈上升趋势，说明苜蓿幼苗生长受抑制程度逐渐增强；小麦幼苗生长各指标化感指数绝对值在C各处理浓度、A、D处理浓度大于0.010 g/L，B处理浓度大于0.025 g/L后明显增大(图3)。A、B、C、D 4种自毒物质对苜蓿、小麦幼苗生长的抑制强度表现为C最大，B最小，A、D居中，但对苜蓿、小麦幼苗生长的抑制程度有所不同，对小麦幼苗生长的抑制强度较苜蓿幅度轻缓。

图3 不同自毒物质不同浓度时苜蓿、小麦幼苗生长的各指标化感指数绝对值Fig.3 The absolute value of allelopathic index of alfalfa and wheat seedling growth at different concentrations of different autotoxic substances

表4 浇灌液浓度处理下小麦的苗高、根长、苗鲜重及根鲜重Table 4 The height (cm),root length (cm),fresh weight (g),fresh weight (g) and of Wheat

2.4 不同自毒物质不同浓度处理时对苜蓿、小麦根系活力的影响

自毒物质对苜蓿根系活力的损伤大于小麦。0.005 g/L处理后，苜蓿根系活力在A、B作用下与CK差异不显著(P<0.05)，在C、D作用下明显低于CK 21%、17%(P>0.05)；0.010,0.025和0.050 g/L处理后，苜蓿根系活力在A、B、C、D作用下随浓度增加而降低，其中C降低最多，分别显著低于CK 33%，38%和47%(P>0.05)。小麦根系活力在A、B、D作用下，处理浓度超过0.010 g/L后，根系活力开始显著降低；在C作用随着处理浓度的增加而降低，0.005、0.010、0.025、0.050 g/L处理后，小麦根系活力分别显著低于CK 11%、12%、15%、24%(P>0.05)。结果表明，在对苜蓿、小麦根系活力的影响，自毒物质毒性强弱表现为C>D>A>B，A、B、D只有处理浓度大于0.010 g/L之后才会对小麦的根系造成损害(图4)。

3 讨论

自毒作用普遍存在于豆科，禾本科以及其他作物中，连作障碍使农作物产量受损从而造成了很大的经济损失。Miller D A[24]研究发现，苜蓿素能显著降低苜蓿种子发芽率(降低59%)[24]。有研究发现经香豆素处理后，稗草(Echinochloacrusgalli)根的伸长显著受抑制[25]。吴凤芝等[26]研究发现羟基苯甲酸对黄瓜幼苗的生长有抑制作用，且随处理浓度的增加而增强。曹光球等[27]研究发现肉桂酸对绿豆、大豆、黄瓜种子发芽表现为高浓度抑制萌发和生长，随浓度的降低其抑制作用逐渐减弱，也有研究发现肉桂酸使小豆根系生长减弱、根系活力下降，从而导致小豆产量降低[28]。从发芽指数，化感指数及根系活力3个方面系统研究了肉桂酸、羟基苯甲酸、香豆素和苜蓿素对苜蓿、小麦生长发育的影响，结果显示苜蓿发芽指数、种子萌发、幼苗生长及根系活力均随着自毒物质处理浓度的增加而降低，自毒效应明显，说明肉桂酸、羟基苯甲酸、香豆素和苜蓿素是造成苜蓿连作障碍的主要自毒物质；对小麦生长发育的影响中，香豆素对小麦发芽指数、种子萌发和幼苗生长及根系活力的抑制作用具有明显的浓度效应，羟基苯甲酸、肉桂酸、苜蓿素在处理浓度大于0.010 g/L之后对小麦生长发育表现出抑制作用，但小麦总体受抑制程度远小于苜蓿，说明4种自毒物质在苜蓿、小麦体内的含量不尽相同，研究发现[29-30]，苜蓿、小麦所含自毒物质的种类有所差异。这一结果为苜蓿、小麦连作障碍研究提供了一定实践基础。荣思川等[31]研究结果表明4-羟基苯甲酸、香豆素、绿原酸、阿魏酸、咖啡酸、L-刀豆氨酸6种自毒物质对苜蓿的种子萌发和幼苗生长均有抑制作用。研究发现香豆素对多花黑麦草、稗草、萹蓄、红三叶、紫花苜蓿、黄花草木樨等植物具有很强的抑制作用，但对不同植物的作用强度存在较大差异[32-33]。试验结果表明，对苜蓿和小麦生长发育的抑制作用中，香豆素毒性最强；羟基苯甲酸毒性最弱；肉桂酸和苜蓿素毒性居中，4种自毒物质使苜蓿生长发育的受抑程度远强于小麦，说明甘农2号苜蓿和陇春BJ103小麦自身都含有供试的4种自毒物质，苜蓿小麦轮作后，这些物质必将会形成积累，对后茬作物的生长造成不利影响，所以对轮作苜蓿、小麦品种的筛选尤为重要。

图4 浇灌液浓度处理下苜蓿、小麦根系的活力Fig.4 Root activity of alfalfa and wheat seeds treated with irrigation solution