王婕妤,李書燕,童建華,柏連陽,*,彭 瓊,*

(1.湖南大學(xué)研究生院隆平分院,中國湖南 長沙 410125;2.湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究所,中國湖南 長沙 410125;3.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物激素與生長發(fā)育湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國湖南 長沙 410128)

近年來,由于水稻種植方式由傳統(tǒng)的人工移栽迅速向輕簡化、機(jī)械化、規(guī)?；绞睫D(zhuǎn)變,施用化學(xué)除草劑防除水田雜草幾乎已成為廣大水稻種植戶唯一的依賴。然而,長期重復(fù)使用單一除草劑易導(dǎo)致稻田雜草對除草劑產(chǎn)生抗藥性[1～2]?？剐噪s草的產(chǎn)生嚴(yán)重危害著農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)。

稗草(barnyardgrass,學(xué)名Echinochloa crusgalli L.Beauv.)是湖南省乃至全國范圍內(nèi)稻田中最主要的惡性雜草之一,持續(xù)威脅著水稻的產(chǎn)量與品質(zhì)。稗草不僅與水稻競爭水分、養(yǎng)料和光照等,還嚴(yán)重影響水稻干物質(zhì)的積累[3],導(dǎo)致水稻有效穗數(shù)、千粒重等隨稗草密度的增加而降低[4],甚至還會造成水稻生理生化方面的變化,最終導(dǎo)致水稻產(chǎn)量的損失[5～6]。目前,湖南省內(nèi)的稗草對二氯喹啉酸的抗藥性水平日益增加[7]。抗性稗草對水稻產(chǎn)量的影響因水稻類型、稗草種類而異,減產(chǎn)幅度最高可達(dá)60.6%[6]。利用水稻的化感作用實(shí)現(xiàn)稻田抗性雜草的有效控制是生態(tài)安全條件下農(nóng)田雜草綜合防治的新思路。種植化感水稻的同時(shí)配合良好的綜合栽培管理措施,可以較好地抑制稻田中多數(shù)雜草的生長,且不影響化感水稻的產(chǎn)量[8]。

基于化感水稻可以抑制雜草生長的理論,以往的研究多集中于水稻中化感物質(zhì)和相關(guān)基因的分離、鑒定以及化感水稻對稗草的干擾等方面[9～12]。然而,水稻感知到稗草威脅時(shí)是怎樣改變其行為策略的？稗草伴生條件下,化感水稻和非化感水稻的表型可塑性響應(yīng)又有何差異？基于以上問題,本研究選用國際公認(rèn)的化感水稻品種PI312777(PI)、非化感水稻品種Lemont(LE)及稗草(E.crusgalli)為試驗(yàn)材料,研究水稻苗期(3葉期)化感品種和非化感品種應(yīng)對稗草脅迫時(shí)的株高、生物量及根系構(gòu)型的變化,同時(shí)探討水稻植株中特征性植物激素的變化規(guī)律,分析化感水稻及非化感水稻響應(yīng)稗草脅迫的生理差異,為水稻抗草新品種選育、作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)和開拓農(nóng)田雜草綠色治理新途徑提供一定的理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)地點(diǎn)

供試水稻品種是國際公認(rèn)的化感水稻品種PI312777(簡稱PI)和非化感水稻品種Lemont(簡稱LE),二者均由江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院李永豐研究員提供。供試稗草為湖南省內(nèi)篩選得到的具有二氯喹啉酸高抗藥性水平的生物型。

試驗(yàn)在湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院實(shí)驗(yàn)大樓三樓東面大坪的玻璃房內(nèi)(晝夜溫度為30℃/20℃,濕度為58%)進(jìn)行。試驗(yàn)土壤為田間所取的水稻種植土,曬干后錘碎、過篩、去除雜質(zhì),土壤有機(jī)質(zhì)28.37 g/kg、速效磷2.30 mg/kg、速效氮131.00 mg/kg、速效鉀150.00 mg/kg、全氮 1.67 g/kg、全磷 0.85 g/kg、全鉀17.40 g/kg,pH為6.2。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用水稻單種、水稻與稗草按1∶1比例混種兩種種植方式,兩個(gè)水稻品種共4個(gè)處理,分別標(biāo)記為T1:兩株化感水稻單種;T2:1株化感水稻與1株稗草伴生;T3:兩株非化感水稻單種;T4:1株非化感水稻與1株稗草伴生。每個(gè)處理共種植4盆,在取樣后選擇長勢一致的3株做3次重復(fù)。

為了方便獲得地下部分?jǐn)?shù)據(jù),本研究采用根箱試驗(yàn),并參照楊雪芳[11]的方法略作改進(jìn)。具體改進(jìn)如下:取800 g混好的土壤裝入根箱中;將立針期的水稻和剛露白的稗草種子各1粒種植于根箱區(qū)域三等分的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)上。

1.3 植株生物學(xué)參數(shù)測定

水稻3葉期時(shí)其根系基本接近根箱底部。此時(shí),分別收獲水稻和稗草的地上部分,測定水稻地上部分的株高和鮮重。將所取樣本用液氮研磨后放入-80℃冰箱冷凍保存,用于植物激素含量測定。

水稻和稗草的根系放置于100目篩上,用流動的自來水仔細(xì)清洗,并用鑷子挑除雜質(zhì)。清洗干凈后,吸干根系多余水分,進(jìn)行根系掃描。掃描結(jié)束后,分別稱量水稻和稗草地下部分的生物量。

1.4 植物激素測定

將植株地上部分經(jīng)液氮速凍后研磨成粉,參照Zhou等[13]的方法進(jìn)行吲哚乙酸(indole-3-acetic acid,IAA)、脫落酸(abscisic acid,ABA)、茉莉酸(jasmonic acid,JA)、水楊酸(salicylic acid,SA)4 種植物激素的提取和測定。

1.5 數(shù)據(jù)處理

根箱試驗(yàn)中所得到的植株根系通過Scan-Maker i800 plus掃描儀(上海中晶科技有限公司)掃描后,利用LA-S植物圖像分析儀系統(tǒng)(杭州萬深檢測科技有限公司)處理掃描圖像,計(jì)算出根系的總根長、總表面積、總體積、平均直徑和根尖數(shù)。本試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)采用SPSS 25.0(SPSS Inc.,Chicago,USA)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,制圖軟件為Excel 2010。

2 結(jié)果

2.1 稗草伴生對水稻株高的影響

兩個(gè)水稻品種的株高對稗草伴生的響應(yīng)不同(圖1)。無論是單種處理還是稗草伴生處理,化感水稻PI的株高均顯著高于非化感水稻LE。稗草伴生對PI株高的影響不大,單種處理和伴生處理間差異不顯著。然而,在稗草伴生條件下,LE的株高反而增加了14.23%,與LE單種處理時(shí)的株高呈顯著差異。

圖1 稗草伴生對水稻株高的影響圖中數(shù)據(jù)表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,不同小寫字母表示差異達(dá)到5%顯著水平(最小顯著差異法)。圖2、圖3類似。Fig.1 Effects of barnyardgrass on plant height of allelopathic and non-allelopathic riceValues are expressed as mean±standard error.Different small letters mean significant difference at 0.05 by least significant difference test.The same statistical analysis was used in Fig.2 and Fig.3.

2.2 稗草伴生對水稻生物量的影響

圖2的結(jié)果顯示:在單種處理?xiàng)l件下,化感水稻PI的地上生物量和地下生物量均顯著高于非化感水稻LE。稗草伴生對PI和LE地上生物量的影響不大。稗草的伴生生長導(dǎo)致PI的地下生物量與單種處理相比顯著增加了8.36%;LE的地下生物量也增加了5.74%,但與單種處理相比無顯著差異。

圖2 稗草伴生對水稻生物量的影響Fig.2 Effects of barnyardgrass on biomass of allelopathic and non-allelopathic rice

2.3 稗草對水稻根系構(gòu)型的影響

水稻化感品種和非化感品種的根系構(gòu)型對稗草伴生的響應(yīng)也不同。從表1可知,單獨(dú)生長時(shí),PI的總根長、根總表面積、根總體積及根尖數(shù)均顯著高于LE,而PI與LE根系的平均直徑之間并無顯著差異;在稗草伴生生長的條件下,PI的總根長、根總表面積、根總體積及根尖數(shù)也均顯著高于LE,而二者根系的平均直徑之間也無顯著差異。

表1 稗草伴生對化感水稻和非化感水稻根系構(gòu)型的影響Table 1 Effects of barnyardgrass on root development of allelopathic and non-allelopathic rice

與單獨(dú)生長相比,稗草伴生導(dǎo)致PI根系的總長、總表面積、總體積和根尖數(shù)分別顯著增加了4.08%、8.68%、9.36%和7.26%;PI根系的平均直徑也同樣具有增加的趨勢,但與單獨(dú)生長相比無顯著性差異。

與單獨(dú)生長相比,稗草伴生對LE根系的總長和平均直徑均無顯著影響。然而,稗草伴生導(dǎo)致LE根系的總表面積、總體積和根尖數(shù)分別顯著增加了14.12%、9.52%、8.49%。

2.4 稗草伴生對水稻內(nèi)源植物激素的影響

單獨(dú)生長時(shí),化感水稻PI中IAA和JA的含量均顯著高于非化感水稻LE(圖3A、D),而ABA和SA的含量在兩個(gè)水稻品種間無顯著差異(圖3B、C)。稗草伴生時(shí),PI和LE中IAA、ABA的含量與單種處理時(shí)的差異均不顯著。此外,在稗草伴生處理的兩個(gè)水稻品種中,SA和JA含量的變化趨勢大致相同,主要表現(xiàn)為:PI中SA含量較之單種處理顯著增加了15.93%,而JA含量較之單種處理顯著降低了81.19%;稗草伴生導(dǎo)致LE中SA含量顯著增加了33.63%,而JA含量顯著降低了79.31%。稗草伴生導(dǎo)致LE中SA含量的增加幅度是PI的2.1倍。

圖3 稗草伴生對水稻內(nèi)源植物激素含量的影響Fig.3 Effects of barnyardgrass on phytohormone contents in allelopathic and non-allelopathic rice

3 討論

植物適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境脅迫是其維持物種生存、繁育的主要本領(lǐng)之一。同一基因型的植物在適應(yīng)不同環(huán)境時(shí)具有不同的表現(xiàn)型(表型可塑性);表型可塑性較強(qiáng)的植物在應(yīng)對環(huán)境變化時(shí)能夠獲得更大的生存優(yōu)勢[14]。那么苗期水稻是如何通過表型可塑性來響應(yīng)稗草的脅迫呢？從本研究看來,在苗期水稻和稗草混種的條件下,化感水稻品種和非化感水稻品種表現(xiàn)出的表型可塑性存在很大的差異。

面對稗草伴生的脅迫,成熟的水稻化感品種和非化感品種在形態(tài)特征(株高、生物量)及其對稗草根區(qū)土壤養(yǎng)分影響等方面的差異,影響了其自身對伴生稗草的競爭能力[15]。在本研究中,稗草伴生對化感水稻PI的株高影響不大,這與孫備等[15]的研究結(jié)果相符。但在稗草伴生條件下,非化感水稻LE的株高急劇增加,這與孫備等[15]的研究結(jié)果相反。我們推測可能是因?yàn)榉腔兴镜钠贩N和測定時(shí)期不同,當(dāng)存在稗草競爭時(shí),3葉期非化感水稻LE選擇增加株高以期獲得更多的生長競爭優(yōu)勢。

在本研究中,化感水稻PI和非化感水稻LE的地上及地下生物量的比較結(jié)果顯示,無論是單種還是伴生處理,化感水稻PI的地上、地下生物量均顯著高于非化感水稻LE,說明化感水稻PI較非化感水稻LE具有更強(qiáng)的自身抵抗能力。另外,當(dāng)存在稗草與水稻的種間競爭時(shí),化感水稻PI和非化感水稻LE地上生物量的變化不明顯,但是化感水稻PI的地下部分生物量顯著增加,表明化感水稻PI較非化感水稻LE對稗草的地下競爭優(yōu)勢更為顯著。該結(jié)果與楊雪芳[11]的研究結(jié)果一致,說明化感水稻對稗草生長的抑制不是以犧牲地下部分的生長為代價(jià)的。

總根長、根總表面積、根總體積、根平均直徑和根尖數(shù)是反映根系生長狀況的重要指標(biāo),根系的生長狀況決定了植物的養(yǎng)分吸收能力。吳云艷等[16]研究發(fā)現(xiàn),雜草稻的競爭導(dǎo)致栽培稻根質(zhì)量、根體積、根冠比、根傷流速率、根系吸收面積、單位根質(zhì)量氧化力、單株根系氧化力等顯著降低,且降低程度隨雜草稻密度的增大而加劇。那么,化感水稻和非化感水稻在響應(yīng)稗草伴生時(shí)的根系構(gòu)型又有哪些改變呢？在本研究中,單獨(dú)種植時(shí),化感水稻PI的總根長、根總表面積、根總體積及根尖數(shù)均顯著高于非化感水稻LE,這與文中化感水稻PI在株高、地下生物量等方面優(yōu)于非化感水稻LE的結(jié)果相吻合。在稗草伴生情況下,兩個(gè)供試水稻品種的根系平均直徑無顯著變化,表明稗草的競爭性生長并未影響水稻根系的平均直徑。另外,與稗草伴生后,化感水稻PI的總根長、根總表面積、根總體積及根尖數(shù)均有不同程度的增加,從而使得伴生處理后其地下生物量顯著增加;與之類似,非化感水稻LE同樣顯著增加了根總表面積、根總體積及根尖數(shù),以實(shí)現(xiàn)稗草伴生下土壤養(yǎng)分的爭奪,從而滿足自身生長需求。但是,在稗草伴生后,非化感水稻LE的根系生長能力仍不及化感水稻PI。這一結(jié)果與已有研究結(jié)果[16]不符,我們推測可能是由于水稻品種、雜草種類和測定時(shí)期不同。

植物激素交互作用共同調(diào)控植物的生長發(fā)育[17]。稗草伴生影響著水稻生長,勢必造成水稻植株內(nèi)植物激素水平的劇烈變化。在本研究中,單獨(dú)種植時(shí),與非化感水稻LE相比,化感水稻PI具有較高水平的IAA和JA,表明化感水稻PI具有較強(qiáng)的生長勢和抗逆能力。稗草伴生時(shí),兩個(gè)水稻品種中的IAA和ABA含量與單種處理時(shí)相比,差異均不顯著,說明化感水稻PI和非化感水稻LE體內(nèi)的IAA、ABA對稗草的生物脅迫不敏感。JA和SA是植物應(yīng)對生物脅迫和非生物脅迫的兩個(gè)重要信號分子[18]。本研究表明,稗草伴生導(dǎo)致化感水稻PI和非化感水稻LE體內(nèi)的SA含量顯著增加,而JA含量明顯下降,且SA含量變化較緩,JA含量變化較快;另外,化感水稻PI體內(nèi)JA的降幅略大于非化感水稻LE,而非化感水稻LE中SA的增加幅度是化感水稻PI的2.1倍。由此可見,水稻在應(yīng)對稗草脅迫時(shí)優(yōu)先調(diào)節(jié)JA含量而后調(diào)節(jié)SA含量,以應(yīng)對脅迫反應(yīng);在SA水平上,非化感水稻對稗草生物脅迫的響應(yīng)更為強(qiáng)烈,說明化感水稻對稗草脅迫的抵抗能力高于非化感水稻。