張 玥 張泉靈 洪 志 闞子涵 儲昭月 陶 冶

（安慶師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，皖西南生物多樣性研究與生態(tài)保護(hù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安慶 246133）

生物入侵已經(jīng)成為全球性的生態(tài)問題［1～2］。截至2017 年，我國外來入侵物種的數(shù)目已經(jīng)達(dá)到754 種，其中入侵植物所占的比例最大（數(shù)據(jù)來源于中國外來入侵物種數(shù)據(jù)庫）。這些入侵種不僅給國家?guī)砭薮蟮慕?jīng)濟(jì)損失［3］，更嚴(yán)重的是會使當(dāng)?shù)厣锒鄻有凿J減，造成難以恢復(fù)的生態(tài)損失［4］。如豚草（Ambrosia artemisiifolia）和空心蓮子草（Alternanthera philoxcroides）每年對農(nóng)、林、漁業(yè)造成的直接經(jīng)濟(jì)損失約30.0億元［5］；再如入侵深圳內(nèi)伶仃島的微甘菊（Mikania micrantha），不僅能嚴(yán)重遮蔽植物使其不能光合作用而枯萎，甚至還能將樹木和花草直接絞殺致死，導(dǎo)致該地區(qū)植物多樣性降低［6］。因此，揭示入侵植物的入侵機(jī)理及探尋入侵植物防治方法與技術(shù)是近十年來的研究重點(diǎn)。

入侵植物之所以能夠在與本地種的競爭中取得勝利，與其自身超強(qiáng)的適應(yīng)性、新入侵地的高可入侵性以及化感作用都密切相關(guān)［7］。其中，外來入侵植物的化感作用可以通過抑制種子萌發(fā)和植株生長來排擠本土植物，是其能夠成功入侵的重要手段之一［8］。關(guān)于化感作用有兩種相關(guān)假說，即新武器假說（novel weapon hypothesis）［9］和新防衛(wèi)假說（novel defence hypothesis）［10］，這兩者合稱為化學(xué)武器假說（chemical weapon hypothesis）［11］。該假說認(rèn)為，本地植物與植物之間由于經(jīng)過了長期的協(xié)同進(jìn)化，形成了對彼此化感物質(zhì)的抗性，導(dǎo)致化感作用的影響不明顯；然而本土植物由于沒有與入侵植物間長期的進(jìn)化適應(yīng)，就可能會被入侵植物抑制［12］。在入侵植物種類和入侵范圍日益擴(kuò)大的背景下，同一入侵地被多種入侵植物侵占的概率也逐漸增加［13］。那么，如果兩種原產(chǎn)地不同的入侵植物在同一生境中生長，它們之間也沒有經(jīng)過長期的進(jìn)化適應(yīng)，在這種情況下哪種入侵植物的生長受到抑制？目前對這一方面的了解還極為缺乏。

北美車前（Plantago virgica）原產(chǎn)于北美，野胡蘿卜（Daucus carota）原產(chǎn)于歐洲，現(xiàn)在均遍布全國各地［14］。研究團(tuán)隊(duì)在野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，有些地方入侵植物北美車前種群密度極高，幾乎無其他本地植物生長，但另一入侵植物野胡蘿卜卻常與之混生。那么，野胡蘿卜和北美車前之間應(yīng)當(dāng)存在一定程度的種間互作；有研究表明，這2 種入侵植物對供試禾本科植物均表現(xiàn)出一定的化感潛能［15］，但二者之間的化感作用方式及強(qiáng)度尚不得而知。依據(jù)化學(xué)武器假說，這2種尚未長時(shí)間相互適應(yīng)進(jìn)化的植物之間應(yīng)該具有較強(qiáng)的化感作用。

為揭示入侵植物北美車前和野胡蘿卜種內(nèi)、種間化感作用的強(qiáng)弱，本研究通過室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)地分析了2種植物不同器官、不同濃度的水浸提液對二者植物種子萌發(fā)和幼苗生長的影響，揭示影響入侵植物化感作用強(qiáng)度的關(guān)鍵因素（物種、器官或濃度）。研究結(jié)果有助于深入理解入侵植物種內(nèi)與種間化感作用在其成功入侵中的作用，有助于進(jìn)一步認(rèn)識和預(yù)測多個(gè)入侵種所在群落的發(fā)展變化趨勢，并為入侵植物的化感作用研究及其種內(nèi)種間關(guān)系研究提供新資料。

1 材料與方法

1.1 材料收集與水浸提液制備

北美車前和野胡蘿卜植株于2018 年5～6 月采集于安慶師范大學(xué)校園內(nèi)，并在6～7月采集種子。

將北美車前、野胡蘿卜植物體除雜后，用蒸餾水沖洗3 次，將植物根、莖、葉3 部分分別剪下，分類，自然晾干，用粉碎機(jī)打碎成粉末后密封儲存?zhèn)溆谩７謩e稱取北美車前根、花序軸、葉和野胡蘿卜根、莖、葉粉末各50 g，加入500 mL蒸餾水，置于恒溫培養(yǎng)振蕩器中以25℃、180 r·min-1條件下浸提48 h，再取上清液并用濾紙過濾后，得到質(zhì)量濃度為0.1 g·mL-1的浸提原液，用蒸餾水稀釋成0.05、0.01和0.005 g·mL-1（高濃度、中濃度、低濃度）浸提液4℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 化感作用測定

本試驗(yàn)采用2 種入侵植物，分3 種器官，設(shè)置高、中、低及對照（蒸餾水，CK）4個(gè)濃度，共20種處理（6 個(gè)CK 只需2 個(gè)即可），分別以已破除休眠北美車前、野胡蘿卜的種子作為受體進(jìn)行化感作用的測定。選取顆粒飽滿、大小均勻的供試種子經(jīng)0.2%的氫氧化鈉溶液消毒20 min，晾干后備用。在直徑9 cm 的潔凈培養(yǎng)皿中墊入雙層濾紙，每皿放入50粒種子，分別加入兩種供試植物不同器官、不同濃度等體積的浸提液，重復(fù)5個(gè)。將培養(yǎng)皿置于25/15℃，光照強(qiáng)度2 000 lx，光照時(shí)間為15 h·d-1的恒溫光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。每天適當(dāng)補(bǔ)充相應(yīng)濃度浸提液，使濾紙保持濕潤。

1.3 測定指標(biāo)及方法

觀察記錄各培養(yǎng)皿中種子萌發(fā)數(shù)量，萌發(fā)標(biāo)準(zhǔn)為胚根或胚軸突破種皮1～2 mm。當(dāng)種子萌發(fā)數(shù)穩(wěn)定時(shí)萌發(fā)實(shí)驗(yàn)結(jié)束，統(tǒng)計(jì)此時(shí)的萌發(fā)率。同時(shí)從每個(gè)培養(yǎng)皿中隨機(jī)挑出15 株幼苗，測量每株幼苗的全長和子葉長。各指標(biāo)計(jì)算公式如下：

式（2）中：化感作用效應(yīng)指數(shù)（RI）采用Williamson和Richacrdson［16］提出的對化感效應(yīng)檢驗(yàn)的方法計(jì)算。C 為對照值，T 為處理值；RI 表示化感作用強(qiáng)度大小，正值表示促進(jìn)效應(yīng)，負(fù)值表示抑制效應(yīng)，其絕對值大小反映化感作用的強(qiáng)弱。

綜合化感效應(yīng)指數(shù)（SE）：供體植物對同一受體植物的各個(gè)測試指標(biāo)RI的算術(shù)平均值［17］。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用GLM 模型對種子最終萌發(fā)率、植株全長和子葉長進(jìn)行3 因素方差分析（化感物質(zhì)來源物種、器官及浸提液濃度），判斷各因素的影響作用大小及其交互作用；隨后對各指標(biāo)進(jìn)行單因素方差分析，判斷其在不同濃度及器官之間的差異性；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用Levene’s test檢驗(yàn)方差齊性與否，用Duncan 法進(jìn)行多重比較。使用SPSS 17.0（SPSS Inc，USA）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用Excel軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 2種入侵植物種子萌發(fā)和幼苗生長各影響因素的變異解釋量

3因素方差分析表明，除物種及其與器官交互作用對野胡蘿卜最終萌發(fā)率無顯著影響外（見表1），2 種入侵植物3 個(gè)萌發(fā)和生長指標(biāo)均受入侵植物種類、器官類型、浸提液濃度及3 者之間交互作用的顯著影響。在3個(gè)單因素中，浸提液濃度的變異解釋量最高（15.90%～38.59%），其中浸提液濃度對北美車前幼苗全長的影響最大。在交互作用中，器官×浸提液濃度及3 因素交互對入侵植物種子萌發(fā)和幼苗生長的影響最大，物種和器官及物種和濃度交互作用的影響相對較小。

表1 北美車前和野胡蘿卜萌發(fā)率及幼苗長度的3因素方差分析Table 1 Three-way ANOVA of germination and seedling length of P.virgica and D.carota

2.2 北美車前水浸提液對野胡蘿卜的化感影響

與對照組相比，北美車前不同器官各濃度浸提液對野胡蘿卜萌發(fā)率都表現(xiàn)出抑制作用（見圖1A），但僅有0.05 g·mL-1的花序軸浸提液抑制作用顯著（P＜0.05），且0.05 g·mL-1花序軸浸提液處理下，野胡蘿卜萌發(fā)率最低（51.6%）。對幼苗生長影響的分析發(fā)現(xiàn)（見圖1B，C），同樣是在0.05 g·mL-1花序軸浸提液處理下，對全長和子葉長抑制作用最強(qiáng)。除0.01 g·mL-1葉浸提液對野胡蘿卜幼苗全長有顯著促進(jìn)作用外，其余各處理均呈現(xiàn)不同程度的抑制；野胡蘿卜幼苗子葉長隨根、葉浸提液濃度升高其促進(jìn)作用均表現(xiàn)為先增強(qiáng)后減弱，而隨花序軸浸提液濃度升高表現(xiàn)為“低促高抑”現(xiàn)象。

2.3 野胡蘿卜水浸提液對北美車前的化感影響

結(jié)果表明，0.05 g·mL-1野胡蘿卜葉浸提液顯著抑制北美車前種子的萌發(fā)率（P＜0.05），與對照組相比下降了88.4%，其他器官浸提液處理下的萌發(fā)率與對照接近且無顯著差異（見圖2A）。隨著野胡蘿卜根、莖浸提液濃度的提高，北美車前幼苗全長表現(xiàn)出“低促高抑”現(xiàn)象，而其幼苗子葉長卻均表現(xiàn)為促進(jìn)作用（見圖2B，C）；隨野胡蘿卜葉浸提液濃度升高，北美車前全長逐漸縮短，但子葉長表現(xiàn)為低濃度促進(jìn)高濃度抑制現(xiàn)象。

2.4 北美車前水浸提液對北美車前的化感影響

除0.01 g·mL-1花序軸浸提液處理下的萌發(fā)率與對照相同外，其余各處理下北美車前種子的萌發(fā)率隨浸提液濃度升高均有不同程度的下降（見圖3A），但與對照相差均較小，即使是抑制作用最強(qiáng)的0.01 g·mL-1根浸提液，其萌發(fā)率仍高達(dá)97.2%。北美車前根和葉所有濃度浸提液對自身幼苗全長均表現(xiàn)出“劑量效應(yīng)”，即浸提液濃度越大抑制作用越強(qiáng)；隨莖浸提液濃度升高幼苗全長表現(xiàn)為先促進(jìn)后抑制現(xiàn)象。與之相反的是，北美車前各器官所有浸提液對其幼苗子葉長均表現(xiàn)為顯著促進(jìn)作用（P＜0.05）。

2.5 野胡蘿卜水浸提液對野胡蘿卜的化感影響

野胡蘿卜根和葉浸提液隨濃度升高對種子萌發(fā)的抑制作用增強(qiáng)（見圖4A），其中抑制作用最強(qiáng)的是0.05 g·mL-1葉浸提液，種子萌發(fā)率僅為21.6%。同樣，在0.05 g·mL-1葉浸提液濃度下（見圖4B，C），幼苗全長和子葉長最低，幼苗幾乎不生長。根和莖的浸提液對幼苗全長也有顯著抑制作用（P＜0.05），且莖的抑制強(qiáng)度要顯著大于根（P＜0.05）。除最高濃度葉浸提液外，其他各器官所有濃度浸提液均不同程度地促進(jìn)了野胡蘿卜幼苗子葉的生長。

2.6 北美車前和野胡蘿卜種內(nèi)及種間的綜合化感效應(yīng)指數(shù)

在浸提液濃度上，野胡蘿卜和北美車前各器官浸提液對各自的綜合化感效應(yīng)均表現(xiàn)為高濃度最高（絕對值），即高濃度抑制效應(yīng)最顯著；在2 個(gè)物種的4個(gè)種對中，野胡蘿卜高濃度浸提液對北美車前的化感效應(yīng)最強(qiáng)（見圖5A）。從植物不同器官來看，莖浸提液中，北美車前對野胡蘿卜的化感效應(yīng)最強(qiáng)（見圖5B）；葉浸提液中，野胡蘿卜對北美車前的化感作用最強(qiáng)，野胡蘿卜對其自身的化感作用其次。不同器官浸提液化感抑制作用由強(qiáng)到弱的順序?yàn)?，葉＞莖＞根（野胡蘿卜），花序軸＞葉＞根（北美車前）。總體來看，地上器官的化感作用強(qiáng)于地下根系。

3 討論

研究表明，植物器官浸提液對植物種子萌發(fā)有顯著影響［18］，如不同濃度薄殼山核桃（Carya illinoensis）根系水浸提液對小麥、大豆的萌發(fā)有不同程度的抑制作用，且隨著濃度的增大抑制作用增強(qiáng)［19］。沙芥（Pugionium cornutum）水浸提液對白菜種子萌發(fā)表現(xiàn)為抑制作用并呈濃度效應(yīng)，即浸提液濃度越高，抑制作用越強(qiáng)［20］。這些研究成果與本研究相同，即3因素方差分析顯示濃度具有最強(qiáng)的變異解釋量（即影響最大），且得到單因素方差分析和綜合化感效應(yīng)指數(shù)的印證。不同入侵種之間的化感作用強(qiáng)度也有差異，如北美車前各器官、各濃度浸提液對于自身種子和野胡蘿卜種子萌發(fā)的抑制作用均較弱，而野胡蘿卜各器官浸提液中葉浸提液的化感作用強(qiáng)度最高。

盡管浸提液濃度對化感效應(yīng)的影響最大，但北美車前和野胡蘿卜不同器官、不同濃度浸提液對自身和對方幼苗全長和子葉長的影響情況不同，有的促進(jìn)，有的抑制，也有的表現(xiàn)出低濃度促進(jìn)、高濃度抑制等多種形式；這與苦瓜（Momordica charantia）、秸稈不同器官水浸提液對3 種雜草化感抑制作用強(qiáng)弱不同的現(xiàn)象一致［21］。2 個(gè)物種各器官中、低濃度浸提液總體上對雙方幼苗生長均有促進(jìn)效果，在一定程度上說明這2種入侵植物可能會通過種內(nèi)的化感作用來幫助自己生長［22～23］，從而提高自身的入侵性，使之在與其他物種競爭中更有優(yōu)勢，印證了北美車前可在野外形成密度極高的單優(yōu)群落。另外，高濃度野胡蘿卜葉對野胡蘿卜自身和北美車前幼苗生長都有極強(qiáng)的抑制效果，野胡蘿卜雖有少數(shù)萌發(fā)但一直沒有生長，無法測量得出全長和子葉長，北美車前幼苗的全長和子葉長相比對照組也顯著縮短，長度分別約為對照組的1/5 和1/2。這表明野胡蘿卜葉中的化感物質(zhì)會抑制北美車前和野胡蘿卜幼苗對于水分和營養(yǎng)物質(zhì)的吸收以及光能的利用，這也與野外所觀察到的野胡蘿卜雖植株高大但分布稀疏的現(xiàn)象相符。因此，從入侵植物化感作用“對自己促進(jìn)，對對方抑制”的結(jié)果可以推測，多個(gè)入侵植物共同生存于同一生境，對自己促進(jìn)作用更強(qiáng)而對別的入侵種抑制作用更強(qiáng)的入侵植物，將更具入侵性和擴(kuò)散性；而對自己促進(jìn)作用較弱且對別的物種抑制作用較弱的入侵植物，在共生過程中可能會被逐漸淘汰或邊緣化。如此以來，多入侵種共生的群落，其物種組成和群落結(jié)構(gòu)也將會發(fā)生動態(tài)演變。

同一植物不同器官之間的化感作用通常有差異［24］，這可能是由于不同器官中所含化感物質(zhì)的種類與含量不同導(dǎo)致的［25～26］。眾多研究表明，植物體地上部分的化感作用強(qiáng)度要強(qiáng)于地下部分，且往往葉＞莖＞根。在同一濃度下，豚草（Ambrosia artemisiifolia）水浸液對玉米（Zea mays）等作物種子萌發(fā)及幼苗生長的影響強(qiáng)度順序均為地上部分強(qiáng)于地下部分［27］。但也有研究得出相反結(jié)果，如葎草（Humulus scandens）地下部分浸提物較地上部分對空心蓮子草（Alternanthera philoxeroides）的化感抑制強(qiáng)度更明顯［28］。本研究結(jié)果與豚草相似，總體上不同器官浸提液的化感作用強(qiáng)弱順序?yàn)槿~＞莖＞根（野胡蘿卜）及花序軸＞葉＞根（北美車前），即地上強(qiáng)于地下。野胡蘿卜葉浸提液的化感作用強(qiáng)度最高，高濃度條件下北美車前和野胡蘿卜種子萌發(fā)率分別下降88.4%和47.2%，這一結(jié)果也表明野胡蘿卜葉可能具有一定的生物除草劑開發(fā)利用價(jià)值。

近年來，國內(nèi)的確有少部分學(xué)者們已開始關(guān)注開展了大量關(guān)于入侵植物間的化感作用的研究，但它們往往關(guān)注于多注重入侵植物對本地種的影響以及提取化感物質(zhì)開發(fā)生物除草劑，而卻通常忽視了伴生共生入侵植物之間的相互化感作用，更鮮少也極少考慮到它們不同原產(chǎn)地的問題。個(gè)別研究發(fā)現(xiàn)，如原產(chǎn)熱帶非洲和亞洲的五爪金龍（Ipomoea cairica）葉片水浸提液對與之伴生原產(chǎn)中美的薇甘菊（Mikania micrantha）種子萌發(fā)和根生長都有強(qiáng)烈的抑制效果［20］。原產(chǎn)南美的假臭草（Praxelis clematidea）在野外也與五爪金龍伴生，且其葉水浸液對五爪金龍的幼苗生長的抑制強(qiáng)度位于供試的17 種具有化感作用的入侵植物之首［29］?？梢园l(fā)現(xiàn)，這幾種入侵植物原產(chǎn)地各不相同，但在入侵地卻相鄰生長，且都體現(xiàn)出顯著的抑制效果。在本研究中，我們選取的是原產(chǎn)于北美的北美車前和原產(chǎn)于歐洲的野胡蘿卜，種內(nèi)種間的化感實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這2種入侵植物無論是種內(nèi)還是種間，總體上也均呈相互抑制作用?？梢姡捎诒泵儡嚽昂鸵昂}卜原產(chǎn)地不同而在入侵地未經(jīng)長時(shí)間共同進(jìn)化，很可能會對彼此的化感物質(zhì)更敏感，從而抑制對方的種子萌發(fā)和幼苗生長，導(dǎo)致種間競爭激烈，這很好地印證了“化學(xué)武器假說”的推論［9～11］。當(dāng)然這一結(jié)論尚缺乏與已長期適應(yīng)的入侵種的對比，因此還需要開展進(jìn)一步的研究加以證實(shí)。

本研究中從化感作用的角度探討了入侵植物間的相互作用，揭示了北美車前和野胡蘿卜種內(nèi)和種間的化感作用強(qiáng)弱，對于深入研究同一入侵地多種入侵植物群落內(nèi)的種間關(guān)系和預(yù)測群落演變具有一定的理論價(jià)值。但在自然條件下化感作用只是入侵植物種間互作的一個(gè)方面，若要徹底厘清它們之間的關(guān)系，還需要開展室外實(shí)驗(yàn)結(jié)合其他因素綜合評價(jià)這2 種來源不同的共生入侵植物的競爭強(qiáng)弱及對于本地種和群落的影響。