燕麦种子不同部位浸提液对油菜的化感效应

黎 蓉， 慕 平， 赵桂琴， 柴继宽， 金小雯， 苟智强， 李娟宁， 孙浩洋

(1.甘肃农业大学草业学院/草业生态系统教育部重点试验室/甘肃省草业工程试验室/中-美草地畜牧业可持续发展研究中心， 甘肃 兰州730070；2. 甘肃农业大学农学院， 甘肃 兰州 730070)

燕麦(Avenasativa)广泛种植于我国北方地区，是主要的一年生粮饲兼用作物[1]，但其长期单一的种植结构，已经严重影响到燕麦的品质和产量，造成连作困难。因此农业生产中通常将燕麦与油菜(Brassicanapus)、马铃薯(Solanumtuberosum)等作物轮作或倒茬种植来减少损失。但油菜在成熟和收获过程中容易裂荚，种子落入土壤长出的自生苗容易成为下茬燕麦田间的优势杂草，通过与燕麦竞争光照、水分、养料和地上地下空间，成为限制燕麦产量和品质的主要因子。因此研究燕麦与油菜之间的生物化学作用，对燕麦的生产具有重要意义。

化感作用是指活体植物或植物组织通过向环境中释放能直接或间接影响同种或者异种植物种子萌发和幼苗生长的特定物质，并产生促进或抑制的作用，但在大多情况下表现抑制作用[2]。研究发现，一些有性繁殖的植物种子在其萌发阶段能释放出大量影响邻近环境中微生物或者其他植物的物质[3]。猫爪草(RadixRanunculi)种子浸提液对小麦(Triticumaestivum)种子萌发表现出低浓度促进高浓度抑制的效应，对苏丹草(Sorghumsudanense)表现促进效应，对野大豆(Glycinesoja)为抑制效应[4]。另有研究显示，宽叶羌活(Notopterygiumforbesii)、唐古特白刺(Nitrariatangutorum)和南方红豆杉(Taxuschinensis)等种子释放的化感物质也均具有抑制其他植物种子萌发的特性[5-7]。此外，一些禾本科植物种子的颖壳中也具有能抑制杂草种子萌发的化感物质，如：水稻(Oryzasativa)颖壳中的关键化感物质稻壳酮B，能显著抑制杂草种子萌发[8]。早在上世纪60年代中旬，就有相关研究证实一些燕麦也具有化感潜力，Guenzi等[9]在燕麦残茬中发现了能抑制邻近植物地上部分的生长酚酸类物质。Duke[10]研究表明这些酚酸类物质被作为不同植物生理和生化过程的抑制剂。也有研究发现一些燕麦种子中也含有某些能影响植物生长发育的化合物，如80%乙醇浸提液对高羊茅(Festucaelata)、多年生黑麦草(Loliumperenne)和白三叶(Trifoliumrepens)种子萌发表现出低浓度促进、高浓度抑制的效应[11]，但关于其去壳种子和颖壳的化感作用未见针对性报道。

鉴于此，本文以陇燕3号的完整种子、去壳种子、颖壳为供体材料，研究其水浸提液对油菜种子萌发和幼苗生长的影响，明确燕麦种子不同部位水浸提液的化感作用机制，为燕麦在该领域的研究提供一定参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验所用燕麦品种为陇燕3号皮燕麦(Avenasativa‘Longyan No.3’)，受试材料为油菜，均由甘肃农业大学草业学院提供。

1.2 试验方法

浸提液制备：参照董林林等[12]的方法，采用水浸提法，在前期燕麦种子浸提液浓度预试验的基础上，准确称取32 g用2%次氯酸钠已消毒的燕麦种子两份，取其中一份将颖壳剥下，称重为10 g。然后将完整种子、去壳种子和颖壳粉碎并分别装入三角瓶，加100 mL无菌水，先用超声波(40 kHz，150 W，30 min)辅助浸提，然后置于室温下浸提24 h，浸提期间手摇6～7次。浸提结束后用两层纱布过滤，再将滤液进行二次抽滤，即得到质量浓度分别为320 mg·mL-1，220 mg·mL-1和100 mg·mL-1的完整种子、去壳种子以及颖壳浸提液。将3种浸提液分别用无菌水对半稀释，共稀释5次，即分别得到浓度依次为160 mg·mL-1，80 mg·mL-1，40 mg·mL-1，20 mg·mL-1和10 mg·mL-1的完整种子浸提液，110 mg·mL-1，55 mg·mL-1，27.5 mg·mL-1，13.75 mg·mL-1和6.88 mg·mL-1的去壳种子浸提液，以及50 mg·mL-1，25 mg·mL-1，12.5 mg·mL-1，6.25 mg·mL-1和3.12 mg·mL-1的颖壳浸提液。4℃储存备用。

浸提液生物活性测定：将油菜种子用2%次氯酸钠消毒15 min，再用无菌水反复冲洗5～6次，晾干备用。采用培养皿(直径9 cm)滤纸发芽法，于培养皿中铺入两层滤纸，分别加入5 mL不同浓度的浸提液，对照加5 mL无菌水，各处理均重复3次。然后均匀放置50粒油菜种子，置于智能光照培养箱中(温度25℃±1℃，湿度50%，16 h/8 h光暗周期)。每天同一时间统计油菜种子发芽数(种子发芽以胚根长≥1 mm为标准)，每隔3 d补加2 mL的浸提液或无菌水。7 d结束发芽，每皿随机拔出10株完整油菜幼苗，采用精确度为0.01的游标卡尺测定其根长和芽长。

1.3 燕麦种子水浸提液化感潜力评价

发芽率=(发芽种子数/供试种子数)×100%

参照田迎迎[13]和刘艳等[14]方法，采用萌发速度指数(I)对油菜种子萌发结果进行评价。

(I)= 2×(7X1+6X2+5X3+4X4+3X5+2X6+X7)

I：萌发速度指数；X：每隔24 h杂草种子发芽数。

化感效应指数：参照Williamson等[15]对化感效应的评价方法对燕麦完整种子、去壳种子、颖壳水浸提液的化感潜力进行评价，用化感作用效应指数(Response index，RI)评价化感作用的强弱。

RI=1-C/T，T≥C；RI=T/C-1，T

当RI≥0时，为促进作用；当RI<0时，为抑制作用，RI绝对值的大小与作用强度一致。式中，C为对照值，T为处理值。

综合效应(Synthetical effect，SE)：是供体对同一受体各项指标(油菜种子发芽率、萌发速度指数、幼苗根长、芽长)RI值的算数平均值，用SE绝对值大小综合评价化感作用强度。

1.4 数据分析

试验数据采用Excel 2010进行数据分析，用SPSS 19.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 燕麦种子不同部位浸提液对油菜种子萌发及幼苗生长的影响

种子萌发是植物生命周期中的关键阶段，对植物生长发育至关重要。在农业生产中，种子萌发率和萌发速度指数降低，以及幼苗非正常生长都会导致作物有效株数下降,进而导致产量降低[16]。表1表明，完整种子浸提液对油菜种子萌发和幼苗生长产生显著影响。10 mg·mL-1时对其发芽率无明显影响，但其萌发速度指数、根长和芽长均受到明显促进作用。20 mg·mL-1和 40 mg·mL-1时对其萌发速度指数和芽长为促进作用，对发芽率和根长为抑制作用，出现“根短芽长”的现象。80 mg·mL-1和160 mg·mL-1时对其发芽率、萌发速度指数和根的生长均表现出显著抑制作用，对其芽长表现为促进作用，但较20 mg·mL-1和 40 mg·mL-1时有所减弱。320 mg·mL-1时发芽率、萌发速度指数、根长和芽长均受到显著抑制作用，分别较对照降低97.66%，98.91%，84.19%和43.55%。

去壳种子浸提液对油菜萌发指标的影响各异(表2)，浸提液浓度为6.88 mg·mL-1时根长较对照增加2.24%；13.75 mg·mL-1时芽长较对照增加24.21%，其他指标没有受到显著影响；27.5 mg·mL-1时，其发芽率没有受到显著影响，萌发速度指数和根长均被抑制，分别较对照降低7.58%和3.80%，其芽长则较对照增加26.46%。55～220 mg·mL-1浸提液浓度下，其种子萌发和幼苗根长均受到显著抑制，并随浸提液浓度增加抑制作用增强；对芽长为促进作用，且出现“根短芽长”的现象。

表1 完整种子浸提液对油菜种子萌发和幼苗生长的影响Table1 Effect of whole seed extract on the seed germination and seedling growth of rapeseed

注：同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，下同

Note:Different lowercase letters in the same column indicate significant difference at the 0.05 level, The same as below

表2 去壳种子浸提液对油菜种子萌发和幼苗生长的影响Table 2 Effect of dehulled seed extract on the seed germination and seedling growth of rapeseed

不同浓度颖壳浸提液处理均显著影响油菜各萌发指标(表3)。发芽率、萌发速度指数、根长均被抑制，且随着浸提液浓度增加抑制作用增强；芽的生长则随浸提液浓度的增加而增长，也出现“根短芽长”的现象。100 mg·mL-1颖壳浸提液对各指标的影响均最大，发芽率、萌发速度指数、根长分别较对照降低37.50%，50.66%和47.29%；芽长则较对照增加66.26%。

表3 颖壳浸提液对油菜种子萌发和幼苗生长的影响Table 3 Effect of hull extract on the seed germination and seedling growth of rapeseed

2.2 燕麦种子不同部位浸提液对油菜的化感综合效应

燕麦种子不同部位浸提液及其浓度对油菜的化感强度差异显著(表4)。不同浓度的完整种子浸提液对油菜种子发芽率、萌发速度指数、根长和芽长的化感效应指数均呈现随浸提液浓度的增大而减小的趋势，其综合效应也随之减小(表5)。在完整种子浸提液处理下，油菜种子发芽率和萌发速度指数的化感效应在低浓度(10～40 mg·mL-1)浸提液处理下为正值，表现为促进作用；高浓度(80～320 mg·mL-1)处理下则表现抑制作用；且抑制强度大于促进强度，其对油菜幼苗芽长的影响也具有低浓度促进高浓度抑制的浓度效应。在20～160 mg·mL-1范围内，其对油菜根长的化感效应指数为负值，表现为抑制作用，而对芽长化感效应指数为正值，表现为促进作用。不同浓度完整种子浸提液对油菜的综合效应在浓度为10～40 mg·mL-1范围内均为正值；在80～320 mg·mL-1范围内则为负值，表现为低浓度促进高浓度抑制的双重效应。

表4 燕麦种子不同部位浸提液及其浓度的方差分析(ANOVA)Table 4 Analysis of variance (ANOVA) of extracts from different parts of oat seeds and their concentrations

注：A因子：燕麦种子不同部位浸提液；B因子：浸提液浓度

Note:Factor A:extract of different parts of oat seeds;factor B:concentration of extract

表5 完整种子浸提液对油菜的化感综合效应Table 5 Allelopathic synthetical effects of whole seed extract on rapeseed

由表6可知，不同浓度去壳种子浸提液对油菜种子萌发也具有显著影响。油菜种子发芽率、萌发速度指数、根长的化感效应指数随浸提液浓度的增加总体呈下降趋势，浓度最大(220 mg·mL-1)时化感效应指数最小(分别为-0.53，-0.69和-0.54)。但芽长的化感效应指数变化趋势不同，其化感效应指数均为正值，且随浸提液浓度的增加表现出先升后降的趋势，浓度为55 mg·mL-1时对幼苗芽长的化感效应指数最大，为0.34，随后下降。综合效应指数随浸提液浓度升高呈先升后降的趋势，在浓度为13.75 mg·mL-1时达到最大，随后下降，最小为-0.42。

表6 去壳种子浸提液对油菜的化感综合效应Table 6 Allelopathic synthetical effects of dehulled seed extract on rapeseed

表7 颖壳浸提液对油菜的化感综合效应Table 7 Allelopathic synthetical effects of hull extract on rapeseed

不同浓度颖壳浸提液对油菜的化感综合效应也存在显著差异(表7)。与去壳种子的化感效应相似，随着燕麦颖壳浸提液浓度逐渐增加，油菜种子发芽率、萌发速度指数和根长的化感效应指数也呈明显下降趋势。在浓度为100 mg·mL-1时化感效应指数最小，分别为-0.38,-0.51和-0.47。芽长的化感效应指数均为正值，表现促进作用，而且这一作用随燕麦颖壳浸提液浓度的增加而增大，最大浓度下化感效应指数为0.40。综合效应随浸提液浓度增加总体呈下降趋势，最大浓度时综合效应指数为-0.24。

3 讨论

自然界中植物的各个组织器官(根系、茎叶、种子和花粉等)都具有向环境释放化感物质的潜力，这些物质主要为其自身的次生代谢物质，可通过雨雾淋溶、茎叶表面挥发、根系分泌和残株分解等方式进入环境[17]，因此常温下用水作为浸提剂最能反应植物化感物质进入环境的真实情况。鉴于此，本研究采用常温下水浸提法分别提取燕麦完整种子、去壳种子和颖壳中的化感潜力物质，研究不同浓度浸提液对油菜种子萌发的化感作用。结果表明，完整燕麦种子水浸提液对油菜有强烈的化感作用，而去壳种子和颖壳水浸提液的化感活性较弱，这可能是由于化感作用具有加合效应所致，当燕麦种子和颖壳中的化感物质共存时对油菜种子萌发和幼苗生长的抑制会增强，但当两者分别作用油菜时抑制作用减弱。一些研究也有同样的发现，番茄(Lycopersiconesculentum)的化感物质邻苯二甲酸二丁酯和水杨酸甲酯分开作用萝卜(Raphanussativus)、白菜(Brassicapekinensis)和生菜(Lactucasativa)时，其化感效应不显著，但当两者混合时化感效应较强[18]。化感物质邻苯三酸和咖啡酸抑制铜绿微囊藻的协同效应强于其单独作用[19]。佛手内酯和花椒毒素同时存在时，对甜菜夜蛾的抑制表现为加合效应，但其分别与补骨脂素共用或是三者同时存在时则表现为拮抗效应[20]。

本研结果表明，3种浸提液均对油菜种子的萌发具有抑制作用，这可能是由于其浸提液中的一些化感潜力物质抑制了油菜种胚的生长，导致其细胞结构被破坏，从而使其萌发受阻[21]。根的生长也受到了强烈地抑制作用，这可能是因为燕麦化感物质阻碍了油菜胚根顶端分生组织细胞的增殖，从而导致根的生长被抑制[22]，也可能是因为油菜幼苗的根对燕麦化感物质较为敏感，在受到刺激后产生躲避效应，从而减缓了生长[23]。本研究发现完整种子浸提液对油菜芽的生长表现低浓度促进高浓度抑制的作用，而去壳种子和颖壳浸提液在所有浓度下均促进其芽的生长，这可能是因为油菜幼苗根的生长受限后营养物质转运到芽，进而促进了芽生长[24]，表明不同部位浸提液中的化感物质对油菜种子萌发的化感作用不同。

本研究发现燕麦颖壳水浸提液能抑制油菜种子萌发和幼苗根的生长，证明燕麦颖壳中含有能抑制油菜的化感潜力物质。同样的结果在其他禾本科植物中已有报道，如水稻颖壳中含有大量能抑制种子萌发的物质[25]；Kato-Noguchi等[26]从水稻颖壳中分离出了化感物质稻壳酮A和稻壳酮B，并证明其可以抑制其他植物种子的萌发，这表明一些带颖壳的禾本科植物种子幼苗萌发破土后，残留的颖壳腐解物可能会影响邻近植物的生长。此外，去壳种子浸提液对油菜也具有一定化感活性，表明皮燕麦的去壳种子和颖壳中均含有对油菜具有化感活性的物质。

本研究中不同部位、不同浓度的浸提液对油菜种子的化感综合效应差异显著(P<0.05)。燕麦完整种子浸提液对油菜的综合效应表现为低浓度促进，高浓度抑制的双重效应，这一现象在其他植物上也有报道，紫茎泽兰(Eupatoriumadenophorum)叶片水浸提液对无芒虎尾草(Chlorisgayana)、紫花大翼豆(Macroptiliumatropurpureum)、细叶苦荬(Ixerisgracilias)和金盏银盘(Bidensbiternata)等10种植物均具有化感作用，且化感强度随其浸提液浓度的增加而加强[27]；金银忍冬(Loniceramaackii)叶片和根的水浸提液对葱芥(Alliariapetiolata)和拟南芥(Arabidopsisthaliana)种子的萌发均具抑制作用，且随浓度的增加而加强[28]；铁杆蒿(Artemisiasacrorum)枯落物提取液对红豆草(Onobrychisviciifolia)、沙打旺(AstragalusadsurgensPall.)、百脉根(Lotuscorniculatus)和紫花苜蓿(Medicagosativa)种子萌发的化感效应总体上也呈现“低促高抑”的规律[29]。本研究中，低浓度的燕麦去壳种子和颖壳浸提液对油菜的化感活性较弱，但在高浓度时表现较强抑制作用，可能是因为去壳种子和颖壳中所含化感物质的种类和数量不同所致，一些研究也有类似的发现，同一植物不同部位化感物质对受试植物的化感作用存在一定的差异，如加拿大一枝黄花(Solidagocanadensis)地上部的水浸提液能显著抑制莴苣(Lactucasativa)和萝卜种子的萌发，但其根部浸提液的抑制作用不明显[30]。生姜(Zingiberofficinale)茎和叶的水浸提液均能抑制大豆(Glycinemax)及北葱(Alliumschoenoprasum)种子萌发，但不同部位的水浸提液对两种植物种子的抑制作用差异显著[31]，这表明各浸提液对油菜种子萌发的化感活性与其自身浓度和组织部位有关。

4 结论

燕麦种子不同部位均含有能够抑制油菜种子萌发和幼苗生长的化感物质。完整种子、去壳种子和颖壳浸提液原液对油菜的综合效应均为负值，表现为抑制作用。燕麦完整种子的水浸提液对油菜的综合效应表现为低浓度促进高浓度抑制的效应，去壳种子和颖壳的水浸提液对油菜幼苗根的生长表现为抑制作用，对芽表现为促进作用。