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起源于南美洲的菊科植物黄顶菊(Flaveriabidentis)自2001年传入我国来,已经在河北省,天津市,山东省,河南省等地区广泛入侵分布,并在这些地区造成了严重的经济、生态环境和生物多样性损失,甚至对人畜健康构成了一定的威胁。深入揭示黄顶菊入侵扩展机理,对于成功实现对此杂草的可持续控制具有十分重要的意义。在外来植物的入侵机理和黄顶菊种群扩展特征研究的基础上,本研究从化学感应物质的淋溶作用途径角度,分析了黄顶菊水浸提液对玉米种子萌发期和玉米幼苗生长期作用的生理、形态结构以及作用机理的系列研究。
1.黄顶菊水浸提液制备。称取新鲜健康的黄项菊地上部分植株,室温条件下用蒸馏水浸泡,抽滤,将所得滤液经微孔滤膜过滤,得到浓度为0.1g/mL的母液(用1000mL蒸馏水浸提100g黄顶菊植物粉末)并稀释成两种(0.05、0.01g/mL)不同浓度。
2.黄顶菊水浸提液对玉米种子萌发的影响研究。无菌条件下,用三种浓度黄顶菊水浸提液和蒸馏水(对照)分别处理玉米种子后测定玉米(纪元1号)种子的萌发率、胚根长、胚芽长以及含水量。结果表明,不同浓度处理后每个萌发指标存在显著差异,在处理后72-120h之间的种子萌发率仅为25-30%,胚根和胚芽长度分别只有0.2cm和0.1cm以下,而对照种子发芽率则高于85-95%,胚根、胚芽的长度长于5.5cm和1.2cm。处理后胚根含水量为9.8-30.5%,胚芽含水量5.6-21.8%,而对照中胚根、胚芽含水量达到90%以上。处理后每隔12h测定种子中可溶性蛋白(SP)、可溶性糖(WSS)、丙二醛(MDA)、过氧化物酶(POD)、超氧化歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和脯氨酸(Pro)含量。SP含量随着黄顶菊水浸提液质量浓度的增加,呈下降趋势;MDA和WSS含量高于对照,变化趋势一样,72h后,不同浓度处理之间没有显著差异;POD含量在整个萌发过程中明显少于对照,其含量随着处理浓度的增加和萌发进程逐渐增加;黄顶菊水浸提液低浓度(0.01、0.05g/mL)作用玉米种子时,种子萌发前72h时,体内CAT和SOD明显高于对照,而在72h之后,玉米种子中两者含量明显低于对照。经黄项菊水浸提液处理后的玉米种子萌发过程中Pro相比对照,含量明显增加,但24-72h期间,Pro含量先降低后增加。结果表明,随着黄顶菊水浸提液浓度增加,水浸提液胁迫作用明显,黄顶菊化感作用越明显。
3.黄顶菊水浸提液对玉米幼苗生长的影响研究。不同浓度的黄项菊水浸提液处理无土栽培的玉米幼苗,每4d测定幼苗株高、主根长、侧根数,叶片中SP’WSS、MDA、POD、SOD、CAT、叶绿素(CHL)和Pro含量以及光合速率。结果表明,黄顶菊水浸提液对玉米幼苗株高、主根长和侧根数以及整株鲜重具有明显的抑制作用,且每个处理与对照相比差异显著(P<0.05)。幼苗叶片中MDA、WSS含量和POD、SOD、CAT活性均高于对照,而SP含量、CHL,含量和光合速率明显低于对照。16d,经黄顶菊水浸提液处理后的幼苗叶片中SP含量低于1μg/g,而对照中SP含量(5.58μg/g)是最高浓度(0.1g/mL)处理后幼苗叶片含量的13.23倍:WSS和Pro含量变化趋势基本一致,对照中WSS和Pro含量均低于处理,在整个测定过程中,两者含量增幅均小于9%;而处理中WSS含量增幅达到45%以上,Pro含量增幅为30%左右。经0.1g/mL,黄顶菊水浸提液处理后的玉米幼苗叶片中CHL含量(0.68mg/g)仅为对照的0.39倍,幼苗叶片光合速率是对照(108.01μmol·O2/dm2·h)的0.26倍。处理后4-12d,两个高浓度(0.05、0.1g/mL)处理后,幼苗叶片中MDA含量增幅分别达29.3%和40.1%。整个生长过程中,黄顶菊水浸提液(0.01g/mL)处理后的幼苗叶片中WSS含量增幅为45.9%,为最大。12-16d时,最低浓度处理后POD活性增幅为5.8%,两个较高浓度(0.05、0.1g/mL)处理后POD活性增幅分别为12.0%和18.4%,高于对照中叶片POD活性增幅5.5%。黄项菊水浸提取液(0.01、0.05g/mL)处理下后幼苗叶片中SOD活性明显升高,处理12d时,0.1g/mL处理幼苗叶片中SOD活性开始显著下降。黄顶菊水浸提取液处理幼苗4d,两个较高(0.05、0.1g/mL)浓度作用幼苗叶片CAT活性低于对照,随着幼苗生长,CAT活性明显提高。经最高浓度处理叶片中CAT活性增幅最大,达到129.4%。结果表明,黄项菊水浸提液能够抑制幼苗的生长,水浸提液浓度越大,黄项菊的化感抑制作用越明显。
4.黄顶菊水浸提液对玉米种子和幼苗的形态结构影响研究。应用扫描电镜和透射电镜技术,观察比较黄顶菊水浸提液(0.1g/mL)处理后玉米种子和幼苗的形态结构变化。结果表明,玉米种子萌发表现为胚根、胚芽长度短小,侧根数目少,有的种子甚至不萌发。玉米幼苗植株表现出矮小,叶片数量稀少,根短小易破,侧根数量减少。观察处理后的种子内部结构,糊粉层和种皮之间明显出现断面,部分糊粉层严重溃陷变形,部分盾片细胞已经成为空室且有较大空隙,这些交化致使种子活性显著降低或几乎完全丧失。经黄顶菊水浸提液处理后的胚根横切细胞排列不整齐,结构破坏甚至出现断层。玉米种子胚和胚乳细胞出现细胞壁分离,细胞质比较稀少,有大液泡或者空洞出现,相联细胞间有明显的空隙,胞间连丝数量稀少,胞内没有明显的油脂粒,而胚乳细胞中只有比较明显的淀粉粒,脂质体出现。玉米幼苗根系表皮脱落细胞很多,根冠顶部细胞干瘪,部分脱落,顶部表层细胞中很多仅剩下空的细胞腔。内层细胞已经基本暴露出来,细胞内细胞质明显淡稀,有很多大液泡出现,液泡中可见有高电子密度颗粒,细胞核消融甚至没有,很多核仁已经消失,内质网和高尔基体数量减少,囊泡也减少,内质网和高尔基体膜结构模糊甚至消失,线粒体不发达,结构损伤,不完整,细胞质中含有较少量的油脂体。
5.黄顶菊水浸提液对玉米种子和幼苗作用的内部机理研究。经黄项菊水浸提液处理后的玉米种子和幼苗体内赤霉素(GA)和脱落酸(ABA)含量均发生了明显变化,与对照均有显著性差异,GA含量随着处理浓度增大而减少,ABA含量则随着处理浓度增大而增加。处理前期,GA含量随着处理时间的延长明显降低,ABA含量随着处理时间的延长明显上升。最低浓度(0.01g/mL)处理后的玉米种子中GA和ABA含量增幅分别达到116.2%和234.9%。黄顶菊水浸提液处理幼苗叶片中GA含量增幅达50%,ABA含量增幅达30%。这表明,黄顶菊水浸提液浓度越大,GA和ABA含量变化越明显,黄顶菊植株的化感抑制作用越强。
综上所述,黄顶菊对玉米具有较强的化感抑制作用,其植株水浸提液可抑制玉米种子的萌发和幼苗生长。经水浸提液处理后,处于萌发状态中的玉米种子盾片、糊粉层、胚细胞和胚乳细胞等细胞结构被严重破坏,胚根整体解剖结构和幼苗根尖组织结构都发生异常变化,种子和幼苗细胞中赤霉素的含量显著降低而脱落酸含量则明显提高,这些结果明确地揭示了黄顶菊对玉米植物的化感抑制作用机理,为进一步研究和阐述黄顶菊的入侵性提供理论依据。