杨轲欣,吴晓涵,郑凤萍,范泽文,吴冉迪,徐高峰,杨云海,张付斗,杨韶松,申时才*

(1. 云南大学资源植物研究院,云南 昆明 650504; 2. 云南省农业科学院农业环境资源研究所/云南省农业跨境有害生物绿色防控重点实验室,云南 昆明 650205; 3. 云南省农业科学院农业环境资源研究所/共建澜湄农业生物安全联合研究中心,云南 昆明 650205; 4. 昆明学院农学与生命科学学院,云南 昆明 650214)

生物入侵已经加剧了生物的全球分布与扩散,造成了严重的经济损失、生物多样性的丧失和生态环境问题,甚至威胁着生态系统安全和人畜生物安全等[1-2]。在外来物种入侵与扩散过程中,入侵植物通常可以通过“化学武器”来抑制周边其他植物的种子萌发和幼苗生长、改变土壤养分和微生物群落结构等,从而创造有利于自身生长的生态环境和建立种群优势[3-5]。因此,开展外来入侵植物化感作用研究,特别是针对一些新发突发的入侵物种,对于揭示其入侵和扩散机制,以及利用植物毒性化合物开发天然除草剂具有重要的意义。

白花金钮扣(Acmellaradicans)属于菊科(Asteraceae)金钮扣属(Acmella)一年生草本植物,原产中美洲和墨西哥[6],广泛分布于哥伦比亚、孟加拉国、古巴、库拉索岛、印度、坦桑尼亚和泰国等地[6-8]。在中国,2014年首次在安徽黟县发现一归化白花金钮扣居群,主要分布于溪流、路边和耕地等生境[9]。白花金钮扣区别于金钮扣属其他物种的主要特征是具有白色花冠和瘦果具有发达的软木质边缘[9]。该入侵植物生态适应性强、生境类型广泛、开花结实期长、有性繁殖能力强(种子量大),因此容易形成单一或优势种群[9]。在一些入侵国家和地区,白花金钮扣通常被当成一种传统中草药使用,用于治疗牙齿疼痛、喉咙和牙龈疼痛以及使舌头瘫痪等[6,10-11]。

2017年,在云南省外来入侵植物野外调查中首次在滇西的保山市昌宁县发现白花金钮扣的种群分布。在后续调查中发现昌宁县、云县、双江县和沧源县等均有大面积的白花金钮扣分布,主要入侵农田、茶园、果园、路边和沟渠等。项目组前期研究发现,白花金钮扣植株高大,株高可达155 cm,开花结实期为11月-次年3月,种子量可达14 300粒。在入侵地,该物种已经成为优势物种,对当地群落的物种丰富度、物种多样性、均匀性以及土壤养分产生了负面影响。野外调查发现随着白花金钮扣覆盖度增加,群落中一些主要物种三叶鬼针草(BidenspilosaL.)、胜红蓟(AgeratumconyzoidesL.)、马唐(Digitariasanguinalis(L.) Scop.)、虎尾草(ChlorisvirgataSw.)等盖度和重要值会显著降低,然而关于白花金钮扣是否具有化感作用或化感竞争对其入侵性的贡献尚缺乏相关的研究报道。

本研究通过生物测定法研究白花金钮扣地上/地下部水提液对三叶鬼针草、胜红蓟、马唐和虎尾草4种主要伴生物种的种子萌发及幼苗生长的影响,初步揭示其化感作用潜力,为进一步开展其化感物质鉴定和阐明入侵机制奠基基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试白花金钮扣:2022年10月采自云南省昌宁县勐统镇酒药寨村(99.64°E,24.55°N,海拔1 746 m)。整株采集后,分为地上部分(茎叶)和地下部分(根系)后在室内自然风干,然后打成粉末备用。

供试植物种子:三叶鬼针草、胜红蓟、马唐、虎尾草,为白花金钮扣的主要伴生物种,均采集于云南省昌宁县勐统镇酒药寨村。

1.2 试验方法

1.2.1白花金钮扣浸提液制备 称取上述白花金钮扣地上部和地下部粉末各50 g,按固液比为1∶10(w/w)加入蒸馏水,浸泡48 h,使用超声波水浴辅助和二层滤纸过滤后,浸提液定溶至质量浓度为0.1 g·mL-1(以干物质质量计算)。取部分浸提液分别稀释至质量浓度为0.1,0.05,0.025,0.012 5 g·mL-1。调节各浓度浸提液pH值与蒸馏水一致(pH=6.58),冷藏(4℃)备用。

1.2.2白花金钮扣化感潜力测定 选取大小相对一致且种子形状饱满的前期预试验种子萌发良好的三叶鬼针草、胜红蓟、马唐和虎尾草种子,用10%次氯酸钠溶液浸泡10 min,用蒸馏水漂洗3次,自然阴干备用。2022年11月10日,吸取5 mL白花金钮扣浸提液加入放有双层滤纸、直径为9 cm的培养皿中,每皿均匀放置30粒已消毒的上述4种伴生杂草种子,以蒸馏水为对照,每种杂草设4组重复。将培养皿置于人工气候箱中恒温培养,温度(25±0.5)℃、湿度70%、每天光照12 h。试验开始后,每天对种子发芽数进行统计,试验7 d时测量茎长、根长和生物量。每个培养皿随机抽取10株测量,取平均值。

1.3 数据处理

白花金钮扣水提液对4种伴生物种三叶鬼针草、胜红蓟、马唐和虎尾草的生物测定统计发芽率、发芽指数、化感作用响应指数等[12-14]。按公式(1)计算发芽率(Germination rate,GR):

(1)

按公式(2)计算发芽指数(Germination index,GI):

GI=Σ(Gt/Dt)(Gt:在t天内的发芽数,Dt:第t天)

(2)

按公式(3)计算抑制率(Inhibitor rate,IR):

(3)

按公式(4)计算化感响应指数(Allelopathic response index,RI):

RI=1-C/T(T≥C)或RI=T/C-1(T

(4)

式中,C为对照值,T为处理值。RI>0为促进作用,RI<0为抑制作用,绝对值的大小与化感作用强度一致。

按公式(5)计算综合化感指数(Synthetical allelopathic index,AI):

AI=(发芽率RI+发芽指数RI+茎长RI+根长RI+生物量RI)/5

(5)

式中,AI>0表示总体表现为促进作用,AI<0表示总体表现为抑制作用。

所有数据采用DPS V9.05数据处理系统进行分析,并采用单因素方差分析(One-Way ANOVA)检验,Duncan’s新复极差法进行多重比较,分析不同处理间的差异。

2 结果与分析

2.1 白花金钮扣水提液对4种伴生杂草种子萌发的影响

研究结果表明,4种伴生杂草种子萌发均受到白花金钮扣地上/地下部水提液的影响(表1、图1、图2)。随白花金钮扣水提液浓度增加,三叶鬼针草、胜红蓟、马唐和虎尾草的种子发芽率和发芽指数明显降低,其中对马唐抑制率最大,浓度为0.1 g·mL-1时萌发率和发芽指数抑制率分别为45.69%和62.22%;其次虎尾草和胜红蓟;最差为三叶鬼针草,地下部在浓度为0.012 5～0.025 g·mL-1时没有抑制作用或有促进作用(发芽率为100%)(图1、图2)。从白花金钮扣地上/地下部水提液对4种杂草种子发芽率和发芽指数对比看,对发芽率的抑制显著小于发芽指数(P<0.05),且地上部的抑制率要明显大于地下部。

图1 白花金钮扣地上部对不同供试杂草发芽率、根长、茎长和生物量的抑制情况Fig.1 Inhibition of aqueous extract of Acmella radicans aboveground part on the germination rate,root length,stem length,and biomass of different weeds注:不同字母表示同种杂草不同处理间差异达到显著性水平(P<0.05),下同Note:Different letters indicate a significant difference between treatments to the same weed at the 0.05 level,the same as below

图2 白花金钮扣地下部对不同供试杂草发芽率、根长、茎长和生物量的抑制情况Fig.2 Inhibition of aqueous extract of A. radicans underground part on the germination rate,root length,stem length,and biomass of different weeds

表1 白花金钮扣水提液对不同供试杂草种子发芽的影响(平均值±标准差)Table 1 Effects of aqueous extract of Acmella radicans on the seed germination of different weeds (mean±SD)

2.2 白花金钮扣水提液对4种伴生杂草幼苗生长的影响

白花金钮扣对三叶鬼针草、胜红蓟、马唐和虎尾草4种伴生杂草的根长和茎长具有明显的影响。地上/地下部水提液对三叶鬼针草和胜红蓟的根长和茎长均有明显的抑制作用(P<0.05),而对马唐和虎尾草出现“低促高抑”的现象。地上部水提液除了在浓度为0.012 5 g·mL-1时对虎尾草的茎长有促进作用外,其余各浓度下对4种伴生物种的根长和茎长均具有明显的抑制作用;地下部水提液低浓度为0.012 5～0.025 g·mL-1时对马唐和虎尾草的根长和茎长具有一定的促进作用(表2、图1、图2)。总体上,白花金钮扣水提液对4种伴生杂草根长的抑制率明显大于茎长,地上部的抑制率明显大于地下部(P<0.05)。地上部水提液对4种杂草的抑制率最高为马唐,而地下部最高为胜红蓟,最差为虎尾草。

在生物量方面,白花金钮扣水提液对三叶鬼针草、胜红蓟、马唐和虎尾草4种伴生杂草的生物量影响程度不同。同样地,地上/地下部水提液对三叶鬼针草和胜红蓟生物量均有明显的抑制作用(P<0.05),而对马唐和虎尾草出现“低促高抑”的现象。总体上,白花金钮水提液对4种伴生杂草生物量抑制率最高为胜红蓟,其次三叶鬼针草和马唐,最差为虎尾草(表2、图1、图2)。

从4种伴生杂草根长、茎长和生物量的影响对比看,白花金钮扣水提液对根长抑制率最高,其次为茎长,最差为生物量。从白花金钮扣地上/地下部水提液对比看,地上部对4种伴生杂草的幼苗生长抑制率明显大于地下部(P<0.05)。

2.3 白花金钮扣化感响应指数

研究结果表明,白花金钮扣地上/地下部水提液对4种受体杂草具有不同的化感作用响应指数(表3、表4)。除了在低浓度0.012 5～0.025 g·mL-1时对马唐和虎尾草的根长、茎长、生物量的化感响应指数出现“低促高抑”外,其余化感响应指数均表现为抑制作用而为负值,且随浓度增加抑制率逐渐增大。总体上,白花金钮扣水提液对根长的化感响应指数为最低,其次为茎长和生物量,最高为发芽率。从4种伴生杂草的综合化感指数来看,地上部水提液对4种受体杂草的化感综合化感指数均为负值,抑制率最高为马唐,其次为胜红蓟和三叶鬼针草,最差为虎尾草;地下部水提液低浓度0.012 5 g·mL-1时对马唐和0.012 5～0.025 g·mL-1时对虎尾草为正值,抑制率最高为胜红蓟,其次为三叶鬼针草和马唐,最差为虎尾草。综合对比地上/地下部水提液对4种伴生杂草的综合化感指数,白花金钮扣对胜红蓟的化感潜力最强,其次为马唐和三叶鬼针草,最差为虎尾草。

表3 白花金钮扣地上部对不同供试杂草的化感响应指数(平均值±标准差)Table 3 Allelopathic response index of different weeds to the aboveground part of A. radicans (mean±SD)

表4 白花金钮扣地下部对不同供试杂草的化感响应指数(平均值±标准差)Table 4 Allelopathic Response index of different weeds to the underground part of A. radicans (mean±SD)

综上可得,白花金钮扣不同部对4种伴生杂草均具有显著的化感作用,且化感作用由大到小依次为胜红蓟>马唐>三叶鬼针草>虎尾草。

3 讨论

在外来入侵物种的入侵与扩散过程中,化感作用通常扮演着重要的角色[15-16]。外来入侵植物常常可以通过释放某种化感物质抑制新环境中临近的植物生长,从而为自身获取更多的营养、水分等资源,实现种群的扩大和繁殖,并在生存竞争中处于优势地位[3]。白花金钮扣是云南省近年来发现的新入侵植物,已经对入侵地的植物多样性和生态环境造成了严重的危害,然而关于其化感竞争作用尚不清楚。本研究中,白花金钮扣不仅对本地植物马唐和虎尾草具有一定的化感作用,对入侵植物三叶鬼针草和胜红蓟也具有显著的化感抑制作用。

本研究表明,白花金钮扣地上/地下部水提液能降低三叶鬼针草、胜红蓟、马唐和虎尾草4种主要伴植物种子发芽率、发芽指数、根长和茎长,随浓度增加抑制效果明显增强,但在低浓度时对马唐和虎尾草种子萌发和幼苗生长具有一定的促进作用,这些“低促高抑”的研究结果与很多相关文献报道一致[13-14,17-19]。种子萌发对物种更新至关重要,种子发芽率和发芽速度降低可能会降低本地种在群落中的多度和早期竞争力,相应提高外来种对地上和地下资源的竞争能力[17-19]。白花金钮扣水提液对4种主要伴生杂草种子根长抑制率最大,其次为茎长和种子萌发,发芽指数的抑制明显大于发芽率,说明其化感作用延缓了三叶鬼针草、胜红蓟、马唐和虎尾草的幼苗出土时间,减弱了根系的养分吸收能力,降低对资源的有效利用,进而直接影响这些物种以后的生长发育及其在群落中的地位和作用[18-19]。本研究表明,白花金钮扣具有的化感潜力可以在邻近植物最脆弱阶段(种子萌发)进行攻击和抑制,从而有利于自身的种群建立。

在自然界中,植物通过茎叶等的挥发物、雨雾的淋溶物、根系分泌物和枯枝分解腐蚀等途径释放出的化感物质来影响周围其他的临近植物生长[20]。在植物整个生活史中都会产生化感物质,不用部位(根、茎、叶、花、果等)的化感潜力差异明显[21-23]。一些研究表明,植物地上部叶片的化感作用会大于其他部位[19,24-25],如入侵植物牛膝菊(GalinsogaparvifloraCav.)叶片的化感潜力是根的1.15倍[21]。本研究结果表明,白花金钮扣地上部水提液对三叶鬼针草、胜红蓟、马唐和虎尾草4种伴生物种的化感潜力明显大于地下部。白花金钮扣精油含有大量化合物[11],其中主要化合物之一棕榈酸被证实对入侵植物三叶鬼针草、粗毛牛膝菊(GalinsogaquadriradiataRuiz et Pav.)、黑麦草(LoliumperenneL.)和小子虉草(PhalarisminorRetz.)具有较强的化感抑制作用[26]。本研究可以初步推断白花金钮扣的化感作用可能是通过释放挥发性物质造成的,但具体的化感物质种类有待于进一步研究。

植物化感潜力的差异,不仅取决于目标物种、提取物浓度、化感物质种类等,还与受体植物的种类相关[21-25,27-28]。本研究中4种受体植物三叶鬼针草、胜红蓟、马唐和虎尾草通常为农田、果园、荒地等地的主要杂草,其中三叶鬼针草和胜红蓟为入侵性杂草,而马唐和虎尾草则为本地恶性杂草[29-30]。4种杂草通常具有较强的有性繁殖能力、种子萌发率高、生长速度快、化感作用等特征[18,31],容易形成单一杂草群落或成为优势种群。本研究发现,白花金钮扣水提液不同浓度对2种入侵植物三叶鬼针草和胜红蓟种子发芽率、根长、茎长和生物量均有一定的抑制作用,但对本地植物马唐和虎尾草出现“低促高抑”的现象。从白花金钮扣对4种伴生杂草的抑制率综合对比看,白花金钮扣对入侵植物的化感潜力要大于本地植物,这与田间调查发现的随白花金钮扣盖度增加,三叶鬼针草和胜红蓟的盖度和重要值的降低程度明显大于马唐和虎尾草的结果相一致。

在植物化感作用评价中,化感响应指数是普遍用于度量化感作用强度最重要的指标,而综合化感指数是对受体植物种子萌发、根长、茎长和生物量的综合评价指标[12,14]。由于受体植物种类、化感物质种类和浓度差异等,有时很难根据单独的发芽率、茎长、根长或生物量的化感响应指数对不同的受体植物得出统一的结论,因此综合化感指数起到了非常重要的作用。本研究中发现,白花金钮扣地上/地下部水提液对4种伴生杂草种子发芽率、发芽指数、根长、茎长和生物量的化感响应指数是不一样的,低浓度时对马唐和虎尾草的部分响应指数为正值,而且地上/地下部也有差异,因此很难得出4种伴生杂草受到的抑制率顺序。从综合化感指数来看,地上部水提液对4种受体杂草的综合化感指数均为负值,抑制率最高为马唐,其次为胜红蓟和三叶鬼针草,最差为虎尾草;地下部水提液低浓度虎尾草为正值,抑制率最高为胜红蓟,其次为三叶鬼针草和马唐,最差为虎尾草。因此,通过综合对比地上/地下部水提液对4种伴生杂草的综合化感指数,得出了白花金钮扣对胜红蓟化感潜力最强,其次为马唐和三叶鬼针草,最弱为虎尾草的结论。

4 结论

白花金钮扣对4种主要伴生物种三叶鬼针草、胜红蓟、马唐和虎尾草具有一定的化感抑制作用,随浓度增加地上/地下部水提液对三叶鬼针草、胜红蓟、马唐和虎尾草种子萌发及幼苗生长的抑制率逐渐提高,总体上地上部水提液对种子发芽率、根长、茎长和生物量的抑制率明显大于地下部。白花金钮扣对胜红蓟抑制率最大,其次为马唐和三叶鬼针草,最差为虎尾草。为了进一步确定白花金钮扣的化感作用机制,今后需对相关的化感物质进行鉴定,并对其化感作用机理进行深入研究。