張 奇, 張清旭, 龐曉敏, 葉江華, 王海斌,3, 賈小麗, 何海斌

(1.武夷學院茶與食品學院，福建 武夷山 354300；2.福建農(nóng)林大學生命科學學院，福建 福州 350002；3.龍巖學院生命科學學院，福建 龍巖 364012)

稗草[(Echinochloacrusgalli(L.) Beauv.)]為禾本科稗屬1年生植物，是世界性惡性雜草，也是危害稻田的首要雜草[1]。由于稗草和水稻的生物學特性極其相似，在共存模式下競爭激烈，且在惡劣的環(huán)境下其競爭更加尖銳，優(yōu)勢也更加明顯[2]。稗草在作物生長季節(jié)不斷萌發(fā)出苗，且根系發(fā)達，從幼苗起就與作物根系交織在一起，不斷地生長并包圍作物根系[3]。前人研究表明，稗草對水稻的抑制作用與稗草密度相關(guān)，通過抑制株高、分蘗數(shù)、有效穗數(shù)等來降低水稻產(chǎn)量[4-5]。林文雄等[6]研究表明，在稗草競爭干擾下，水稻產(chǎn)量的損失可用指數(shù)模型預(yù)測。

植物化感作用指植物向環(huán)境釋放化學物質(zhì)對另一種植物(包括微生物)產(chǎn)生直接或間接的影響[7]。許多雜草和農(nóng)作物對其他農(nóng)作物都具有化感作用[8]。自從Dilday et al[9]發(fā)現(xiàn)水稻能對鴨跖草表現(xiàn)出化感潛力，越來越多的學者開始致力于水稻化感潛力的研究。水稻主要通過分泌物影響雜草生長，從而起到化感作用[10]。水稻通過自身的化感作用可以抑制雜草，有效降低化學除草劑的使用，從而提高稻米品質(zhì)，改善水質(zhì)和降低土壤污染[11]。水稻和稗草之間存在相互識別的作用機制[12-17]。Kato-noguchi et al[18]研究表明，水稻會響應(yīng)稗草根系分泌物誘導(dǎo)，提高稻殼酮B的合成和分泌量，增強水稻抑草潛力。Zhang et al[12-13]研究表明，稗草根系分泌物可以誘導(dǎo)水稻提高化感作用，增加水稻化感物質(zhì)酚酸的分泌。水稻產(chǎn)量與其種子的萌發(fā)密切相關(guān)，而水稻種子的萌發(fā)又受溫度、水分、鹽度等環(huán)境因素影響。播種時水稻種子跟雜草分泌物直接接觸，而有關(guān)水稻種子萌發(fā)及幼苗生長與雜草分泌物之間關(guān)系的報道較少。因此，基于不同因素對水稻萌發(fā)和幼苗生長影響的研究，以及水稻與稗草之間的相互聯(lián)系，本研究探討不同化感潛力水稻種子萌發(fā)和幼苗生長對稗草根系分泌物的響應(yīng)差異，為水稻育苗早期雜草防控提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

非化感水稻： Man sin、塔獻、IARI-7130、清香晚、Naoemzo (b)70、Lemont；化感水稻：Ollwae do、野澳絲苗、488、協(xié)青早B、博B、Taichung Native1、PI312777，所有水稻種子均于2017年10月在福建省建陽市書坊鄉(xiāng)收獲。水稻化感潛力分類參考楊小燕[19]對不同來源水稻品種化感潛力的鑒定。

1.2 試驗方法

1.2.1 稗草種植及其根系分泌物收集 稗草的種植以及稗草根系分泌物收集參考Zhang et al[12]的方法。挑選顆粒飽滿的稗草種子，用0.5%(體積比)NaClO溶液處理10 min，用蒸餾水沖洗干凈后平鋪到沙盤里。加適量的蒸餾水，蓋上保鮮膜，并用鑷子在保鮮膜上戳一些小孔，置于恒溫培養(yǎng)箱中30 ℃催芽。待長到一葉期，挑取長勢一致的稗草(約4 cm)，轉(zhuǎn)移至含10 L霍格蘭氏(Hoagland)營養(yǎng)液的塑料盆(長×寬×高=45 cm×35 cm×15 cm)中，每盆100株。把盆放在室外自然種植(25～35 ℃)，每周定時補足一定的水分和營養(yǎng)(直接補水至10 L左右，營養(yǎng)按7 d完全利用來計算，補回至原來營養(yǎng)物質(zhì)濃度)。25 d后(稗草大多長至6葉)，收集稗草根系分泌物，用2層濾紙過濾，再過0.45 μm的濾膜，4 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 稗草根系分泌物對水稻種子萌發(fā)的影響 (1)水稻種子預(yù)處理。分別取不同品種的水稻種子約1 500粒，用5%NaClO溶液消毒30 min，蒸餾水沖洗5遍，用吸水紙吸干水分，備用。(2)稗草根系分泌物處理水稻種子。將處理干凈的水稻種子放入墊有一層濾紙的培養(yǎng)皿中，每個培養(yǎng)皿放置50粒種子，分別設(shè)置5個處理：將稗草根系分泌物用蒸餾水稀釋10、8、4、2倍(體積比，TM1～TM4處理)及完全稗草根系分泌物處理(TM5)，以蒸餾水為對照(CK)。在培養(yǎng)皿中分別加入不同濃度稗草根系分泌物3 mL，每個梯度設(shè)置4個平行，培養(yǎng)皿蓋上保鮮膜，放入(28±2) ℃恒溫培養(yǎng)箱，黑暗培養(yǎng)，每24 h觀察并記錄水稻種子發(fā)芽數(shù)，共觀察72 h。計算各處理水稻的發(fā)芽勢和發(fā)芽率：發(fā)芽勢/%=(特定時間內(nèi)種子發(fā)芽數(shù)/供試種子粒數(shù))×100；發(fā)芽率/%=(種子總發(fā)芽數(shù)/供試種子粒數(shù))×100。

1.2.3 稗草根系分泌物對水稻幼苗生長的影響 (1)水稻種子催芽。分別取不同品種水稻種子約200粒，用5%NaClO溶液消毒30 min，蒸餾水沖洗5遍，用蒸餾水浸泡24 h(每8 h換1次水)后，蒸餾水沖洗3遍。把水稻種子置于墊有濾紙的培養(yǎng)皿中并蓋好保鮮膜，在保鮮膜上扎一些孔，置于(28±2) ℃的培養(yǎng)箱中黑暗催芽。

(2)稗草根系分泌物處理水稻苗。將萌發(fā)的水稻種子放入組培瓶中，每個組培瓶放入5粒種子，分別設(shè)置5個處理：將稗草根系分泌物用蒸餾水稀釋10、8、4、2倍(體積比，TM1～TM4處理)及完全稗草根系分泌物處理(TM5)，在組培瓶中分別加入5 mL不同濃度稗草根系分泌物，對照組(CK)加入5 mL蒸餾水。每個梯度設(shè)置4個平行，蓋上蓋子后放入培養(yǎng)箱中，12 h光照、12 h黑暗，溫度(28±2) ℃，培養(yǎng)5 d后測量水稻的根長、株高和側(cè)根數(shù)。

1.3 統(tǒng)計與分析

用Excel進行數(shù)據(jù)整理和圖表繪制，利用DPS 7.05進行方差分析和顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 稗草根系分泌物對水稻種子發(fā)芽勢的影響

2.1.1 化感水稻 稗草根系分泌物對化感水稻種子發(fā)芽勢和發(fā)芽率的影響見表1。從表1可見，稗草根系分泌物處理化感水稻種子24 h后，各品種水稻發(fā)芽勢整體上隨稗草根系分泌物濃度的提高而逐漸減小，其中TM5處理最低，除Ollwae do品種外，其他品種TM5處理與CK差異均達顯著水平(P<0.05)；TM1處理下，Taichung Native1、協(xié)青早B、488、Ollwae do和野澳絲苗等5個品種的發(fā)芽勢均大于CK，且Ollwae do和野澳絲苗的發(fā)芽勢與CK差異達顯著水平。稗草根系分泌物處理水稻種子48 h后，除Ollwae do品種外，其他品種水稻發(fā)芽勢整體上隨稗草根系分泌物濃度的提高而增大。除488和Ollwae do兩個品種外，其他品種水稻發(fā)芽勢均為TM5處理最大，且均與CK存在顯著差異。除了協(xié)青早B和Ollwae do品種外，其他品種不同濃度稗草根系分泌物對不同化感水稻品種的發(fā)芽率均沒有顯著影響，且在低濃度稗草根系分泌物誘導(dǎo)下發(fā)芽率均有所提高，但與CK相比差異不顯著?？傮w來看，高濃度稗草根系分泌物處理導(dǎo)致不同化感水稻品種整體的發(fā)芽勢往后推移，但低濃度稗草根系分泌物對化感水稻發(fā)芽勢未見顯著影響。除了協(xié)青早B和Ollwae do品種外，其他品種稗草根系分泌物對化感水稻發(fā)芽率均無顯著影響。

2.1.2 非化感水稻 稗草根系分泌物對非化感水稻種子發(fā)芽勢和發(fā)芽率的影響見表2。從表2可見，稗草根系分泌物處理非化感水稻種子24 h后，除Lemont品種外，不同濃度稗草根系分泌物處理下，其他5個品種發(fā)芽勢都沒有顯著變化；Lemont品種發(fā)芽勢隨稗草根系分泌物濃度的提高而逐漸減小，且與CK差異均達顯著水平(P<0.05)。稗草根系分泌物處理非化感水稻種子48 h后，不同非化感水稻品種響應(yīng)存在差異。Lemont品種發(fā)芽勢隨稗草根系分泌物處理濃度的提高而逐漸增大，且與CK差異均達顯著水平；塔獻和Man sin發(fā)芽勢隨稗草根系分泌物處理濃度的提高整體呈先增加后減小趨勢，且當稗草根系分泌物濃度最大時，發(fā)芽勢均顯著低于CK；IARI-7130和清香晚品種TM2處理發(fā)芽勢最大，且IARI-7130品種與CK差異達顯著水平。稗草根系分泌物處理對不同非化感水稻發(fā)芽率的影響存在差異，不同濃度稗草根系分泌物對Lemont和IARI-7130的發(fā)芽率有抑制作用，對Naoemzo (b)70和清香晚兩個品種的發(fā)芽率影響不顯著，對塔獻和Man sin的發(fā)芽率有促進作用，且TM4和TM5處理下塔獻品種發(fā)芽率與CK差異達顯著水平；TM2處理下Man sin品種發(fā)芽率與CK差異達到顯著水平。整體來看，不同濃度稗草根系分泌物對不同非化感水稻品種發(fā)芽的影響沒有明顯的規(guī)律。

表1 稗草根系分泌物對化感水稻種子發(fā)芽勢和發(fā)芽率的影響1)Table 1 Effects of barnyard grass root exudates on seed germination potential and germination rate of allelopathic rice %

1)TM1～TM4分別表示稗草根系分泌物稀釋10、8、4、2倍處理，TM5.完全稗草根系分泌物處理，CK.蒸餾水處理；同列數(shù)值后附不同小寫字母者表示差異達0.05顯著水平。

表2 稗草根系分泌物對非化感水稻種子發(fā)芽勢和發(fā)芽率的影響1)Table 2 Effects of barnyard grass root exudates on seed germination potential and germination rate of non-allelopathic riceeds %

1)TM1～TM4分別表示稗草根系分泌物稀釋10、8、4、2倍處理，TM5.完全稗草根系分泌物處理，CK.蒸餾水處理；同列數(shù)值后附不同小寫字母者表示差異達0.05顯著水平；“-”表示未發(fā)芽。

2.2 稗草根系分泌物對水稻苗期根長的影響

2.2.1 化感水稻 稗草根系分泌物對化感水稻苗期根長的影響見表3。從表3可見，除Ollwae do、協(xié)青早B品種外，稗草根系分泌物處理對化感水稻苗期根長生長均有促進作用。協(xié)青早B、Taichung Native1、PI312777等3個品種的苗期根長隨稗草根系分泌物濃度的提高呈先增大后減小的趨勢，3個品種根長最大的處理均為TM2，且分別比CK提高1.24、1.41和1.42倍，差異均達顯著水平(P<0.05)；野澳絲苗品種根長隨稗草根系分泌物濃度的提高總體上呈先增大后減小再增大的趨勢，根系分泌物最大為TM5處理，且顯著高于CK；而稗草根系分泌物濃度對Ollwae do品種的根長影響無明顯規(guī)律，其中TM2處理根長最大，且顯著高于CK。綜合來看，稗草根系分泌物處理對不同化感水稻品種的根長存在差異，但整體表現(xiàn)出一定的促進作用，且隨處理濃度的提高呈先增大后減小的趨勢。

表3 稗草根系分泌物對化感水稻苗期根長的影響1)Table 3 Effects of barnyard grass root exudates on seedling root length of allelopathic rice cm

1)TM1～TM4分別表示稗草根系分泌物稀釋10、8、4、2倍處理，TM5.完全稗草根系分泌物處理，CK.蒸餾水處理；同列數(shù)值后附不同小寫字母者表示差異達0.05顯著水平。

2.2.2 非化感水稻 稗草根系分泌物對非化感水稻品種根長的影響見表4。從表4可見，低濃度的稗草根系分泌物對清香晚、Naoemzo (b)70、Lemont、Man sin等品種的根長生長有促進作用，4個品種根長最大的處理分別為TM1、TM3、TM4、TM4，分別比CK提高1.48、1.57、1.35和1.83倍，且差異均達顯著水平。而TM5處理下，不同品種根長均受到抑制。不同濃度稗草根系分泌物對塔獻和IARI-7130兩個品種的根長均有促進作用，最大促進濃度均為TM4處理。綜合來看，低濃度稗草根系分泌物處理非化感水稻會促進根長的生長，但在高濃度稗草根系分泌物處理下會抑制其根長的生長。

表4 稗草根系分泌物對非化感水稻苗期根長的影響1)Table 4 Effects of barnyard grass root exudates on seedling root length of non-allelopathic rice cm

1)TM1～TM4分別表示稗草根系分泌物稀釋10、8、4、2倍處理，TM5.完全稗草根系分泌物處理，CK.蒸餾水處理；同列數(shù)值后附不同小寫字母者表示差異達0.05顯著水平。

2.3 稗草根系分泌物對水稻幼苗株高的影響

2.3.1 化感水稻 稗草根系分泌物對化感水稻幼苗株高的影響見表5。從表5可見，稗草根系分泌物濃度對野澳絲苗品種株高有先促進后抑制的作用，其中TM1～TM4處理可促進其株高生長(TM4處理下株高最大)，而TM5處理下株高生長被抑制；稗草根系分泌物對488、協(xié)青早B、博B、Taichung Native1、PI312777等品種的株高均有促進作用，株高最大的處理分別為：TM5、TM2、TM3、TM3、TM4，分別比CK提高1.50、1.45、1.57、1.43和1.22倍，且差異達顯著水平(P<0.05)。綜合來看，不同濃度的稗草根系分泌物對不同化感水稻品種株高的作用不同，但總體趨勢為促進作用。

2.3.2 非化感水稻 稗草根系分泌物對非化感水稻幼苗株高的影響見表6。從表6可見，隨著稗草根系分泌物濃度的提高，對塔獻品種株高表現(xiàn)為先促進后抑制，最大促進處理為TM2和TM4，TM5處理下對塔獻株高有抑制作用；稗草根系分泌物對Man sin、IARI-7130、清香晚、Naoemzo (b)70、Lemont等品種的株高均有促進作用，株高最大的處理分別為TM2、TM5、TM2、TM1和TM1，分別比CK提高1.54、1.47、1.20、1.42和1.33倍，且差異均達顯著水平。表明稗草根系分泌物對不同非化感水稻品種株高總體為促進作用。

表5 稗草根系分泌物對化感水稻苗期株高的影響1)Table 5 Effects of barnyard grass root exudates on plant height of allelopathic rice seedlings cm

1)TM1～TM4分別表示稗草根系分泌物稀釋10、8、4、2倍處理，TM5.完全稗草根系分泌物處理，CK.蒸餾水處理；同列數(shù)值后附不同小寫字母者表示差異達0.05顯著水平。

表6 稗草根系分泌物對非化感水稻苗期株高的影響1)Table 6 Effects of barnyard grass root exudates on plant height of non-allelopathic rice seedlins cm

1)TM1～TM4分別表示稗草根系分泌物稀釋10、8、4、2倍處理，TM5.完全稗草根系分泌物處理，CK.蒸餾水處理；同列數(shù)值后附不同小寫字母者表示差異達0.05顯著水平。

2.4 稗草根系分泌物對水稻幼苗側(cè)根數(shù)的影響

2.4.1 化感水稻 由表7可以看出，稗草根系分泌物對化感水稻側(cè)根數(shù)的影響分為3種類型。(1)水稻側(cè)根數(shù)隨稗草根系分泌物濃度的提高逐漸減少，在TM5處理時對側(cè)根數(shù)有抑制作用，且與CK差異達到顯著水平(P<0.05)，如PI312777和野澳絲苗兩個品種；(2)水稻側(cè)根數(shù)隨稗草根系分泌物處理濃度的提高總體呈先增加后減少趨勢，在TM5處理時對側(cè)根數(shù)有抑制作用，且與CK差異達到顯著水平，如Taichung Native1、488、協(xié)青早B和博B等品種；(3)不同稗草根系分泌物濃度均有利于水稻側(cè)根的生長，如Ollwae do品種?？傊薏莞捣置谖飳兴緜?cè)根數(shù)的影響總體表現(xiàn)為低濃度促進、高濃度抑制。

表7 稗草根系分泌物對化感水稻苗期側(cè)根數(shù)的影響1)Table 7 Effects of barnyard grass root exudates on the number of lateral roots of allelopathic rice seedlings 條

1)TM1～TM4分別表示稗草根系分泌物稀釋10、8、4、2倍處理，TM5.完全稗草根系分泌物處理，CK.蒸餾水處理；同列數(shù)值后附不同小寫字母者表示差異達0.05顯著水平。

2.4.2 非化感水稻 由表8可以看出，稗草根系分泌物對非化感水稻側(cè)根的影響也有3種類型。(1)水稻側(cè)根數(shù)隨稗草根系分泌物誘導(dǎo)濃度的提高而逐漸增加，且TM5處理與CK存在顯著差異(P<0.05)，如Man sin和清香晚兩個品種；(2)稗草根系分泌物處理對水稻側(cè)根數(shù)沒有顯著影響，如IARI-7130和Naoemzo (b)70兩個品種；(3)低濃度稗草根系分泌物處理對側(cè)根數(shù)有促進作用，但高濃度則有抑制作用，如Lemont和塔獻兩個品種。總體來看，低濃度稗草根系分泌物處理對非化感水稻側(cè)根數(shù)有促進作用但不顯著，高濃度稗草根系分泌物處理對非化感水稻側(cè)根響應(yīng)的情況則存在差異，這可能與品種不同有關(guān)。

表8 稗草根系分泌物對非化感水稻苗期側(cè)根數(shù)的影響1)Table 8 Effects of barnyard grass root exudates on the number of lateral roots of non-allelopathic rice seedlings 條

1)TM1～TM4分別表示稗草根系分泌物稀釋10、8、4、2倍處理，TM5.完全稗草根系分泌物處理，CK.蒸餾水處理；同列數(shù)值后附不同小寫字母者表示差異達0.05顯著水平。

3 討論與結(jié)論

植物之間的相互識別與植物的根系分泌物密不可分，其對植物之間的協(xié)同進化具有重要意義[20]。Kato-noguchi et al[21]利用稗草脅迫PI312777水稻表明，在稗草脅迫下水稻根系分泌的momilactone B含量顯著增加。Kong et al[22]認為在稗草脅迫下水稻可以合成5,7,4′-trihydroxy-3′,5′-dimethoxyflavone和環(huán)己酮(3-isopropyl-5-acetoxycyclohexene-2-one-1)兩種化感物質(zhì)。Kong et al[23]研究發(fā)現(xiàn)，稗草脅迫下，化感水稻可以釋放更多的化感物質(zhì)類黃酮。He et al[11]利用不同種植比例稗草脅迫發(fā)現(xiàn)，隨著稗草脅迫的增強，化感物質(zhì)酚酸含量逐漸增多。Guo et al[24]研究表明，在稻/稗共培下，稗草會產(chǎn)生2,4-dihydroxy-7-methoxy-1,4-benzoxazin-3-one(DIMBOA)和momilactone A來抑制水稻生長。本研究利用稗草根系分泌物直接處理不同化感潛力水稻，在消除資源競爭因子的同時，研究稗草根系分泌物中誘導(dǎo)組分對不同化感潛力水稻的影響是否具有共性，發(fā)現(xiàn)稗草根系分泌物處理對非化感潛力水稻24 h發(fā)芽勢沒有顯著影響；高濃度的稗草根系分泌物會使化感水稻24 h發(fā)芽勢減小，但低濃度稗草根系分泌物對其沒有顯著影響；稗草根系分泌物對不同化感潛力水稻發(fā)芽率沒有顯著影響。說明化感水稻種子發(fā)芽對稗草根系分泌物處理比非化感水稻要敏感，但對水稻發(fā)芽率沒有影響。這可能是由于化感水稻識別到稗草信號物質(zhì)后通過調(diào)整集體萌發(fā)的時間，使同一時間種群數(shù)量增加，提高競爭優(yōu)勢?；兴緦Π薏菥哂锌剐?，所以在低濃度稗草根系分泌物處理下，對其萌發(fā)不會產(chǎn)生影響，高濃度稗草根系分泌物處理則使化感水稻感知到稗草脅迫而產(chǎn)生相應(yīng)的響應(yīng)。而非化感水稻對稗草根系分泌物中的信號物質(zhì)不敏感，因此稗草根系分泌物濃度變化不會對非化感水稻產(chǎn)生影響。

外源物質(zhì)誘導(dǎo)植物生長通常表現(xiàn)為低濃度促進、高濃度抑制[25]。本研究表明，低濃度稗草根系分泌物對不同化感潛力水稻幼苗的生長均有一定的促進作用，但在高濃度下對非化感水稻幼苗根長和株高均有抑制作用，對化感水稻根長和株高沒有顯著的影響。這可能是因為稗草根系分泌物中含有可以抑制水稻生長的DIMBOA[24]，化感水稻本身可以產(chǎn)生化感物質(zhì)，因此對稗草的抗性要強于非化感水稻。

化感水稻主要通過根系分泌化感物質(zhì)[10]。側(cè)根數(shù)量的增加有利于增大水稻根系的表面積，增加水稻化感物質(zhì)的分泌。本研究表明，低濃度稗草根系分泌物誘導(dǎo)可以促進化感水稻側(cè)根的生長，但高濃度會抑制其生長。這可能是化感水稻苗期對稗草根系分泌物的響應(yīng)比較敏感，對稗草根系毒性物質(zhì)的耐性不高，所以在高濃度下會抑制側(cè)根的生長。稗草根系分泌物對大部分非化感水稻品種側(cè)根數(shù)生長的影響不顯著。這可能是非化感水稻與化感水稻響應(yīng)雜草脅迫的生存策略差異導(dǎo)致，化感水稻通過增加根系數(shù)量增大分泌化感物質(zhì)的根面積，從而分泌更多化感物質(zhì)以抑制雜草，而非化感水稻通過增加資源競爭優(yōu)勢來獲得生存優(yōu)勢。本研究揭示不同化感潛力水稻在苗期能夠識別稗草并產(chǎn)生不同增強競爭力措施的機制，從苗期開始調(diào)控水稻生長，以增強其苗期的競爭力，這對田間管理具有重要的作用。