張清旭, 張 奇,2, 馬華燕, 馮常青, 張偉彬, 李家玉, 王海斌, 何海斌

(1.福建省農(nóng)業(yè)生態(tài)過程與安全監(jiān)控重點實驗室/福建農(nóng)林大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350002；2.武夷學(xué)院茶與食品學(xué)院，福建 武夷山，354300；3.龍巖學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，福建 龍巖 364012)

植物化感作用是指植物通過向環(huán)境中釋放特定的次生代謝物質(zhì)，從而對鄰近其他植物的生長發(fā)育產(chǎn)生有益或有害的影響[1].由于化感作用源于植物自身釋放的化感物質(zhì)，能抑制伴生雜草的生長發(fā)育，因此被廣泛認為是一種可持續(xù)的雜草防控策略[2-7].這種方法沒有向農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)引入化學(xué)物質(zhì)，不會帶來諸如化學(xué)農(nóng)藥等引起的環(huán)境問題，因此是一種資源節(jié)約、環(huán)境友好的雜草生物防治方法，也成為抗草育種的新途徑[8].培育抑草能力強且穩(wěn)定性好的化感稻品種是減少化學(xué)農(nóng)藥使用，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效策略之一.

水楊酸(salicylic acid, SA)是植物體內(nèi)的能產(chǎn)生植物系統(tǒng)獲得抗性的一種內(nèi)源信號分子，可以誘導(dǎo)植物產(chǎn)生抗性因子，抵御外界環(huán)境變化帶來的傷害[9].外源水楊酸具有誘導(dǎo)水稻產(chǎn)生獲得性抗性的作用，如水稻抗病性、非生物脅迫抗性等[10-13].已有相關(guān)的報道證實水稻化感作用可以被外源化學(xué)物質(zhì)誘導(dǎo)提高[14-15].劉亞洲等[16]采用水楊酸誘導(dǎo)水稻，發(fā)現(xiàn)水稻化感作用關(guān)鍵基因C4H在誘導(dǎo)后表達上調(diào).徐高峰等[17]研究表明，水楊酸可提高野生稻的化感潛力.張智慧等[18]研究表明，水楊酸可提高水稻防御相關(guān)酶活性，進而提高水稻化感潛力.可見，水楊酸誘導(dǎo)可提高水稻化感潛力.水楊酸誘導(dǎo)在提高水稻化感潛力的同時，對于水稻生長是否存在一定的影響，涉及該方面的研究還鮮有報道.深入探索水楊酸誘導(dǎo)對水稻生長的影響，特別是水稻化感潛力與生理指標(biāo)之間關(guān)系，對于后期高產(chǎn)、高化感潛力水稻篩選具有重要的意義.

據(jù)此，本試驗以不同化感潛力水稻品種為材料，采用添加水楊酸的水培法種植，探究水楊酸誘導(dǎo)對水稻苗期化感潛力及生理、形態(tài)指標(biāo)的影響，并進一步分析水稻化感潛力與生理、形態(tài)指標(biāo)之間的關(guān)系.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

在前期以75個常規(guī)水稻品種通過水培法篩選的試驗基礎(chǔ)上，選擇10個不同化感潛力水稻品種為材料，分別為PI312777、Taichung Native Ⅰ、特優(yōu)884、2.6-窄早、博B、協(xié)青早B、Jo na zo、Mack do、84ve314、Lemont.

1.2 水稻種植與水楊酸誘導(dǎo)處理

將水稻種子置于燒杯中，加入蒸餾水浸泡，除去不飽滿的種子和漂浮物，滴加2滴0.5%的NaClO溶液處理20 min，用蒸餾水清洗4～5次后，再加入蒸餾水浸泡，每6 h換1次水.浸泡24 h后，將水倒掉，瀝干燒杯中的水分，用保鮮膜封住燒杯口，并用鑷子在保鮮膜上扎8～10個小孔，于28 ℃恒溫培養(yǎng)箱中避光放置，待種子冒芽后，用蒸餾水將種子清洗干凈.將紗網(wǎng)(孔徑2 mm)用夾子固定在育苗盆上，然后將預(yù)萌發(fā)的種子平鋪于紗網(wǎng)上，往育苗盆中加蒸餾水至水面與種子接觸，置于30 ℃恒溫光照培養(yǎng)箱(12 h光照，12 h黑暗)中培養(yǎng)，其間注意補充適量的蒸餾水.待水稻長至一葉一心時，將水稻移植至塑料盆中.每個塑料盆(長29 cm×寬19 cm×高8 cm)中裝入2 L完全營養(yǎng)液.塑料盆中懸浮厚度為1.5 cm的泡沫板，每個泡沫板上用打孔器均勻打20(5×4)個小孔.選取長勢一致的水稻幼苗移栽至泡沫板上的孔中，并用泡沫塞固定，每盆種植20株，每個品種水稻種植6盆.將移栽好的水稻放置于室外培養(yǎng)，每天補充蒸餾水使塑料盆內(nèi)培養(yǎng)液總體積為2 L，每7 d補充添加1次營養(yǎng)液.

待水稻長至3葉期(三葉一心)，將水稻苗移入新的含有水楊酸(10 μg·L-1)的2 L完全營養(yǎng)液，種植7 d.水楊酸按3天消耗完畢計算[19]，因此每3 d補充1次水楊酸(10 μg·L-1).以不添加水楊酸作為對照.以上述每盆種植20株水稻為1個重復(fù)，每個處理3個重復(fù).

1.3 水稻形態(tài)指標(biāo)測定

水稻種植7 d后，用刻度尺(分度值1 mm)測定每個水稻品種的基礎(chǔ)形態(tài)指標(biāo)(根長、株高等).

1.4 水稻葉片葉綠素及氮含量測定

水稻種植7 d后，采用葉綠素測定儀(TYS-4N型)測定水稻葉片(倒二葉)的葉綠素相對含量(SPAD值)和氮相對含量.

1.5 水稻干重測定

水稻種植7 d后，將不同品種水稻植株單獨用報紙包好并做標(biāo)簽，置于烘箱，105 ℃殺青20 min，然后80 ℃烘至恒重，測定水稻干重.以單株水稻的干重為1個重復(fù)，每個處理4個重復(fù).

1.6 水稻化感潛力測定

水稻種植7 d后，收集水稻葉片，剪成約1 cm的小段，混勻.將水稻葉片加蒸餾水(每1 g葉片加入20 mL水)浸沒，置于4 ℃冰箱中，每6 h搖勻1次.24 h后過濾，濾液用于水稻葉片浸提液生物測試.

收集每個處理的水稻種植液，將上述3個重復(fù)的種植液集中到一起并混勻，用蒸餾水定容至6 L.每個處理取500 mL水稻種植液，抽濾后，40 ℃旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮至125 mL(濃縮4倍)，過0.45 μm濾膜，濾液用于水稻種植液生物測試.

以萵苣(Lettuce,LactucasativaLinn.，菊科)為受體[20]，采用濾紙片生測法對上述濾液進行生物測試[7].將于20 ℃條件下預(yù)萌發(fā)的萵苣種子(剛冒白)放入墊有1層濾紙并加有3 mL葉片測試液的培養(yǎng)皿(直徑90 mm)中，每皿種植5顆，置于25 ℃恒溫光照培養(yǎng)箱中，每天12 h光照、12 h黑暗.以蒸餾水為對照，每個處理4個重復(fù).培養(yǎng)3 d后，測定萵苣的根長，以萵苣根長的抑制率來評價測試液的化感潛力.抑制率計算公式為：IR=(1-TR/CK)×100%.IR(inhibition rate)：抑制率；CK：蒸餾水對照的萵苣根長；TR處理，即添加經(jīng)水楊酸誘導(dǎo)或未經(jīng)誘導(dǎo)處理時葉片浸提液或種植液濃縮液的萵苣根長.

1.7 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用DPS 2010數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行處理，并進行線性方程分析和主成分分析.其中，主成分分析步驟為，先對原始數(shù)據(jù)進行KMO檢驗并判斷其是否適合主成分分析，然后對原始評價指標(biāo)進行標(biāo)準(zhǔn)化，再對標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)進行主成分分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 水楊酸誘導(dǎo)對水稻化感潛力的影響

水楊酸誘導(dǎo)后水稻葉片浸提液的生物測試結(jié)果表明(圖1)，除Mack do品種外，其余水稻品種的化感潛力均呈現(xiàn)上升趨勢.與對照相比，PI312777、Taichung NativeⅠ、特優(yōu)884、博B、協(xié)青早B、Jo na zo、84ve314、Lemont等8個品種的化感潛力變化提升達到顯著水平，分別提升了11.45%、14.50%、29.30%、42.78%、10.22%、11.33%、41.86%、31.97%.

PI：PI312777；TA：Taichung NativeⅠ；TY：特優(yōu)884；ZZ：2.6-窄早；BB：博B；XQ：協(xié)青早B；JN：Jo na zo；MD：Mack do；84V：84ve314；LE：Lemont.小寫字母表示同一品種對照與處理在P<0.05水平差異顯著.圖1 誘導(dǎo)后水稻葉片浸提液化感潛力變化Fig.1 Changes in allelopathic potential of rice leaf extracts after induction

水楊酸誘導(dǎo)后水稻種植液的生物測試結(jié)果表明(圖2)，除特優(yōu)884和博B兩個品種外，其余8個水稻品種的化感潛力均呈現(xiàn)不同程度的上升.與對照相比，PI312777、Taichung NativeⅠ、2.6-窄早、Mack do、Lemont等5個品種的上升程度達到顯著水平，分別提升了17.57%、32.18%、8.84%、23.45%、49.87%.可見，水楊酸誘導(dǎo)可提高水稻的化感潛力，不同水稻品種響應(yīng)水楊酸誘導(dǎo)的程度存在一定差異.

PI：PI312777；TA：Taichung NativeⅠ；TY：特優(yōu)884；ZZ：2.6-窄早；BB：博B；XQ：協(xié)青早B；JN：Jo na zo；MD：Mack do；84V：84ve314；LE：Lemont.小寫字母表示同一品種對照與處理在P<0.05水平差異顯著.圖2 誘導(dǎo)后水稻種植液化感潛力變化Fig.2 Changes in allelopathic potential of rice culture solutions after induction

2.2 水楊酸誘導(dǎo)對水稻生理與形態(tài)指標(biāo)的影響

水稻生理指標(biāo)結(jié)果表明，與對照相比，誘導(dǎo)后PI312777、特優(yōu)884、協(xié)青早B、Mack do等4個品種的葉片葉綠素含量、氮含量均顯著增加，而84ve314則顯著下降，Taichung NativeⅠ、2.6-窄早、博B、Jo na zo、Lemont等5個品種未發(fā)生顯著變化(圖3、圖4).水稻根長結(jié)果表明(圖5)，與對照相比，誘導(dǎo)后PI312777、Taichung NativeⅠ、特優(yōu)884、2.6-窄早、博B、協(xié)青早B、Lemont等7個品種的根長均顯著增長，而Jo na zo、Mack do、84ve314等3個品種則未發(fā)生顯著變化.水稻株高結(jié)果表明(圖6)，誘導(dǎo)后PI312777、特優(yōu)884、2.6-窄早、協(xié)青早B、84ve314、Lemont等6個品種的株高顯著升高，而Taichung NativeⅠ顯著下降，博B、Jo na zo、Mack do等3個品種則無顯著變化.水稻干重結(jié)果表明(圖7)，誘導(dǎo)后10個品種的干重均顯著增加.

PI：PI312777；TA：Taichung NativeⅠ；TY：特優(yōu)884；ZZ：2.6-窄早；BB：博B；XQ：協(xié)青早B；JN：Jo na zo；MD：Mack do；84V：84ve314；LE：Lemont.小寫字母表示同一品種對照與處理在P<0.05水平差異顯著.圖3 誘導(dǎo)后水稻葉片葉綠素含量變化Fig.3 Changes of chlorophyll content of rice leaf after induction

PI：PI312777；TA：Taichung NativeⅠ；TY：特優(yōu)884；ZZ：2.6-窄早；BB：博B；XQ：協(xié)青早B；JN：Jo na zo；MD：Mack do；84V：84ve314；LE：Lemont.小寫字母表示同一品種對照與處理在P<0.05水平差異顯著.圖4 誘導(dǎo)后水稻葉片氮含量變化Fig.4 Changes in nitrogen content of rice leaf after induction

PI：PI312777；TA：Taichung NativeⅠ；TY：特優(yōu)884；ZZ：2.6-窄早；BB：博B；XQ：協(xié)青早B；JN：Jo na zo；MD：Mack do；84V：84ve314；LE：Lemont.小寫字母表示同一品種對照與處理在P<0.05水平差異顯著.圖5 誘導(dǎo)后水稻根長變化Fig.5 Changes in root length of rice seedling after induction

PI：PI312777；TA：Taichung NativeⅠ；TY：特優(yōu)884；ZZ：2.6-窄早；BB：博B；XQ：協(xié)青早B；JN：Jo na zo；MD：Mack do；84V：84ve314；LE：Lemont.小寫字母表示同一品種對照與處理在P<0.05水平差異顯著.圖6 誘導(dǎo)后水稻株高變化Fig.6 Changes in rice plant height after induction

PI：PI312777；TA：Taichung NativeⅠ；TY：特優(yōu)884；ZZ：2.6-窄早；BB：博B；XQ：協(xié)青早B；JN：Jo na zo；MD：Mack do；84V：84ve314；LE：Lemont.小寫字母表示同一品種對照與處理在P<0.05水平差異顯著.圖7 誘導(dǎo)后水稻干重變化Fig.7 Changes in dry biomass of rice after induction

綜合結(jié)果表明，PI312777、特優(yōu)884、協(xié)青早B等3個水稻品種的葉片葉綠素含量和氮含量、根長、株 高、干重等均顯著升高，其余水稻品種變化規(guī)律不明顯?？梢?，水楊酸誘導(dǎo)可改變部分水稻的生理、形態(tài)指標(biāo).

2.3 水稻化感潛力與生理、形態(tài)指標(biāo)的關(guān)系分析

分別以不同品種水稻種植液化感潛力及水稻葉片浸提液化感潛力為橫坐標(biāo)，以水稻不同生理、形態(tài)指標(biāo)為縱坐標(biāo)，對水稻化感潛力與生理、形態(tài)指標(biāo)之間進行線性分析(圖8).結(jié)果表明，水稻化感潛力與水稻生理、形態(tài)指標(biāo)均呈正相關(guān).水稻葉片葉綠素、氮含量對水稻種植液化感潛力的影響高于水稻葉片浸提液化感潛力，表現(xiàn)為水稻種植液化感潛力與水稻葉片葉綠素含量、氮含量的線性方程斜率分別為0.143 5和0.054 6，而水稻葉片浸提液化感潛力與水稻葉綠素含量、氮含量的線性方程斜率則分別為0.137 9和0.049 2.水稻根長、株高、干重對水稻葉片浸提液化感潛力的影響高于水稻種植液化感潛力，表現(xiàn)為水稻葉片浸提液化感潛力與水稻根長、株高、干重的線性方程斜率分別為0.143 5、0.213 5、0.002 1；而水稻根系分泌物化感潛力與水稻根長、株高、干重的線性方程斜率分別為0.085 9、0.039 7、0.000 3.由此可見，不同水稻生理、形態(tài)指標(biāo)對水稻化感潛力的影響存在一定的差異.

圖8 水稻化感潛力與生理、形態(tài)指標(biāo)的關(guān)系分析Fig.8 Analysis of relationship between allelopathic potential and physiological and morphological indexes of rice

2.4 水稻化感潛力與生理、形態(tài)指標(biāo)的主成分分析

水稻化感潛力與生理、形態(tài)指標(biāo)的主成分分析表明(圖9)，兩大主成分可有效區(qū)分不同的指標(biāo)，其中主成分1的貢獻率為38.52%，主成分2的貢獻率為26.90%.水稻葉片浸提液的化感潛力與水稻株高、干重、根長分布在主成分1和主成分2的正端；水稻種植液化感潛力與水稻葉片葉綠素含量、葉氮含量分布在主成分1的正端，主成分2的負端.與主成分2正相關(guān)系數(shù)最高的指標(biāo)為水稻株高、干重、葉片浸提液化感潛力和根長，與主成分2負相關(guān)系數(shù)最高的指標(biāo)為水稻種植液化感潛力、葉片葉綠素含量和氮含量.可見，水稻葉片浸提液化感潛力與水稻株高、干重、根長顯著相關(guān)，而水稻種植液化感潛力與水稻葉綠素含量、氮含量顯著相關(guān).

A：株高；B：干重；C：葉片浸提液化感潛力；D：根長；E：種植液化感潛力；F：葉片葉綠素含量；G：葉片氮含量.圖9 水稻化感潛力與生理、形態(tài)指標(biāo)的主成分分析Fig.9 Principal component analysis of allelopathic potential and physiological and morphological indexes of rice

3 討論

外源添加水楊酸誘導(dǎo)可提高水稻化感潛力已有相關(guān)研究報道[16-18].Fang et al[21]研究表明，采用外源噴施水楊酸誘導(dǎo)水稻后，可提高水稻對稗草的抑制率，且抑制率隨著水楊酸的濃度而增加.本研究結(jié)果表明，水楊酸誘導(dǎo)后，10個水稻品種葉片浸提液的化感潛力除Mack do水稻以外，其余水稻品種均呈現(xiàn)上升趨勢，水稻種植液的化感潛力除特優(yōu)884外，其余9個水稻品種的化感潛力均呈現(xiàn)不同程度的上升.該結(jié)果證實了前人研究的結(jié)論，水楊酸誘導(dǎo)可提高水稻化感潛力，且這種趨勢在本試驗的水稻品種中具有普遍性.

據(jù)報道，外源添加水楊酸可對植物的生長以及生理特性產(chǎn)生一定的影響[22-24].水楊酸誘導(dǎo)后，10個水稻品種的大部分生理、形態(tài)指標(biāo)測定值均有不同程度的提高，其中PI312777、特優(yōu)884、協(xié)青早B3個水稻品種的葉片葉綠素含量、氮含量、根長、株高、干重等均顯著升高.主成分分析結(jié)果表明，水楊酸誘導(dǎo)后，不同水稻的化感潛力與生理、形態(tài)指標(biāo)主要分為兩大主成分，其中主成分1的貢獻率為38.52%，主成分2的貢獻率為26.90%.水楊酸誘導(dǎo)后水稻葉片浸提液化感潛力與水稻株高、干重、根長顯著相關(guān).水稻的根系與其營養(yǎng)吸收密切相關(guān)，營養(yǎng)物質(zhì)積累越多，水稻根系干重越大，有利于水稻的生長，從而促使地上部生長，水稻葉片中物質(zhì)積累增多[25].可見，水稻根長越長越有利于水稻生長，有利于水稻生物量增加，進而促使水稻葉片中化感物質(zhì)積累增加，提高水稻葉片浸提液化感潛力.而水稻種植液化感潛力與水稻葉綠素含量、氮含量顯著相關(guān).據(jù)報道，水稻主要通過根系分泌化感物質(zhì)對雜草實現(xiàn)抑制作用[6, 26-29].水稻種植液化感潛力的形成主要與水稻根系分泌的次生代謝物有關(guān)，如前人報道的水稻化感物質(zhì)主要為酚酸類物質(zhì)，而酚酸類物質(zhì)主要來源于莽草酸途徑，此代謝途徑的主要物質(zhì)來自于水稻初生代謝中提供的原料[30-32].水稻葉片氮含量與葉綠素含量呈顯著正相關(guān)，葉片氮含量增加，水稻葉綠素含量增加，光合作用增強，進而合成更多的前體物質(zhì)供植物次生代謝[33].可見，水稻葉綠素含量及氮含量的增加有利于水稻次生代謝物的積累和釋放，有利于水稻化感作用的形成.

綜上所述，水楊酸誘導(dǎo)可提高水稻化感潛力，不同品種水稻響應(yīng)水楊酸誘導(dǎo)的程度存在一定的差異.除此之外，水楊酸誘導(dǎo)可促進水稻的生長，其中水稻葉片浸提液化感潛力與水稻株高、干重、根長顯著相關(guān)，水稻根系分泌物化感潛力與水稻葉綠素含量、氮含量顯著相關(guān).水楊酸誘導(dǎo)提高水稻抑草能力，在本試驗的水稻品種中具有普遍性，這暗示了通過水楊酸誘導(dǎo)，提高現(xiàn)有水稻栽培品種的田間抑草作用，可能是可供選擇的安全控草方式.該方法的應(yīng)用還需要田間種植以進一步驗證.