大蒜根系水提液对不同品种红小豆幼苗生长及生理特性的影响

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　　摘要：为了更有效缓解红小豆连作障碍问题，为建立合理的轮作方式（大蒜―红小豆）提供理论依据，采用室内培养皿生物测量法和盆栽试验法，以10个红小豆品种为材料，记录大蒜根系水提液培养下不同品种红小豆种子萌发数，测定幼苗株高、叶面积、生物量，SOD、POD活性，MDA含量。结果表明，（1）30 g/L大蒜根系水提液对不同基因型红小豆种子的发芽率有显著影响；（2）30 g/L大蒜根系水提液对10个红小豆品种幼苗生长呈现了不同基因型差异；（3）综合效应指数评价结果表明，与对照比较，经30 g/L大蒜根系水提液处理后，对红小豆白红6号、B1789、京农6号幼苗形态指标的促进作用最为明显；（4）从10个红小豆品种幼苗的生理特性可以看出，30 g/L大蒜根系水提液可以促进较多品种的SOD、POD活性，降低MDA含量，且与对照差异显著。
　　关键词：大蒜根系水提液；红小豆；形态指标；生理特性；化感作用
　　中图分类号： S521.01 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2016）07-0116-05
　　红小豆（Phaseolus angularis），豆科、豇豆属植物，营养丰富，栽培历史悠久，在中国半干旱、干旱地区具有明显的区位优势和生产优势，特别是在黄土高原地区，从食用到加工出口，从自然资源利用到发展地方经济，都占有非常重要的地位[1]。
　　红小豆自毒作用严重，连作障碍成为制约红小豆产量和品质的主要因素之一[2]。相关研究认为，这也与作物产生的化感物质密切相关。自毒（化感）物质并非在供体与受体植物之间或前、后茬植物之间直接发挥作用，自毒（化感）物质只是诱因，释放到土壤后受到微生物的加工、分解、转化等，并同时对根际微生物区系产生影响，最后共同影响受体植物的生长发育[3]。目前，越来越多的学者认为，根系分泌物生态效应的间接作用及土壤微生物区系紊乱是导致植物连作障碍的主要因素[4]。生产中连作年限越长，对连作作物生长发育的抑制作用也越强，连作病害发生也会越严重。轮作可以提高土壤有机质含量，增加土壤微生物及土壤酶活性[5]，对改善土壤环境、减轻连作障碍具有积极作用[6]。董青松等研究证明，连作导致根际土壤微生物功能多样性显著降低[7]。马瑞霞等研究发现，大豆（Glycine max）连作 3 年以上，土壤的微生物数量与组成发生变化，细菌数量减少，真菌数量增加，重茬较正茬增加[8]。
　　在黄土高原地区，人们常选择小麦作为红小豆的接茬作物。连慧达等研究表明，除传统的红小豆轮作作物小麦外，蔬菜作物萝卜在与红小豆轮作方面也有着很大的应用潜力[9]。研究证实，大蒜根系水提液中的活性成分对许多植物病原真菌和食物杂菌有较强的抑制作用，对一些病毒、原生生物也有抑制或杀灭活性的作用[10]，是公认的有益前茬作物，研究证明大蒜和马铃薯间作可以促进马铃薯（成熟期除外）的生长[11]，而在北方地区，红小豆在种植时间上允许作为大蒜的后茬作物。目前，前人主要研究了大蒜浸提液对莴苣、辣椒、萝卜、黄瓜、白菜、番茄、菜豆[12-14]等植物的化感作用，但有关大蒜对红小豆作用方面的研究未见报道。
　　通过预试验，选用多个浓度大蒜根系水提液，研究对种子萌发的影响。研究发现，当大蒜根系水提液浓度达到30 g/L时，才会对红小豆种子萌发产生影响，考虑到农田中大蒜根系浓度只有达到这个标准才会对植物造成化感效应，因而把 30 g/L 大蒜根系水提液临界浓度作为研究施用的标准。前人对于化感效应集中于考虑化感物质的浓度研究，研究结果表明，受体作物随浓度的升高呈现低促高抑的效果；化感作用主要取决于植物种类，对于作物，还取决于特定的品种[15]。而对于在同种浓度下，后茬作物不同品种化感效应的筛选工作研究甚少。
　　本试验采用预试验筛选浓度为30 g/L的大蒜根系水提液对10个红小豆品种进行处理，研究其对红小豆种子萌发以及幼苗生长的影响，分析不同品种间的差异及不同品种红小豆幼苗形态指标与生理特性的关系，为筛选出与大蒜进行轮作的最适红小豆品种，缓解红小豆连作障碍、建立合理的轮作方式（大蒜―红小豆）提供理论依据。
　　1 材料与方法
　　1.1 供试材料
　　本试验在山西师范大学校内试验基地进行，供试材料均由山西农业科学院提供，红小豆品种见表1。
　　1.2 大蒜根系水提液的配制
　　将大蒜根系洗净、自然风干后磨碎，称取100 g，置于1 L烧杯中，加蒸馏水作浸提剂，在室温下浸提24 h，然后过滤、4 ℃ 下2 500 r/min 离心10 min，去掉残渣，得到上清液；加蒸馏水定容至1 L，得到浓度为100 g/L的母液；将母液稀释成 30 g/L，装瓶备用。
　　1.3 试验设计
　　1.3.1 种子萌发试验 采用培养皿滤纸法[16]。试验选取大小一致、颗粒饱满的红小豆种子，经3% H2O2消毒15 min后用蒸馏水反复冲洗3次，浸泡6 h，每处理播种100粒种子在铺有2层滤纸、直径为120 mm的培养皿中，试验组分别加入30 g/L的大蒜根系水提液15 mL，对照组加15 mL蒸馏水，共20个处理，每处理重复3次，放置在人工气候培养箱中培养，每天定时补充定量蒸馏水以保持滤纸湿度。以胚芽长度≥种子长度的1/2作为萌发标准。每天定时记录发芽种子数。
　　1.3.2 盆栽试验 选取大小均匀、颗粒饱满的红小豆种子，用3% H2O2消毒15 min后用蒸馏水冲洗净。每处理播种16粒种子在直径为10 cm的培养钵中进行沙培，试验组分别加入30 g/L的大蒜根系水提液20 mL和蒸馏水10 mL，对照组加30 mL蒸馏水，共20个处理，每个处理重复3次，放置在校内防雨棚中培养，第1张真叶露出后每盆定苗8株，每天定时定量补充蒸馏水以保持盆中沙子湿润，15 d后测定幼苗形态指标和生理指标。 　　1.4 测定指标与方法：
　　1.4.1 种子萌发
　　发芽率=总发芽种子数/供试种子数×100%；
　　发芽指数（GI）=∑（Gt/t）。
　　式中：Gt为第t天的发芽数，t为相应的发芽天数（d）。
　　参照 Lin等的方法[17]计算抑制率（IR），其中IR≥0为抑制作用，IR<0为促进作用，IR的绝对值代表作用强度的大小。
　　IR=（1-处理指标值/对照指标值）×100%。
　　综合效应计算为各形态指标抑制率的平均值。其中，SI≥0代表抑制作用，SI<0代表促进作用。为了表示大蒜根系水浸提液对不同基因型红小豆的综合效应，对相同处理下红小豆幼苗7个指标的抑制率（IR）计算算术平均值，将其作为不同基因型红小豆在大蒜根系水提液作用下各自的综合效应指数。
　　1.4.2 幼苗形态指标及生理活性的测定 幼苗形态指标：用直尺测量幼苗株高，叶面仪测定幼苗叶面积，电子天平称量幼苗地上部鲜质量、地下部鲜质量。超氧化物歧化酶（SOD）活性的测定采用氮蓝四唑（NBT）法[18-19]，过氧化物酶（POD）活性的测定采用愈创木酚法[20]，丙二醛（MDA）含量的测定方法采用硫代巴比妥酸（TBA）法[18]。
　　1.5 数据处理与分析
　　采用Microsoft Excel 2003整理数据，用SPSS 17.0软件进行样本方差分析及 Duncan’s 新复极差检验处理。
　　2 结果与分析
　　2.1 大蒜根系水提液对不同红小豆品种种子萌发的影响
　　种子可以最先感知环境的变化。从表2可以看出，经浓度为30 g/L大蒜根系水提液处理后，不同红小豆品种种子萌发表现出基因型差异。白红6号、遵化红、京农6号、晋红小豆3号、B1789种子的发芽率提高，其中白红6号增幅最大，达8.33%，其他5个品种发芽率降低；京农6号、B1789、白红6号种子发芽指数增高，分别增加了15.74%、9.68%、425%，其他7个品种发芽指数降低，白红3号降幅最大，为 27.67%。试验结果表明，当用浓度为30 g/L的大蒜根系水提液处理后，不同红小豆品种种子的发芽率与对照差异明显。
　　2.2 大蒜根系水提液对不同红小豆品种幼苗形态指标的影响
　　从表3可以看出，在30 g/L大蒜根系水提液作用下，对保红947、保红8824-17、晋红小豆3号、冀红、白红3号红小豆幼苗的株高表现出一定的促进作用，分别增加了21.97%、11.13%、10.52%、5.36%、3.85%，与对照差异显著；叶面积在浓度为30 g/L大蒜根系水提液作用下，除冀红品种红小豆幼苗受到抑制外，其他9个红小豆品种幼苗叶面积均比对照增加，其中京农6号的增幅最大，与对照间差异显著；大蒜根系水提液对冀红、京农6号、保红947、白红6号幼苗的地上部鲜质量表现出一定的促进作用，与对照差异显著；白红6号、遵化红、晋红小豆3号3个品种在经浓度为30 g/L大蒜根系水提液处理后其幼苗的地下部鲜质量呈现不同程度的增加，其中以白红6号增幅最大，为30.77%，与对照差异显著。综合以上4个指标可以看出，在浓度为30 g/L的大蒜根系水提液作用下，对不同红小豆品种幼苗的生长所表现出不同的影响，表明30 g/L大蒜根系水提液对红小豆幼苗的化感作用存在基因型差异。
　　2.3 大蒜根系水提液对不同红小豆品种植株的综合效应指数
　　根据综合效应指数进行评定，10个红小豆品种可分为2组：抑制组（SI≥0）包括有6个红小豆品种，分别为晋红小豆1号、保红947、冀红、保红8824-17、白红3号、晋红小豆3号，分别比对照下降了15.43%、10.87%、10.56%、10.03%、9.25%、6.65%；促进组（SIB 1789>京农6号>遵化红>保红3号>晋红小豆3号>保红8824-17>冀红>保红947>晋红小豆1号。
　　2.4 大蒜根系水提液对不同品种红小豆植株根系生理指标的影响
　　2.4.1 大蒜根系水提液对不同红小豆品种幼苗SOD活性的影响 SOD能催化超氧自由基产生歧化反应，生成分子氧和过氧化氢，保护膜的完整性。植物在逆境下出现的伤害或植物对逆境的抵抗能力往往与体内的SOD活性有关。从图1可以看出，经30 g/L大蒜根系水提液处理后，京农6号、保红947、B1789、白红3号、晋红小豆3号幼苗的SOD活性增高，其中保红947增幅最大，比对照增加了65.29%，差异达显著水平。红小豆幼苗体内抗氧化酶活性显著增强，可以有效减缓膜脂过氧化对幼苗生长造成的伤害。遵化红、冀红、保红8824、白红6号、晋红小豆1号在经30 g/L大蒜根系水提液处理后，其幼苗体内的SOD活性不同程度降低。表明植物体内的SOD活性的变化也因品种不同表现出基因型差异。
　　2.4.2 大蒜根系水提液对不同红小豆品种幼苗POD活性的影响 POD是植物体内消除过氧化物、降低活性氧伤害的一种关键酶，对保护膜结构的稳定性至关重要。在30 g/L大蒜根系水提液作用下，晋红小豆1号、白红6号、保红8824幼苗的POD活性提高，比对照分别增加了40.96%、24.24%、 7.17%，且与对照差异显著；其他7个品种红小豆在经30 g/L大蒜根系水提液处理后，其幼苗的POD活性降低，其中，B1789降幅最小，与对照差异不显著。
　　2.4.3 大蒜根系水提液对不同红小豆品种幼苗MDA含量的影响 MDA是膜质过氧化的最终产物之一，MDA含量的高低是反映植物是否遭受生理胁迫及胁迫程度的重要指标。从图3可以看出，30 g/L大蒜根系水提液对红小豆幼苗MDA的含量产生不同程度的影响。与对照比较，经大蒜根系水提液处理后，冀红、晋红小豆3号幼苗的MDA含量分别增加了38.39%、4.85%，与对照差异显著，表明冀红、晋红小豆3号在大蒜根系水提液作用下膜质过氧化程度增高，膜透性增大。其他8个红小豆品种幼苗的MDA含量显著下降，降幅最大的是保红947，比对照下降了30.05%。表明该水提液对红小豆幼苗产生丙二醛的抑制强度较大，30 g/L大蒜根系水提液可以减缓这8个品种红小豆幼苗的细胞膜脂过氧化程度。 　　3 结论与讨论
　　连作障碍的根本原因是由于连续单一种植同一作物引起了土壤（基质）中生物多样性破坏，作物根际微生态平衡失调，微生物总数和土壤酶活性最终下降[21-24]。轮作可以通过植物间的化感作用预防和减轻连作障碍。植物化感作用对受体的影响主要表现为对种子发芽率、苗长、根长、苗干质量和根干质量的影响，不同植物对受体的影响存在显著差异[25-30]。本试验结果表明，大蒜根系水提液对不同基因型红小豆种子发芽率有显著影响，与周艳丽等进行的大蒜根系分泌物对不同受体蔬菜的化感作用的研究结果[12]一致，大蒜根系分泌物降低莴苣和辣椒的发芽率，提高了萝卜、黄瓜、白菜和番茄的发芽率，但各处理与对照差异均未达显著水平[12]。
　　从盆栽试验结果可以看出，30 g/L大蒜根系水提液可以促进部分品种红小豆幼苗的生长，魏玲等试验结果也显示，大蒜地上部水浸液在低浓度（0.005 g/mL）时对番茄幼苗生长有促进作用[13]。本试验结果表明，30 g/L大蒜根系水提液对一些红小豆品种幼苗生长产生抑制作用，说明大蒜根系水提液对红小豆幼苗生长的影响存在基因型差异，或许与不同基因型红小豆在幼苗生长过程中所感受大蒜根系水提液的化感物质种类、临界浓度、转化途径不同有关。
　　结合种子萌发试验与盆栽试验结果，30 g/L大蒜根系水提液对不同红小豆品种幼苗生长的影响较种子萌发阶段显著，这与高小宽等的试验结果[31]相似：花生根部浸提液对黄瓜种子发芽率作用效果不明显，对黄瓜幼苗根长的影响效果明显。
　　植物在生长环境发生变化时，体内SOD、POD等保护性酶活性和MDA含量会发生相应变化，这些变化量目前已被作为评价植物适应性指标而广泛应用。化感效应产生时受体酶系统的变化与品种有一定关系[13]。本试验不同红小豆品种的酶系统对大蒜根系水提液处理的适应性表现出一定的基因型差异。本试验中较多品种红小豆幼苗体内通过SOD、POD二者在植物体内协同起作用使植株清除自由基的能力提高，使得MDA含量降低，有效减轻自由基对细胞膜的伤害，从而幼苗生长良好。本试验冀红品种的红小豆幼苗体内的SOD活性、POD活性降低，植株清除自由基的能力降低，随着自由基的大量积累，最终表现为体内MDA含量增加，伤害细胞膜的完整性，膜脂过氧化等影响植物的正常生理活动[32-33]，植株生长受到抑制。康亚龙等研究发现，低浓度的加工番茄水浸提液可以很好地促使SOD、CAT发挥降低活性氧的含量、维持活性氧的动态平衡作用，使得POD的应激活性处于未激发状态，从而抵御膜脂过氧化，提高受体植物抗化感胁迫的能力；随着加工番茄浸提液质量浓度的不断增大，其体内SOD、CAT活性显著下降，活性氧大量积累，诱导POD活性升高[34]。本试验中不同品种经30 g/L大蒜根系水提液处理后被提高活性的酶种类不同，表明不同品种对大蒜根系水提液的临界浓度有基因型效应。
　　综合不同红小豆品种种子萌发情况、幼苗形态指标的综合效应指数以及幼苗的生理特性，对本试验中10个品种红小豆进行评价，得出30 g/L大蒜根系水提液对10个红小豆品种存在促进和抑制2种不同作用，在红小豆与大蒜轮作系统中应考虑基因型差异。
　　化感作用不仅会因受体作物的种类不同而有所差异，化感物质生物活性的大小还由化感物质的质量浓度决定，研究表明，根系水体液对受体的影响因浓度而异。本试验仅在室内对离体大蒜的根系水提液进行化感作用研究，根据预试验结果研究了30 g/L大蒜根系水提液对10个红小豆品种的种子萌发及幼苗生长的影响，尚需进一步通过多浓度梯度试验及田间试验深入分析大蒜对不同品种红小豆的化感作用规律，测定不同品种红小豆的产量，从而验证实际生产中大蒜与红小豆轮作的合理性。
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