化感小麥根系分泌物對(duì)看麥娘生長及保護(hù)酶活性的影響

邱秋金， 洪 涌， 肖清鐵， 林瑞余

(1.莆田學(xué)院基礎(chǔ)教育學(xué)院，福建仙游351200；2.福建省農(nóng)業(yè)生態(tài)過程與安全監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室／福建農(nóng)林大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，福建福州350002；3.福建農(nóng)林大學(xué)作物生態(tài)與分子生理學(xué)福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建福州350002)

作物化感作用在控制田間雜草方面具有廣闊的應(yīng)用前景[1-3].植物可以通過自身代謝產(chǎn)生的化感物質(zhì)，抑制伴生雜草的萌發(fā)與生長[4-6]，影響礦質(zhì)元素和水分的吸收[7-8]，改變光合作用／呼吸作用速率[9-10]，誘導(dǎo)或抑制蛋白質(zhì)合成[11]，改變細(xì)胞膜的滲透性與完整性[11-14]，打破體內(nèi)類脂、有機(jī)酸代謝過程[8]以及體內(nèi)激素平衡[15]等產(chǎn)生化感效應(yīng).Fang at al[16]研究表明，稗草在應(yīng)答水稻化感脅迫時(shí)，與植物激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、核苷酸切除修復(fù)、過氧化物酶體增殖活性受體以及p53信號(hào)通路相關(guān)的miRNAs表達(dá)增強(qiáng)，以水稻分泌產(chǎn)生的酚酸處理稗草，發(fā)生了類似的結(jié)果，表明植物在感受化感脅迫時(shí)，產(chǎn)生了積極的應(yīng)答，供體植物的根系分泌物等參與了化感作用，產(chǎn)生了化感效應(yīng).一些研究表明[3，12，17]，小麥根系分泌及腐解產(chǎn)生的糖甙羥基肟酸、脂肪酸、酚酸等物質(zhì)，可對(duì)毗鄰的其它植物產(chǎn)生顯著的化感作用.馬亞飛等[18]發(fā)現(xiàn)小麥根系分泌物可以顯著促進(jìn)黃瓜（Cucumis sativus）的種子萌發(fā)與幼苗生長；劉小民等[19]研究表明，小麥秸稈水浸提液顯著地抑制了白茅（Imperata cylindrical） 、馬唐（Digitada sanguinalis）、牛筋草（Eleusine indica）等多種雜草的發(fā)芽及幼苗生長.小麥對(duì)看麥娘（Alopecurus aequalis）化感作用的研究還比較少[20-22].看麥娘是我國農(nóng)田危害面積較大的雜草之一，嚴(yán)重干擾夏收作物小麥、油菜等的生產(chǎn)，降低作物產(chǎn)量與品質(zhì)[20]，利用化感作用控制看麥娘可大量減少除草劑的施用，有利于農(nóng)田環(huán)境保護(hù)[20-22].已有研究表明[20-21]，化感小麥植株及根際土壤浸提物可以降低看麥娘的根系活力，減少發(fā)根數(shù)、縮短根長[22]，改變體內(nèi)保護(hù)酶系統(tǒng)平衡.化感小麥根系分泌物能夠抑制看麥娘葉片生長相關(guān)的內(nèi)源激素含量，提高脫落酸含量，導(dǎo)致植物生長受抑[15].但有關(guān)小麥根系分泌物影響看麥娘生長的生理特性研究鮮見報(bào)道[15-18].為此，本研究通過分析沙培小麥根系分泌物對(duì)看麥娘生長及SOD、POD、PAL活性等的影響，為深入了解小麥化感作用機(jī)理提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 材料

強(qiáng)化感小麥“92L89”、弱化感小麥“抗10103”分別來自福建省建陽農(nóng)科所和中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，供試看麥娘幼苗取自福建農(nóng)林大學(xué)教學(xué)農(nóng)場(chǎng).試驗(yàn)處理參照文獻(xiàn)[15].取聚乙烯塑料盆（長45 cm、寬35 cm、高15 cm）12個(gè)，每盆分裝潔凈的河沙8 kg.2種小麥種子經(jīng)消毒并催芽萌發(fā)后，沙培于塑料盆中，設(shè)置4種處理，即每盆種植0（CK）、10、20、30株，種植期間適時(shí)定量澆水，未進(jìn)行人工光溫控制.在小麥生長40 d后，取出植株，沙培基質(zhì)混勻后用于種植看麥娘，每盆均勻種植看麥娘幼苗20株，各試驗(yàn)3次重復(fù).沙培處理7 d后采樣測(cè)定各指標(biāo).

1.2 方法

看麥娘根長、株高采用米尺測(cè)定；根系活力、MDA含量、SOD活性、POD活性測(cè)定參照文獻(xiàn)[20].PAL活性測(cè)定參照文獻(xiàn)[23]，略作修改.準(zhǔn)確取小麥葉片0.5 g，加入10 mL 5 mmol·L-1經(jīng)預(yù)冷的巰基乙醇—硼酸緩沖液、0.5 g聚乙烯吡咯烷酮、并加入少量石英砂，研磨均勻.勻漿抽氣過濾后，濾液在4℃下10000 r·min-1離心15 min，上清液即為供試的酶粗提液.取1 mL酶液，加1 mL 0.02 mol·L-1苯丙氨酸，2 m L蒸餾水，反應(yīng)液的終體積為4 mL.對(duì)照以1mL蒸餾水代替酶液，定容后的反應(yīng)液置于30℃恒溫水浴中保溫30 min后，測(cè)定290 nm處的光密度，以1 h在290 nm處光密度變化0.01所需的酶量為1個(gè)單位（相當(dāng)于1 mL反應(yīng)混合物形成1 μg肉桂酸）.

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

小麥根系分泌物對(duì)看麥娘的化感效應(yīng)以抑制率（inhibitory rate，IR）表示，即IR＝[（CK-TR）／CK]×100%，TR：處理，CK：對(duì)照.IR＞0表示為抑制作用.數(shù)據(jù)處理采用Microsoft Excel 2010進(jìn)行，統(tǒng)計(jì)分析采用DPS 7.0軟件完成，采用LSD法進(jìn)行數(shù)據(jù)差異顯著性檢驗(yàn)（P＝0.05）.

2 結(jié)果與分析

2.1 化感小麥根系分泌物對(duì)看麥娘根長、株高生長的影響

化感小麥殘留的根系分泌物顯著抑制了看麥娘根的生長，抑制效應(yīng)隨小麥密度的增大而增強(qiáng)（圖1A）.與對(duì)照相比（根長8.6 cm），種植10、20、30株強(qiáng)化感小麥處理的看麥娘根長抑制率依次為23.3%、27.9%、41.9%，弱化感小麥的抑制率依次為 16.3%、25.6%、32.6%.種植 30 株強(qiáng)化感小麥處理的看麥娘根長顯著小于弱化感小麥處理.

與對(duì)照株高（29.5 cm）相比，強(qiáng)化感小麥根系分泌物顯著抑制看麥娘株高生長，種植10、20、30株的強(qiáng)化感小麥處理對(duì)看麥娘株高的抑制率依次為21.7%、31.2%、53.2%，不同密度弱化感小麥處理間無顯著差異，抑制率4.4%～12.3%，較高密度弱化感小麥處理亦表現(xiàn)出顯著的抑制效應(yīng)，但抑制率顯著低于強(qiáng)化感小麥（圖1B）.

圖1 不同密度化感小麥處理下看麥娘的根長與株高Fig.1 Root length and plant height of A.aequalis treated with exudates from allelopathic wheat under different planting densities

2.2 化感小麥根系分泌物對(duì)看麥娘根系活力的影響

與對(duì)照根系活力（TTC，221.3 μg·g-1·min-1）相比，化感小麥根系分泌物的存在顯著降低了看麥娘的根系活力，抑制效應(yīng)隨種植密度的增大而增強(qiáng)（圖2）.強(qiáng)化感小麥處理的根系活力在121.4～154.1 μg·g-1·min-1之間，顯著低于弱化感小麥處理（143.2～194.6 μg·g-1·min-1）.種植 10、20、30 株強(qiáng)化感小麥處理的抑制率依次為 30.4%、34.4%、45.1%，顯著高于相應(yīng)密度弱化感小麥處理的28.2%、26.4%、25.9%.

圖2 不同密度化感小麥處理下看麥娘的根系活力及抑制率Fig.2 Root vigor and inhibition rate of A.aequalis treated with exudates from allelopathic wheat under different planting densities

2.3 化感小麥根系分泌物對(duì)看麥娘葉片SOD、POD、PAL酶活性及MDA含量的影響

種植化感小麥處理顯著提高了看麥娘葉片的SOD、POD、PAL酶活性及MDA含量，促進(jìn)效應(yīng)隨小麥密度的增大而增強(qiáng)（圖3A～3D）.密度為10、20、30株強(qiáng)化感小麥處理的SOD活性依次比對(duì)照（124.6 μg·g-1·min-1）高 27.8%、37.7%、42.8%，相應(yīng)密度弱化感小麥處理的 SOD 活性比對(duì)照高 5.4%、15.0%、26.6%，種植10株弱化感小麥處理與對(duì)照無顯著差異（圖3A）.種植10、20、30株強(qiáng)化感小麥處理的看麥娘葉片 POD 活性依次為 88.8、92.8、132.9 μg·g-1·min-1，分別比對(duì)照（75.0 μg·g-1·min-1）提高了 18.4%、23.7%、77.1%，弱化感小麥處理的對(duì)應(yīng)地提高了9.6%、16.8%、24.7%，強(qiáng)化感小麥顯示出比弱化感小麥更強(qiáng)的促進(jìn)效應(yīng)（圖3B）.種植 10、20、30 株強(qiáng)化感小麥處理的看麥娘 PAL 活性依次為 69.9、82.3、88.6 μg·g-1·min-1，分別比對(duì)照（52.1 μg·g-1·min-1）高出 34.2%、58.0%、70.1%，弱化感小麥處理相應(yīng)地提高了7.9%、17.7%、41.1%，而種植 10 株弱化感小麥處理與對(duì)照無顯著差異（圖3C）.種植 10、20、30 株強(qiáng)化感小麥處理的看麥娘 MDA 含量依次為 6.5、7.8、8.9 μmol·g-1，分別比對(duì)照（5.0 μmol·g-1） 提高 30.0%、56.0%、78.0%，種植 10、20、30 株弱化感小麥處理的看麥娘葉片 MDA 含量依次為 5.7、7.0、7.7 μmol·g-1，比對(duì)照分別提高14.0%、40.0%、54.0%.強(qiáng)化感小麥顯示出更強(qiáng)的抑制提高看麥娘保護(hù)酶活性及導(dǎo)致膜脂過氧化作用（圖3D）.

3 結(jié)論與討論

根系是植物重要的養(yǎng)分吸收器官，通過抑制伴生植物根系的生長，可以實(shí)現(xiàn)植物的化感抑制效應(yīng)[7].植物根系分泌、凋亡與分解產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)種類眾多、性質(zhì)各異，許多產(chǎn)物也是重要的化感物質(zhì)[16-17].強(qiáng)化感小麥根系殘留在沙培基質(zhì)的分泌物對(duì)看麥娘的根長、根系活力具有顯著的抑制作用（圖1、圖2），抑制效應(yīng)亦顯著高于弱化感小麥‘抗10103’，結(jié)果與化感小麥對(duì)看麥娘發(fā)根力的影響一致[15]，也進(jìn)一步證實(shí)了不同小麥品種間的化感潛力存在差異[24]，這種差異與不同小麥品種根系分泌物的化學(xué)組成含量不同有關(guān)[17].保護(hù)酶系統(tǒng)在植物應(yīng)答與適應(yīng)逆境脅迫中具有重要作用.逆境條件下，植物可通過增強(qiáng)保護(hù)酶的活性、合成抗氧化物質(zhì)等途徑防止ROS毒害[25].研究表明，看麥娘種植在含化感小麥根系分泌物的沙培基質(zhì)中，導(dǎo)致葉片SOD與POD活性增強(qiáng)、MDA含量升高（圖3），這與在小麥根浸提液處理下，看麥娘葉片可溶性蛋白含量上升，保護(hù)酶SOD、POD和CAT活性增強(qiáng)，細(xì)胞的脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物MDA含量升高的表現(xiàn)一致[20]，也與根系分泌物抑制了看麥娘葉片和根系中的細(xì)胞分裂素、吲哚乙酸、赤霉素含量，提高了脫落酸含量的結(jié)果相一致[15].PAL是苯丙烷類化合物代謝的關(guān)鍵限速酶，在次生代謝物合成中具有重要作用，PAL參與合成的類黃酮具有很強(qiáng)的自由基清除活性，參與合成的酚酸類物質(zhì)也與植物抗氧化、抗菌、抗病等有關(guān)，PAL活性的提高有利于類黃酮、酚酸類等物質(zhì)的合成，可以提高ROS清除能力，減輕細(xì)胞的氧化損傷，從而提高抗性[26].根系分泌物處理下的看麥娘PAL活性顯著增強(qiáng)，與其葉片和根系的總酚、類黃酮含量顯著升高相一致[17].因此，化感小麥根系分泌物的存在刺激了看麥娘抗氧化物質(zhì)代謝增強(qiáng)，誘導(dǎo)其增強(qiáng)抗性，同時(shí)增加其防御的能量消耗，抑制了伴生雜草的生長.