李蘭蘭 歐巧明 陳軍 厚毅清 王煒 羅俊杰 陳秀蘭

摘要：以外源DNA供體高粱、變異新品系89122和春小麥品種隴春13號為試驗受體，3種雜草水浸提液為試驗供體，通過正向和逆向化感抑制敏感性測試與評價，分析3種作物的遺傳變異特性和化感潛力，評估小麥化感抑草潛力變異特性及遺傳機(jī)制，為實現(xiàn)小麥抗雜草潛力的遺傳改良提供理論支撐。結(jié)果表明，高粱DNA導(dǎo)入受體春小麥隴春13號后，其后代在農(nóng)藝性狀等方面發(fā)生變異，其對供試雜草的化感敏感性也發(fā)生變異；3種雜草水浸提液對3種供試作物種子萌發(fā)、幼苗形態(tài)特征和物種水平均有不同程度的抑制作用，且抑制作用隨處理濃度的增大而增強(qiáng)，具有明顯的濃度依賴性；灰綠藜除在種子萌發(fā)階段對高粱的化感抑制作用較弱外，在其他作物幼苗生長階段的化感抑制作用均明顯強(qiáng)于稗和狗尾草，印證了灰綠藜在農(nóng)田雜草群落中較強(qiáng)適應(yīng)性主要表現(xiàn)在其對作物幼苗生長階段的影響，而非種子萌發(fā)階段?；揖G藜通過化感抑制作用實現(xiàn)自身競爭力提升，成為本區(qū)域的優(yōu)勢雜草，進(jìn)一步拓寬了其生態(tài)位寬度，它在農(nóng)田生態(tài)群落中的多維影響力強(qiáng)于稗和狗尾草。供試作物種子萌發(fā)階段的敏感性要大于幼苗生長階段，表現(xiàn)在其發(fā)芽指數(shù)的敏感性要大于萌發(fā)率，說明供試農(nóng)田雜草通過降低種子發(fā)芽指數(shù)、延長發(fā)芽時間來發(fā)揮化感作用，這意味著推遲與其競爭的作物種子的萌發(fā)時間，降低競爭作物的種子萌發(fā)率，必然會提升該雜草在農(nóng)田生態(tài)群落中的生態(tài)位寬度，進(jìn)而達(dá)到提升雜草自身競爭力的目的，這也是雜草自身物種生態(tài)位及其生態(tài)位構(gòu)建的重要手段。

關(guān)鍵詞：小麥；雜草；外源DNA；化感潛力；生態(tài)位；變異

中圖分類號：S451.22⁺1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1003-935X（2022）02-0039-11

Allelopathic Effect of Wheat and Its Mutating Offsprings on Farmland Weeds and Their Control Potential

LI Lan-lan^1，2，OU Qiao-ming^1，2，CHEN Jun²，HOU Yi-qing²，WANG Wei²，LUO Jun-jie²，CHEN Xiu-lan³

（1.College of Resources and Environment Sciences，Gansu Agricultural University，Lanzhou 730070，China；

2.Institute of Biotechnology，Gansu Academy of Agricultural Sciences，Lanzhou 730070，China；

3.Gansu Open University，Lanzhou 730070，China）

Abstract：TheexogenousDNAdonorSorghum bicolor，themutantingnewline89122and the spring wheat variety

收稿日期：2021-12-13

基金項目：甘肅省林業(yè)和草原局甘肅省草原監(jiān)測評價科技支撐項目（編號：GSZYTC-ZCJC-21009）；國家自然科學(xué)基金地區(qū)基金（編號：31860378）；甘肅省哲學(xué)社會科學(xué)規(guī)劃項目（編號：20YB117）。

作者簡介：李蘭蘭（1996—），女，河南洛陽人，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)生物分子育種研究。E-mail：1328325780@qq.com。

通信作者：歐巧明，碩士，副研究員，碩士生導(dǎo)師，主要從事作物分子育種研究。E-mail：ouqiaoming@163.com。

Longchun 13 were used as the experimental receptors，and the aqueous extracts of three weeds were used as the experimental donors. Through the forward and reverse allelopathy inhibition sensitivity test and evaluation，the genetic variation characteristics and allelopathy potential of the three crops were analyzed，and the variation characteristics and genetic mechanism of wheat allelopathy inhibition potential were evaluated，so as to provide theoretical support for the genetic improvement of wheat weed resistance potential. The results showed that after the S. bicolor DNA was introduced into the recipient Longchun 13，its offsprings mutated in agronomic traits，and its allelopathy to the tested weeds also mutated. The aqueous extracts of the three weeds inhibiting the seed germination，seedling morphological characteristics and species level of the three tested crops to varying degrees all had different degrees of inhibition，and the inhibition increased with the increase of the treatment concentration，which was obviously concentration-dependent. In addition to weak allelopathic inhibition，it is significantly stronger than Echinochloa crusgalli and Setaria viridis at other crop seedling growth stages，which confirms that Chenopodium aureum has a stronger adaptability in farmland weed communities mainly due to its influence on the growth stage of crop seedlings，not the stage of seed germination. Through its allelopathic inhibitory effect，it can improve its own competitiveness and become the dominant weed in this region，which further broadens its niche width. Its multi-dimensional influence in farmland ecological communities is stronger than E. Crusgalli and S. viridis. The sensitivity of the test crop seeds at the germination stage is greater than that of the seedlings at the growth stage. The sensitivity of the germination index is greater than that of the germination rate. Playing allelopathic effect? means delaying the germination time of competing crops and reducing the seed germination rate of competing crops will inevitably increase the niche breadth of the weeds in the farmland ecological community，thereby achieving the purpose of enhancing its own competitiveness. This is also an important means of constructing the niche of weeds and their niche.

Key words：wheat；weed；exogenous DNA；allelopathic potential；niche；variantion

農(nóng)田雜草一直是困擾農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展、導(dǎo)致作物減產(chǎn)和品質(zhì)下降的重要因素之一。目前，控制農(nóng)田雜草的方法主要包括化學(xué)除草劑防除、人工防除和生物防治等。化學(xué)除草劑可以防除雜草，但長期依賴性使用，其殘留危害的嚴(yán)重性不言而喻；人工除草耗時費(fèi)力、收效甚微。因此，如何在生態(tài)安全的前提下合理控制雜草顯得尤為重要。

化感作用是一種由植物產(chǎn)生和釋放的次生代謝物介導(dǎo)的植物重要防御和干擾機(jī)制，其最重要的經(jīng)濟(jì)潛力在于對雜草化感作用的拮抗能力，也是實現(xiàn)農(nóng)田雜草生物防控的途徑之一，其實質(zhì)是雜草與作物在生育時間、空間上對資源的競爭和自身防御^［1-2］，具有可減少化學(xué)除草劑施用、無“3R”（resistance、resurgengce、residue）問題、生態(tài)可持續(xù)等優(yōu)點^［3］。

最新研究表明，小麥化感物質(zhì)的合成釋放與共存雜草密度和存在時間顯著相關(guān)，且雜草根系釋放的化學(xué)信號物質(zhì)誘導(dǎo)小麥化感物質(zhì)的產(chǎn)生和釋放^［4-5］。因此，研究作物與雜草間的相互競爭力和抑草機(jī)制是當(dāng)前研究的熱點^［6-7］。前期有研究者認(rèn)為，化感作用是作物與雜草之間生態(tài)位競爭、生態(tài)位構(gòu)建的重要內(nèi)容，是協(xié)調(diào)種間信息和促成種間關(guān)聯(lián)的重要載體；化感品種的長期合理布置及其化感潛力在遺傳和育種上的連續(xù)傳遞性必然產(chǎn)生生態(tài)遺傳后果，導(dǎo)致作物和雜草生態(tài)位構(gòu)建，進(jìn)而促進(jìn)生物能動作用，但仍尚需進(jìn)一步驗證^［2］。

近年來，國內(nèi)外研究表明，小麥具有一定的化感作用和抑草潛力，化感特性主要由遺傳因素決定，其化感作用強(qiáng)弱、化感物質(zhì)與品種遺傳性、染色體組型顯著相關(guān)，屬于多基因控制的數(shù)量遺傳；不同品種所含化感物質(zhì)種類和含量均不同，其含量與小麥化感效應(yīng)顯著正相關(guān)，不同品種所含化感物質(zhì)的田間抑草能力亦有所差異，是小麥重要的抑草、防蟲、抗病物質(zhì)^［8-10］。目前，小麥主要化感物質(zhì)為酚酸類、異羥肟酸類和短鏈脂肪酸等。

大量研究還表明，小麥幼苗和秸稈的全部或不同部位水提液對多種雜草均具有一定的抑制作用；有些品種對雜草的抑制能力甚至高達(dá)53%～70%^［6］。雖然強(qiáng)化感抑草作物品種并不被期望能完全控制雜草或代替除草劑，但卻可以抑制雜草，減少化學(xué)農(nóng)藥施用，提高作物競爭力，并會對雜草控制產(chǎn)生長期影響。因此，通過遺傳育種引入化感作用相關(guān)基因，從而創(chuàng)造抑制雜草的化感小麥品種資源，實現(xiàn)雜草的生物防治具有必要的理論依據(jù)。

筆者所在課題組前期對我國蘭州引黃灌區(qū)小麥田雜草種群演替、生態(tài)位現(xiàn)狀等的研究顯示，該區(qū)小麥田雜草群落中優(yōu)勢雜草為藜（Chenopodium album L.）、狗尾草（Setaria viridis L.）、打碗花（Calystegia hederacea Wall.）、稗（Echinochloa crusgalli L.），其優(yōu)勢強(qiáng)度依次為藜、狗尾草、打碗花、稗，這些研究結(jié)果為本研究中雜草群落的演替趨勢預(yù)測提供了科學(xué)依據(jù)^［11］。

已有研究發(fā)現(xiàn)，高粱（Sorghum bicolor L.）化感物質(zhì)高粱酮內(nèi)酯（5-乙氧基高粱酮內(nèi)酯和2，5二甲基高粱酮內(nèi)酯）是一種從高粱根部分泌并經(jīng)氧化的苯醌類化感物質(zhì)，對雜草（二色高粱、石茅等）具有強(qiáng)抑制作用，其前體物質(zhì)是一種促進(jìn)獨(dú)腳金等植物種子萌發(fā)的信息物質(zhì)（圖1），以后轉(zhuǎn)變?yōu)樯L抑制物質(zhì)。

本項目組前期研究已成功采用花粉管通道法，將抗逆性強(qiáng)、含有強(qiáng)化感物質(zhì)高粱酮內(nèi)酯（sorgoleone）、對雜草有較強(qiáng)抑制潛力的高粱基因組DNA導(dǎo)入化感潛力和雜草抗性較差的春小麥品種隴春13，并最終獲得了優(yōu)良變異新品系89122，其農(nóng)藝性狀及耐鹽性發(fā)生了變異，分子標(biāo)記檢測顯示，外源高粱DNA已整合進(jìn)受體小麥基因組中并得以表達(dá)^［12-13］。本試驗以高粱、變異新品系89122和春小麥品種隴春 13為試驗受體，3種雜草水浸提液為試驗供體，通過正向和逆向化感抑制敏感性測試與評價，分析3種作物的遺傳變異特性和化感潛力，進(jìn)一步評估小麥化感抑草潛力變異特性及遺傳機(jī)制，為實現(xiàn)小麥抗雜草潛力的遺傳改良提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 供試作物

高粱，外源DNA供體材料，禾本科高粱屬，C4作物，體細(xì)胞染色體數(shù)目2n=20，分蘗旺盛，根系發(fā)達(dá)，抗旱、耐鹽堿、適應(yīng)性廣，對某些雜草有很強(qiáng)的抑制作用。春小麥品種隴春13號，外源DNA受體材料（2n=42）（甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所育成）；春小麥品系89122，高粱DNA導(dǎo)入小麥后代變異系（2n=42）（甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所育成）。

1.1.2 供試小麥伴生雜草

稗（Echinochloa crusgalli L.）：禾本科稗屬，別稱芒早稗，屬一年生草本植物，稈叢生，適應(yīng)性極強(qiáng)，為世界性惡性雜草，在我國分布極為廣泛?；揖G藜（Chenopodium album L.）：黎科藜屬，俗名灰條菜，一年生草本植物，繁殖力極強(qiáng)，常造成小麥個體發(fā)育不良，整齊度降低，群體結(jié)構(gòu)變小，產(chǎn)量和品質(zhì)降低，嚴(yán)重影響農(nóng)田小麥生產(chǎn)，是我國北方麥田中最主要的雜草之一。狗尾草（Setaria viridis L.）：禾本科狗尾草屬，一年生草本，是葉蟬、薊馬、蚜蟲、小地老虎等諸多害蟲的寄主。上述供試雜草均屬全球性惡性雜草，其發(fā)生頻度80%以上，發(fā)生嚴(yán)重時可形成優(yōu)勢種群密被田間，爭奪肥水力強(qiáng)，造成小麥等作物減產(chǎn)。供試雜草均采自甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院育種基地試驗田（圖2）。

1.2 試驗方法

1.2.1 抗雜草變異品系化感抑草潛力的生物學(xué)篩選與鑒定

1.2.1.1 供試雜草水浸提液的制備

為了最大程度模擬農(nóng)田自然條件，本試驗采用水浸液代替有機(jī)溶劑浸提^［14-15］。

伴生雜草水浸提液的制備：挖取3種伴生雜草新鮮植株100 g，清洗后剪成1 cm左右的小段，加入500 mL蒸餾水，即鮮重與水質(zhì)量比為1 ∶5。在50 ℃水浴鍋中浸泡48 h以上，取其無沉淀的浸提液，濃度以稗的鮮重與水的體積比來表示，在經(jīng)濾紙和0.45 μm濾膜過濾后，即配成0.2 g/mL的濃度，即得稗植株無菌水提液，再用無菌蒸餾水稀釋成不同濃度的溶液，4 ℃下冷藏待用。

1.2.1.2 供試材料對雜草化感拮抗作用的生物測試

供試材料對雜草化感拮抗作用主要通過外源DNA供體高粱、外源DNA導(dǎo)入受體隴春13號及后代變異系89122在雜草水浸提液處理下的化感生物測試指標(biāo)來反映。

種子萌發(fā)生物測試：依據(jù)Leather等的培養(yǎng)皿濾紙法^［16-17］，對受試材料高粱、隴春13號及抗雜草變異系89122的種子萌發(fā)和幼苗生長進(jìn)行生物測試，3種伴生雜草水浸提液的處理濃度為0、0.01、0.05、0.10、0.20 g/mL，重復(fù)3次，并于培養(yǎng)4、7 d時分別統(tǒng)計種子萌發(fā)率、發(fā)芽指數(shù)以及幼苗苗長、根長、胚芽鞘、苗鮮質(zhì)量、根鮮質(zhì)量、總鮮質(zhì)量、總干質(zhì)量等指標(biāo)。

1.2.2 試驗數(shù)理統(tǒng)計與分析

采用Excel 2013獲得種子萌發(fā)率、發(fā)芽指數(shù)的趨勢線方程，計算受試植物的種子萌發(fā)率、發(fā)芽指數(shù)的有效半抑制濃度（EC₅0），用以評價3種供試作物對供試雜草化感作用的敏感性。

化感效應(yīng)指數(shù)RI（生物活性衡量指數(shù)）的測定參照Williamson等的方法^［18］，用處理與相應(yīng)對照的比值（T/C）作為衡量指標(biāo)，得出化感作用效應(yīng)指數(shù)RI。

RI=1-C/T（T≥C）T/C-1（T

式中：C為對照值，T為處理值?；凶饔眯?yīng)指數(shù)RI>0為促進(jìn)，RI<0為抑制，抑制率=│RI│×100%，絕對值的大小與作用強(qiáng)度一致。

由于本研究涉及到3種供試作物、3種供試雜草、6種植物水浸提液、5個濃度梯度、2個生長階段、7項測定指標(biāo)，各項指標(biāo)的RI變化趨勢可能不盡一致，難以評價和定量分析化感效應(yīng)。故采取相加平均法對RI進(jìn)行再處理，獲得平均敏感指數(shù)（M_R），其含義不變，即

式中：R為平均敏感指數(shù)（M）的級別或?qū)哟?；a為數(shù)據(jù)項；n為該級別或?qū)哟螖?shù)據(jù)（RI）的總個數(shù)。M_R>0為促進(jìn)，M_R<0為抑制。

本研究將受體植物R項分為1、2、3、4、5、6、7、8、9共9個級別，分別代表一、二、三、…、九級敏感指數(shù)。一級敏感指數(shù)（M₁）用來評價受試作物9項測定指標(biāo)對3種雜草的化感敏感性；二級敏感指數(shù)（M₂）用來評價受試作物不同發(fā)育階段對3種雜草的化感敏感性；三級敏感指數(shù)（M₃）用來評價受試作物對3種雜草的物種水平綜合化感敏感性；四級敏感指數(shù)（M₄）用來評價受試作物不同發(fā)育階段對3種雜草不同濃度水浸液的化感敏感性；五級敏感指數(shù)（M₅）用來評價受試作物對3種雜草不同濃度水浸液的物種水平綜合化感敏感性；六級敏感指數(shù)（M₆）用來評價受試作物不同發(fā)育階段對雜草不同濃度水浸液的化感敏感性；七級敏感指數(shù)（M₇）用來評價受試作物對雜草不同濃度水浸液的物種水平綜合化感敏感性；八級敏感指數(shù)（M₈）用來評價受試作物不同發(fā)育階段對雜草水浸液的化感敏感性；九級敏感指數(shù)（M₉）用來評價受試作物對雜草水浸液的物種水平綜合化感敏感性。

M₁～M₉所對應(yīng)的R值分別為1～9。就受試作物單項測定指標(biāo)和1種雜草而言：R=1時，n=5（5個處理濃度）；R=2時，n=10（萌發(fā)期2項指標(biāo)和5個處理濃度）、n=35（生長期7項指標(biāo)和5個處理濃度）；R=3時，n=45（物種水平9項指標(biāo)和5個處理濃度）。就受試作物單個處理和1種雜草而言：R=4時，n=2（萌發(fā)期2項指標(biāo)）、n=7（生長期7項指標(biāo)）；R=5時，n=9（物種水平9項指標(biāo)）；就受試作物單個處理和3種雜草而言：R=6時，n=6（萌發(fā)期2項指標(biāo)和3種雜草）、n=21（生長期7項指標(biāo)和3種雜草）；R=7時，n=27（物種水平9項指標(biāo)和3種雜草）；就受試作物單個處理和3種雜草而言：R=8時，n=30（萌發(fā)期2項指標(biāo)、3種雜草及5個處理濃度）、n=105（生長期7項指標(biāo)、3種雜草及5個處理濃度）；R=9時，n=135（物種水平9項指標(biāo)、3種雜草及5個處理濃度）。

2 結(jié)果與分析

2.1 供試作物的化感抑草潛力分析

2.1.1 供試雜草水浸提液對供試作物種子萌發(fā)的影響

由表1可知，除灰綠藜水浸提液處理下的供試作物發(fā)芽指數(shù)EC₅0外，3種供試雜草水浸提液對3種供試作物種子萌發(fā)率和發(fā)芽指數(shù)的EC₅0均為高粱＞89122＞隴春13號，EC₅0反映了3種供試作物對供試雜草化感抑制作用的敏感性和對雜草化感拮抗作用的強(qiáng)弱。由此可知，3種供試作物對供試雜草化感抑制作用的敏感性和對雜草拮抗作用強(qiáng)弱依次為高粱＞89122＞隴春13號，這進(jìn)一步說明高粱DNA導(dǎo)入受體隴春13號后，其變異后代89122對供試雜草的化感抑制敏感性較導(dǎo)入受體隴春13號發(fā)生明顯變異，較導(dǎo)入受體得到明顯改良，其對雜草的化感拮抗作用介于外源DNA供體高粱和導(dǎo)入受體隴春13號之間。但灰綠藜水浸提液處理下的種子發(fā)芽指數(shù)的EC₅0表現(xiàn)為89122＞高粱＞隴春13號，這說明變異后代89122對供試雜草灰綠藜的化感抑制敏感性和抗性強(qiáng)于外源DNA供體和導(dǎo)入受體。

另外，3種不同供試雜草水浸提液對同種供試作物的種子萌發(fā)率和發(fā)芽指數(shù)的EC₅0值存在明顯差異；對于3種供試雜草而言，狗尾草水浸提液處理下的EC₅0均小于稗和灰綠藜（隴春13號除外）；對于89122而言，其種子萌發(fā)率和發(fā)芽指數(shù)的EC₅0表現(xiàn)為灰綠藜＞稗＞狗尾草，而對于隴春13號而言，其種子萌發(fā)率和發(fā)芽指數(shù)的EC₅0相差很小。這說明89122對于供試雜草的化感敏感性表現(xiàn)為狗尾草＞稗＞灰綠藜，但隴春13號對于供試雜草的化感敏感性卻幾乎相同。而對于外源DNA供體高粱而言，3種供試雜草水浸提液處理下的EC₅0均表現(xiàn)為稗＞灰綠藜＞狗尾草，這說明高粱對于供試雜草的化感敏感性表現(xiàn)為狗尾草＞灰綠藜>稗。

另外，由表2可知，在0.05～0.20 g/mL濃度范圍內(nèi)，3種供試作物種子萌發(fā)率和發(fā)芽指數(shù)與各處理濃度存在一定的正相關(guān)性。這說明供試雜草對供試作物種子萌發(fā)均有不同程度的抑制作用，其抑制作用隨處理濃度的增大而增強(qiáng)，呈現(xiàn)出明顯的濃度依賴性。

供試雜草水浸提液處理下的供試作物種子萌發(fā)的化感敏感指數(shù)M（M₁、M₂、M₃、M₄、M₅、M₆、M₇、M₈、M₉）反映了3種供試作物在不同發(fā)育階段和物種水平對供試雜草的化感作用敏感性，其化感敏感性也代表了供試雜草對供試作物的抑制程度，以及對雜草的抗性存在正反比例關(guān)系。

由表3可知，所有供試雜草水浸提液處理下的3種供試作物的種子萌發(fā)率和萌發(fā)指數(shù)的化感敏感指數(shù)M₁、M₂均為負(fù)值，說明在種子萌發(fā)階段，供試作物的種子萌發(fā)率和萌發(fā)指數(shù)均受到供試雜草水浸提液的抑制，其抑制程度因不同雜草而存在明顯差異。

對于稗而言，3種供試作物的種子萌發(fā)率的種間敏感性為隴春13號＞89122＞高粱，而對于灰綠藜和狗尾草而言，其種間敏感性為隴春13號＞高粱＞89122。對于稗和狗尾草而言，3種供試作物的種子萌發(fā)指數(shù)的種間敏感性為隴春13號＞89122＞高粱，而對于灰綠藜而言，其種間敏感性為隴春13號＞高粱＞89122。

對于89122而言，3種供試雜草對其種子萌發(fā)率和萌發(fā)指數(shù)的種間抑制均為狗尾草＞稗＞灰綠藜；對于隴春13號而言，其種子萌發(fā)率的種間抑制為狗尾草＞稗=灰綠藜，而其萌發(fā)指數(shù)的種間抑制為稗=灰綠藜＞狗尾草；對于高粱而言，其種子萌發(fā)率的種間抑制為狗尾草＞灰綠藜＞稗，而其萌發(fā)指數(shù)的種間抑制為灰綠藜＞狗尾草＞稗。

2.1.2 供試雜草水浸提液對供試作物幼苗形態(tài)特征及生長發(fā)育的影響

試驗觀察可知，較高濃度的供試雜草水浸提液處理對供試作物幼苗形態(tài)特征有明顯影響，特別是較高濃度下，供試作物植株矮小，長勢差，幼苗葉片泛黃失綠，根長變短變細(xì)，根毛變短變稀，新發(fā)根減少，這種影響作用隨濃度的增加而增加（圖3、圖4）。

從表3可看出，除灰綠藜水浸提液處理下的后代變異系89122的莖葉鮮重和外源DAN導(dǎo)入供體高粱根長的化感一級敏感指數(shù)M₁為正值外，其余均為負(fù)值。說明在幼苗生長階段，供試作物的各測定指標(biāo)均受到供試雜草水浸提液的抑制，其抑制程度因不同雜草和不同供試作物而存在明顯差異。

由表4可看出，供試雜草不同濃度水浸提液處理下的3種供試作物在不同發(fā)育階段和物種水平對供試雜草的化感敏感性和抑制程度存在明顯差異，且隨著處理濃度的升高而抑制性增加，存在明顯的濃度依賴性。除0.01 g/mL供試雜草水浸提液處理對供試作物89122和高粱的化感敏感指數(shù)呈正值，表現(xiàn)出促進(jìn)作用，其余均為負(fù)值，表現(xiàn)為抑制作用。隴春13號在種子萌發(fā)階段受 0.10 g/mL 的供試雜草水浸提液處理和在種子萌發(fā)、幼苗生長階段以及物種水平受0.20 g/mL水浸提液處理下的化感敏感指數(shù)均為-1.000。這說明隴春13號在相應(yīng)生長階段被供試雜草相應(yīng)濃度水浸提液完全抑制，未出現(xiàn)萌發(fā)現(xiàn)象。另外，不同供試作物受相同濃度水浸提液處理，在相同發(fā)育階段和物種水平的化感敏感性存在明顯差異，后代變異系89122受相同濃度水浸提液處理，在相同發(fā)育階段和物種水平的化感敏感性均大于隴春13號。

由表5可知，供試作物在種子萌發(fā)階段、幼苗生長階段以及物種水平對供試雜草的化感敏感性存在明顯差異。在種子萌發(fā)階段，3種供試作物對供試雜草的化感敏感性表現(xiàn)為隴春13號＞89122＞高粱，在幼苗生長階段和物種水平的化感敏感性表現(xiàn)為隴春13號＞高粱＞89122。這說明后代變異系89122在種子萌發(fā)階段對雜草的抗性介于外源DNA供體高粱和導(dǎo)入受體隴春13號之間；在幼苗生長和物種水平對雜草的抗性最強(qiáng)，表現(xiàn)為89122＞高粱＞隴春13號。

另外，供試作物在不同發(fā)育階段對供試雜草的化感敏感性也存在明顯差異。就89122和高粱而言，它們在種子萌發(fā)階段的化感敏感性大于幼苗生長階段的化感敏感性，而隴春13號則相反。這說明后代變異系89122和外源DNA供體高粱對雜草的抗性在種子萌發(fā)階段大于幼苗生長階段，而隴春13號則相反。

3 討論與結(jié)論

植物感知和應(yīng)對環(huán)境所產(chǎn)生和釋放的化學(xué)物質(zhì)不僅影響共存的植物，也影響環(huán)境中其他生物和非生物因子^［1］。植物種間和種內(nèi)的感受和識別大多是由植物釋放的次生物質(zhì)所介導(dǎo)，而這種向周圍環(huán)境釋放的特征次生物質(zhì)（化感物質(zhì)）的多少，可以啟動和標(biāo)記以測定植株的化感潛力和化感作用機(jī)制^［19］。Rice等學(xué)者先后證實雨水淋溶是植物活體和殘體釋放化感物質(zhì)的主要途徑^［20-21］。植物自身釋放的次生代謝物質(zhì)能在一定程度抑制伴生雜草的生長發(fā)育過程，沒有引入人工合成化合物，因此被眾多科學(xué)家廣泛認(rèn)為是一種可持續(xù)除草方式^［22-24］。為了最大程度地模擬農(nóng)田自然條件，本試驗采用水浸提液代替有機(jī)溶劑浸提。

本研究中，通過對供試作物種子萌發(fā)階段的化感敏感指數(shù)M、EC₅0的分析發(fā)現(xiàn)，3種供試作物對相同供試雜草的化感敏感性或3種供試雜草對相同作物品種的化感抑制作用均存在明顯差異，且這種差異表現(xiàn)出明顯的濃度依賴性，可能與不同雜草所具有的化感物質(zhì)種類與含量不同有關(guān)。

通過分析3種供試作物的多級化感敏感指數(shù)，特別是化感敏感指數(shù)M₃、M₇、M₉發(fā)現(xiàn)，雖然在個別化感敏感指數(shù)M₁、M₂、M₄、M₅中，外源DNA供體高粱和變異后代89122在化感敏感性上存在不一致性，但兩者各級化感敏感指數(shù)均小于受體小麥隴春13號，這說明高粱DNA導(dǎo)入受體隴春13號后，其后代不但在農(nóng)藝性狀等方面發(fā)生了變異，其對供試雜草的化感敏感性也發(fā)生變異，這與前期的研究者將外源高粱DNA整合進(jìn)受體小麥基因組中并得以表達(dá)的結(jié)論是吻合的^［11］。

通過對比供試雜草對供試作物種子萌發(fā)的化感敏感指數(shù)（M₁、M₂、M₃、M₄、M₅）可以發(fā)現(xiàn)，灰綠藜除在種子萌發(fā)階段對高粱的化感抑制作用較弱外，在其他作物幼苗生長階段均明顯強(qiáng)于稗和狗尾草，這種趨勢的發(fā)現(xiàn)與項目組前期對蘭州引黃灌區(qū)小麥田雜草群落中藜的優(yōu)勢強(qiáng)度大于稗和狗尾草的結(jié)論相吻合，此結(jié)果還說明灰綠藜在農(nóng)田雜草群落中生態(tài)位寬度較大，對環(huán)境資源利用的多樣性較高，適應(yīng)性強(qiáng)，通過其化感抑制作用實現(xiàn)自身競爭力提升，成為本區(qū)域的優(yōu)勢雜草，其在農(nóng)田生態(tài)群落中的多維影響力強(qiáng)于稗和狗尾草。

此外，對比供試雜草對供試作物種子萌發(fā)和幼苗生長階段的化感敏感指數(shù)（M₄、M₅、M₆、M₈）可以發(fā)現(xiàn)，供試雜草，特別是灰綠藜的這種提升自身競爭力的能力主要來自于其對作物幼苗生長階段的影響，而非種子萌發(fā)階段。原因可能是正常農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，普通小麥種子萌發(fā)的主要限制因素是種子吸脹萌發(fā)所需的近距水分，而非幼苗生長階段的根系遠(yuǎn)距離吸收途徑，而播種、整地和深耕等農(nóng)藝措施使農(nóng)田雜草殘體留在地表淺層有限的化感抑制物質(zhì)進(jìn)入深層，使其遠(yuǎn)離并難以影響到小麥種子萌發(fā)，并在自身進(jìn)化中逐漸減弱了這種化感潛力；而在本研究中推測可能還與小麥種子萌發(fā)階段的自我保護(hù)有關(guān)。而稗和狗尾草僅在對高粱的化感抑制作用中，表現(xiàn)出種子萌發(fā)階段略高的趨勢，這可能是因為強(qiáng)抗逆作物高粱與常規(guī)小麥種屬不同。

植物能感受和識別共存同種或異種植物，進(jìn)而調(diào)整生長、繁殖和防御策略^［22］。前期研究者認(rèn)為，因為化感作用是構(gòu)建作物/雜草種群生態(tài)位的有效手段之一^［2］，化感品種的長期合理布置及其化感潛力在遺傳和育種上的連續(xù)傳遞性必然產(chǎn)生生態(tài)遺傳后果，導(dǎo)致作物和雜草生態(tài)位構(gòu)建。本研究中供試作物發(fā)芽指數(shù)對供試雜草水浸提液的敏感性要大于萌發(fā)率的敏感性，可以推斷供試農(nóng)田雜草通過降低種子發(fā)芽指數(shù)、延長發(fā)芽時間來發(fā)揮化感作用，這意味著推遲與其競爭的作物種子的萌發(fā)時間，降低競爭作物的種子萌發(fā)率必然會提升該雜草在農(nóng)田生態(tài)群落中的生態(tài)位寬度，進(jìn)而達(dá)到提升自身競爭力的目的，因為這對雜草自身的物種生態(tài)位及其生態(tài)位構(gòu)建至關(guān)重要。研究發(fā)現(xiàn)，3種供試雜草通過降低種子萌發(fā)率和發(fā)芽指數(shù)來延長萌發(fā)時間，抑制根的伸長和根毛的數(shù)量，進(jìn)而影響地上部分幼苗的生長，并最終發(fā)揮對供試作物萌發(fā)和幼苗生長階段的化感抑制作用，且供試作物種子萌發(fā)階段的敏感性要大于幼苗生長階段的敏感性。這是因為供試作物根系直接接觸了水浸提液，供試雜草化感抑制作用首先導(dǎo)致植株根系、根毛變得短小，致使其養(yǎng)分吸收面積及吸收能力降低，并導(dǎo)致對幼苗生長階段的胚芽伸長的抑制，以致最終表現(xiàn)在植株長勢、光合葉面積等特征方面，降低其對光的競爭力和光合作用的能力，表現(xiàn)出自然界典型的化感抑制作用特征。

綜上所述，高粱DNA導(dǎo)入受體隴春13號后，其后代不但在農(nóng)藝性狀等方面發(fā)生了變異，其對供試雜草的化感敏感性也發(fā)生變異。3種雜草水浸提液對3種供試作物的種間敏感性表現(xiàn)出不同差異，同種作物對3種雜草水浸提液的化感敏感性差異顯著；3種雜草水浸提液對3種供試作物種子萌發(fā)、幼苗形態(tài)特征和物種水平均有不同程度的抑制作用，且抑制作用隨處理濃度的增大而增強(qiáng)，具有明顯的濃度依賴性。灰綠藜除在種子萌發(fā)階段對高粱的化感抑制作用較弱外，在幼苗生長階段均明顯強(qiáng)于稗和狗尾草，印證了灰綠藜在農(nóng)田雜草群落中較強(qiáng)適應(yīng)性主要來自于其對作物幼苗生長階段的影響，而非種子萌發(fā)階段。灰綠藜通過其化感抑制作用實現(xiàn)自身競爭力提升，成為本區(qū)域的優(yōu)勢雜草，進(jìn)一步拓寬了其生態(tài)位寬度，其在農(nóng)田生態(tài)群落中的多維影響力強(qiáng)于稗和狗尾草。供試作物種子萌發(fā)階段的敏感性要大于幼苗生長階段的敏感性，表現(xiàn)在其發(fā)芽指數(shù)的敏感性要大于萌發(fā)率的敏感性，說明供試農(nóng)田雜草通過降低種子發(fā)芽指數(shù)、延長發(fā)芽時間來發(fā)揮化感作用，這意味著推遲與其競爭的作物種子的萌發(fā)時間，降低競爭作物的種子萌發(fā)率必然會提升該雜草在農(nóng)田生態(tài)群落中的生態(tài)位寬度，進(jìn)而達(dá)到提升自身競爭力的目的，這也是雜草自身物種生態(tài)位及其生態(tài)位構(gòu)建的重要手段。

通過人工選擇干預(yù)獲得的作物品種通過抵御農(nóng)田雜草的化感抑制作用，降低農(nóng)田雜草的建植與分布，使自身在競爭中處于優(yōu)勢地位，并最終實現(xiàn)生態(tài)位重建。這種人工選擇干預(yù)所導(dǎo)致的作物品種生態(tài)位構(gòu)建和化感敏感性的鈍化，最終可能通過長期遺傳選擇和遺傳信息反饋，最終被固定和傳遞下去，這對化感品種的選擇和農(nóng)田雜草的生物防控具有重要指導(dǎo)意義。

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