薇甘菊葉片水提液對土壤鉀素活化及酶活性的影響

歐巧菁， 楊 悅， 梁偉杰， 孫 鋒， 彭長連

(廣東省植物發(fā)育生物工程重點實驗室∥華南師范大學生命科學學院， 廣州 510631)

入侵植物可通過根系或者凋落物分泌新的化感物質(zhì)于入侵地中，這些化感物質(zhì)具有抑制本地植物生長的作用，或作為入侵植物-土壤微生物群落相互作用的媒介來掠奪土壤養(yǎng)分資源[1-2]. 近年來，對于蔥芥(Alliariapetiolata)、火炬樹(Rhustyphina)和銀荊(Acaciadealbata)等入侵植物的研究也表明，入侵植物分泌的化感物質(zhì)能活化土壤氮、磷養(yǎng)分，增加入侵力[3-5].

本課題組通過野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)：本地植物火炭母(Polygonumchinense)為薇甘菊的伴生植物. 火炭母是多年生的廖科廖屬的草本植物，具有根狀莖，直立或匍匐生長；廣泛分布于福建、廣東和廣西等地區(qū)[17]. 因此本研究以薇甘菊的伴生植物火炭母為對照植物，探究薇甘菊葉片水提液對薇甘菊與火炭母根際土壤的解鉀菌、土壤速效鉀、土壤酶活性和植物鉀質(zhì)量分數(shù)的影響，為揭示薇甘菊入侵的地下生物學機制提供實驗基礎.

1 材料與方法

1.1 植物幼苗培育

將薇甘菊與火炭母的種子于1% NaClO中消毒10 min，用超純水清洗3次，將種子置于育苗盆中，28±2 ℃培育2個月. 取高15 cm且長勢一致的薇甘菊和火炭母幼苗分別種植于無孔花盆中(直徑12 cm，高13 cm)，盆中放入600 g已過2 mm篩并混勻的鮮土，每盆分別種植一株薇甘菊或火炭母幼苗，所有植株均在溫室中培養(yǎng)；種植時間為2018年4月24日.

1.2 薇甘菊葉片水提液制備和添加

將野外采集、自然風干的薇甘菊葉片粉碎，并過2 mm篩處理. 取過篩后的薇甘菊葉片粉末24 g，加入1 600 mL超純水，攪拌均勻后于25 ℃下浸提 2 d；浸提結(jié)束后，將懸濁液過濾2次，過濾液即為薇甘菊葉片水提液(質(zhì)量濃度為15.00 g/L)；加入超純水依次稀釋得到0、3.75、7.50 g/L的薇甘菊葉片水提液，置于4 ℃下保存[7]. 每天早上8:00—9:00分別添加50 mL不同質(zhì)量濃度的薇甘菊葉片水提液于薇甘菊與火炭母單種的盆中，每個質(zhì)量濃度4個重復.

1.3 植物與根際土壤的收集及制備

培養(yǎng)1個月后，分別收集薇甘菊與火炭母的地上部分(葉與莖)和地下部分(根系). 同時，在收集薇甘菊與火炭母的根系時，分別用抖落法采集薇甘菊與火炭母的根際土壤[18]. 2種植物的根際土壤中一部分自然風干，風干后的土壤過2 mm篩，測定土壤pH和速效鉀的質(zhì)量分數(shù)；另一部分的根際土壤過 2 mm篩，置于4 ℃保存，測定含水量、土壤解鉀菌及土壤酶活性.

1.4 植物與土壤的鉀質(zhì)量分數(shù)的測定

薇甘菊與火炭母植株的地上部分和地下部分于75 ℃烘干至恒質(zhì)量，稱量植物干質(zhì)量. 烘干的薇甘菊與火炭母植物樣品用H2SO4-H2O2法消煮，分別測定2種植物地上部分、地下部分及總生物量的鉀質(zhì)量分數(shù)[19]. 稱取5.0 g已過2 mm篩的薇甘菊與火炭母風干根際土壤，采用乙酸銨浸提法測定土壤速效鉀質(zhì)量分數(shù)[19].

1.5 土壤pH與酶活性的測定

分別稱取20 g薇甘菊與火炭母根際土壤(過2 mm篩的鮮土)，105 ℃烘干至恒質(zhì)量，稱量土壤干質(zhì)量，計算薇甘菊與火炭母根際土壤含水量. 稱取15 g薇甘菊與火炭母風干的根際土壤(2 mm)，按15∶1(m/V)加入超純水，150 r/min搖動30 min，靜置后測定上清液的pH，即為土壤pH. 采用酪蛋白酸鈉分析方法測定蛋白酶活性；采用對-硝基酚磷酸鈉分析方法測定酸性磷酸酶活性；采用3,5-二硝基水楊酸分析方法測定纖維素酶活性；采用三苯基四唑氯化物分析方法測定脫氫酶活性；采用對-硝基酚-β-D-葡糖苷分析方法測定β-葡糖苷酶活性[20].

1.6 根際土壤解鉀菌數(shù)量的測定

分別稱取薇甘菊與火炭母根際土壤(過2 mm篩的鮮土)5 g，置于裝有45 mL滅菌水的150 mL錐形瓶中. 將上述錐形瓶于150 r/min搖動30 min；加入超純水，將土壤懸濁液梯度稀釋至10-3. 取10-3土壤稀釋液100 μL涂布于解鉀菌培養(yǎng)基，將平板于28±2 ℃黑暗倒置培養(yǎng). 培養(yǎng)7 d后，平板上有透明圈的菌落即為解鉀菌，記錄解鉀菌數(shù)量.

解鉀菌培養(yǎng)基配制[15]：葡萄糖5 g，Ca3(PO4)22.0 g，MgSO4·7H2O 0.05 g，F(xiàn)eCl3·6H2O 0.1 g，CaCO32.0 g，鉀長石粉3.0 g，瓊脂18 g，pH 7.0～7.5.

1.7 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用SPSS l8.0軟件進行統(tǒng)計分析. 本研究包含2個自變量(植物物種與薇甘菊葉片水提液質(zhì)量濃度)，采用雙因素方差分析(Two-Way ANOVA)比較植物物種(薇甘菊與火炭母)、薇甘菊葉片水提液及兩者的相互作用對各測量變量的影響. 采用Origin 8.5軟件對數(shù)據(jù)作圖.

2 結(jié)果與討論

2.1 薇甘菊葉片水提液對土壤pH的影響

薇甘菊葉片水提液顯著影響土壤pH (P<0.01)，隨著薇甘菊葉片水提液質(zhì)量濃度的增加，薇甘菊與火炭母根際土壤的pH顯著地下降(P<0.01)，并在薇甘菊水提液質(zhì)量濃度為15.00 g/L時，pH下降到最低(表1). 土壤pH降低的原因可能是由于薇甘菊葉片水提液中存在較多的可溶性酚酸類物質(zhì). 同時，低的土壤pH有利于促進土壤速效鉀和速效磷的釋放[21].

2.2 薇甘菊葉片水提液對土壤解鉀菌數(shù)量及速效鉀質(zhì)量分數(shù)的影響

薇甘菊葉片水提液對土壤解鉀菌數(shù)量的影響不顯著(P>0.05)，但土壤解鉀菌的物種差異明顯(P<0.01)，薇甘菊根際土壤解鉀菌數(shù)量顯著高于火炭母(圖1A). 薇甘菊葉片水提液顯著影響薇甘菊與火炭母根際土壤的速效鉀質(zhì)量分數(shù)(圖1B，P<0.01). 隨著薇甘菊葉片水提液質(zhì)量濃度的增加，薇甘菊與火炭母速效鉀質(zhì)量分數(shù)均顯著增加；并且在高質(zhì)量濃度(15.00 g/L)的薇甘菊葉片水提液處理下，薇甘菊與火炭母根際土壤速效鉀的質(zhì)量分數(shù)分別是對照處理(0 g/L薇甘菊葉片水提液)的2.53、2.03倍. 本研究只檢測了具有解鉀能力的細菌，但參與土壤解鉀過程的微生物還包含放線菌、真菌等[15]. HAN等[22]

表1 薇甘菊葉片水提液對薇甘菊與火炭母根際土壤pH的影響Table 1 The effect of leaf leachates of M. micrantha on pH in rhizosphere soil of M. micrantha and P. chinense

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標準誤,n=4.

圖1 薇甘菊葉片水提液對薇甘菊與火炭母根際土壤中解鉀菌數(shù)量和速效鉀質(zhì)量分數(shù)的影響
Figure 1 The effect of leaf leachates ofM.micranthaon the density of potassium-solubilizing bacteria and available potassium in rhizosphere soil ofM.micranthaandP.chinense
注：圖中數(shù)據(jù)為平均值±標準誤,n=4，圖2到圖4同.

研究發(fā)現(xiàn)：2株薇甘菊根際土壤的放線菌(Streptomycesrochei與Streptomycessundarbansensis)具有解鉀的作用. 薇甘菊葉片水提液可能通過提高土壤真菌或放線菌的活性或豐度來促進土壤K+的釋放.

2.3 薇甘菊葉片水提液對土壤酶活性的影響

在薇甘菊葉片水提液處理后，薇甘菊與火炭母根際土壤的脫氫酶活性均顯著增加(圖2，P<0.01)，在15.00 g/L薇甘菊葉片水提液處理時，薇甘菊根際土壤的脫氫酶活性最高(1.42 μg/(g·h)，圖2A)；而在3.75 g/L薇甘菊葉片水提液處理時，火炭母根際土壤的脫氫酶則活性最高(1.14 μg/(g·h)). 同時，高質(zhì)量濃度的薇甘菊葉片水提液顯著地提高了薇甘菊與火炭母根際土壤的β-葡糖苷酶活性(圖2B，P<0.01),在15.00 g/L薇甘菊葉片水提液處理下，薇甘菊與火炭母根際土壤的β-葡糖苷酶活性分別是對照的1.60與1.36倍. 在未添加薇甘菊葉片水提液時(0 g/L)，薇甘菊根際土壤的纖維素酶活性顯著高于火炭母(圖2C，P<0.05)，但是薇甘菊葉片水提液對2種植物的根際土壤纖維素酶活性的影響均不顯著(P>0.05),此外，植物物種與薇甘菊葉片水提液分別對2種植物的根際土壤酸性磷酸酶的活性存在交互作用(圖2D，P<0.01). 薇甘菊葉片水提液對2種植物的根際土壤蛋白酶活性的影響不顯著(圖2E，P>0.05).

土壤酶活性的高低可以在一定程度上指示土壤微生物活性和生化反應的強度[16]. 研究結(jié)果表明：薇甘菊葉片水提液顯著提高了土壤微生物活性，促使土壤碳循環(huán)的周轉(zhuǎn)速率加快. 這可能是由于薇甘菊葉片水提液中含有可溶性的養(yǎng)分或化感物質(zhì)刺激土壤碳循環(huán)相關微生物的繁殖或活性. 有的研究[4]也表明：入侵植物火炬樹水提液通過增加土壤細菌與真菌豐度，提高土壤養(yǎng)分的礦化速率.

此外，薇甘菊葉片水提液可能對土壤氮循環(huán)的影響不顯著.

圖2 薇甘菊葉片水提液對薇甘菊與火炭母根際土壤酶活性的影響
Figure 2 The effect of leaf leachates ofM.micranthaon enzymes activity in rhizosphere soil ofM.micranthaandP.chinense

2.4 薇甘菊葉片水提液對薇甘菊與火炭母生物量的影響

薇甘菊葉片水提液顯著降低了火炭母地上部分的生物量(圖3A,P<0.05)，與對照(0 g/L薇甘菊葉片水提液處理)相比，15.00 g/L薇甘菊葉片水提液處理下的火炭母地上部分的生物量下降了51.30%. 薇甘菊葉片水提液對火炭母的地下部分的生物量與總生物量的影響不顯著(圖3B、C，P>0.05). 這表明薇甘菊葉片水提液的化感物質(zhì)對火炭母存在毒害作用. 已有研究[23]也發(fā)現(xiàn)：薇甘菊地上部分的化感物質(zhì)阿魏酸與綠原酸能抑制水稻(Oryzasativa)與稗(Echinochloacrusgalli)幼苗的生長. 同時，入侵植物的化感物質(zhì)能抑制本地植物根部抗氧化酶的活性，使本地植物抗脅迫的能力下降，本地植物易受病原體等因素的損傷，從而生長受限[24].

此外，植物物種的不同是導致薇甘菊與火炭母地下生物量存在顯著差異的主要原因(圖3B,P<0.05)，在3.75、15.00 g/L薇甘菊葉片水提液處理時，薇甘菊地下部分生物量顯著高于火炭母的地下部分生物量(P<0.05)， 但薇甘菊葉片水提液對薇甘菊自身的生長沒有顯著的影響(圖3). 有研究[25]表明：用含薇甘菊莖葉水提液的霍格蘭營養(yǎng)液處理薇甘菊幼苗后，薇甘菊幼苗的生長受到抑制. 導致差異的原因可能與培養(yǎng)條件有關，該研究是液體培養(yǎng)，本實驗是土壤培養(yǎng). 入侵植物與土壤微生物或動物形成有別于本地植物的新的土壤-植物互作方式[26]，這種新的土壤-植物互作關系可能是薇甘菊減弱化感物質(zhì)自毒效應的重要手段.

圖3 薇甘菊葉片水提液對薇甘菊與火炭母生物量的影響Figure 3 The effect of leaf leachates of M. micrantha on biomass of M. micrantha and P. chinense

2.5 薇甘菊葉片水提液對薇甘菊及火炭母植株中鉀的質(zhì)量的影響

植物物種與薇甘菊葉片水提液分別對2種植物的地上部分鉀質(zhì)量與總鉀質(zhì)量的影響存在交互作用(圖4A、C，P<0.01). 薇甘菊葉片水提液對薇甘菊植株鉀質(zhì)量積累的影響不顯著(P>0.05),但火炭母地上部分的鉀質(zhì)量顯著降低(P<0.05),在15.00 g/L薇甘菊葉片水提液處理時，火炭母地上部分的鉀質(zhì)量最低(0.02 g). 這可能由于薇甘菊葉片水提液中的化感物質(zhì)抑制了火炭母的生長，火炭母根系轉(zhuǎn)運土壤K+的效率下降，火炭母地上部分積累的鉀質(zhì)量減少. 此外，薇甘菊與火炭母地下部分鉀質(zhì)量、總鉀質(zhì)量對薇甘菊葉片水提液的響應不顯著(P>0.05).

圖4 薇甘菊葉片水提液對薇甘菊及火炭母植株中鉀質(zhì)量的影響Figure 4 The effect of leaf leachates of M. micrantha on potassium content in plant of M. micrantha and P. chinense

3 結(jié)論

薇甘菊為華南地區(qū)危害嚴重的入侵雜草之一，其生長速度極快[2]. 同時鉀元素在植物生長中起著重要作用，如促進細胞伸長[27]. 薇甘菊的快速生長可能依賴于對土壤鉀元素的大量積累. 本研究的結(jié)果表明：(1)薇甘菊葉片水提液對土壤鉀素活化影響顯著，薇甘菊葉片水提液一方面通過增加土壤的脫氫酶與β-葡糖苷酶活性，使微生物活性增強，加速含鉀礦物的活化；另一方面通過降低土壤pH，增強酸解作用，促進K+的釋放. (2)薇甘菊葉片水提液對植物生長具有較強的化感作用，薇甘菊葉片水提液的化感物質(zhì)對薇甘菊自身存在促進生長作用，但薇甘菊葉片水提液對火炭母的生長有毒害作用. 這表明：薇甘菊葉片水提液富含化感物質(zhì)，具有抑制本地植物生長的效果.

薇甘菊的化感物質(zhì)在活化土壤鉀養(yǎng)分與土壤酶活性中具有重要作用，提高自身的入侵力. 此外，薇甘菊對自身化感物質(zhì)可能具有脫毒機制，從而形成利己的生長環(huán)境. 薇甘菊對自身化感物質(zhì)的脫毒機制需要進一步的研究.