Allelopathic effects of aqueous extracts from different organs of Typha orientalis on seeds of four aquatic plants

2015年8月，于浙江农林大学校园植物园湿地公园随机挖取生长健壮、长势一致、无病虫害、株高1.4~1.8 m的香蒲植株，将根、叶和蒲黄分开并用清水冲洗干净，阴干后分别用粉碎机粉碎成粉末备用。受体植物分别为黄菖蒲、苦草、荇菜和芦苇4种植物种子，购买于江苏省沐阳县香林花木场公司。

根据文献方法^[15]，分别准确称量香蒲的根、叶和蒲黄粉末10.00 g于三角烧瓶中，加入200 mL蒸馏水于摇床上振荡48 h，粗提液经2层纱布过滤3次后在相对离心力2 400 g下离心10 min，取上清液，用0.22 μm孔径微孔滤膜的减压抽滤，得到香蒲根、叶和蒲黄浸提液母液，质量浓度为50.0 g·L^-1（即1 L蒸馏水中含有50 g干粉）。用蒸馏水将母液稀释成0.5，5.0和50.0 g·L^-1 3个质量浓度，保存在4 ℃冰箱中备用。

选取籽粒饱满、均一的4种水生植物种子，用1.0 g·L^-1高锰酸钾溶液消毒种子10 min，然后经蒸馏水冲洗5次，并用滤纸吸去种子表面多余水分，采用培养皿滤纸法进行试验，均匀播种于垫有2张滤纸的培养皿中（直径9 cm）；种子50粒·皿^-1，4种水生植物种子分别加入不同质量浓度香蒲根、叶和蒲黄浸提液10 mL, 盖上盖，将培养皿置于25 ℃，光强80 mmol·m^-2·s^-1，12 h光照下的光照培养箱中进行培养, 隔24 h加2 mL水以保持培养皿内滤纸的湿度，实验重复3次，参照刘忠玲等^[16]和高丹等^[17]。本实验采用蒸馏水为对照，重复3次。

化感作用的生物测定，目前通常有2种方法^[18-20]：一种是测定经浸提液处理后种子萌发所得到的幼苗的生长指标，一种是将幼苗生长实验与种子萌发实验分开独立进行。本研究采用第1种方法，15 d后统计各处理种子发芽数计算发芽率。从各个培养皿中随机挑选10株幼苗，测量单株幼芽和幼根的长度，并将幼苗芽和根分离，分别称量鲜质量；置于105 ℃的烘箱杀青0.5 h，70 ℃烘干至恒量，并测定其干质量。超氧化物歧化酶（SOD）活性测定采用氮蓝四唑（NBT）光化还原法，丙二醛（MDA）质量摩尔浓度的测定采用硫代巴比妥酸（TBA）比色法^[21]。

发芽率=（发芽的种子数/50）×100%。化感效应指数（I_R）采用WILLIAMSON等^[22]方法计算：当T≥C时，I_R=T/C-1；当T＜C时，I_R=1-C/T，其中：C为对照值，T为处理值，I_R为化感效应指数（I_R＞0为促进作用，I_R＜0为抑制作用，绝对值大小与作用强度一致）。

综合效应（E_S）表示化感综合效应的大小^[23]。E_S=（I_R发芽率+I_{R幼根长度}+I_{R幼芽长度}+I_{R幼根鲜质量}+I_{R幼芽鲜质量}+I_{R幼根干质量}+I_{R幼芽干质量}）/7。

对实验数据分析采用SPSS软件进行显著性检验和方差分析。

由表 1和图 1可以看出：香蒲根、叶和蒲黄水浸提液分别对4种植物种子发芽率表现出一定的化感效应，总体趋势为低促高抑的效应。

Figure 1.  Allelopathic effects of aquatic extractions from the different organ of Typha orientalis on seed germination rates of the four plants

4种植物种子发芽率大致是随香蒲叶浸提液质量浓度增加而降低。0.5 g·L^-1叶浸提液处理条件下，黄菖蒲种子发芽率比对照略有降低，与对照达到了显著性差异（P＜0.05）；对苦草种子萌发无明显影响，对荇菜和芦苇种子发芽均表现一定的促进作用。5.0 g·L^-1叶浸提液下4种植物种子的发芽率均比对照低，黄菖蒲、苦草、荇菜和芦苇的发芽率分别下降16.00%，13.32%，11.34%和6.66%，与对照差异达到显著水平（P＜0.05）。50.0 g·L^-1叶浸提液对4种植物种子萌发表现出抑制作用，发芽率与对照差异达到极显著水平（P＜0.01）；50.0 g·L^-1叶浸提液对4种植物种子的化感抑制作用强弱的顺序：黄菖蒲（I_R=-0.451）＞苦草（I_R=-0.395）＞荇菜（I_R=-0.333）＞芦苇（I_R=-0.282）。在50.0 g·L^-1叶浸提液作用下黄菖蒲种子发芽率为52.66%，比对照下降43.34%，其化感效应指数达到-0.451。

随根浸提液质量浓度增加，对种子萌发抑制作用越强，但质量浓度低时，可提高苦草、荇菜和芦苇种子发芽率，表现双重质量浓度效应，0.5 g·L^-1根浸提液抑制黄菖蒲种子萌发，其发芽率与对照差异达到显著水平（P＜0.05），对苦草、荇菜和芦苇种子发芽均表现一定的促进作用。5.0 g·L^-1根浸提液抑制黄菖蒲和苦草种子发芽，差异达到显著水平（P＜0.05），与对照相比发芽率分别下降10.00%和8.00%，对荇菜和芦苇种子萌发具有一定的抑制作用，但与对照差异均未达到显著水平。50.0 g·L^-1根浸提液对4种植物种子萌发表现出抑制作用，发芽率与对照差异达到极显著水平（P＜0.01），50.0 g·L^-1根浸提液对4种植物种子的化感抑制作用强弱的顺序：黄菖蒲（I_R=-0.347）＞苦草（I_R=-0.274）＞荇菜（I_R=-0.200）＞芦苇（I_R=-0.154），在50.0 g·L^-1根浸提液作用下黄菖蒲种子发芽率为62.66%，比对照下降33.34%，其化感效应指数达到-0.347。

4种植物种子发芽率大致是随香蒲蒲黄浸提液质量浓度增加而降低，但低质量浓度时促进芦苇种子萌发。0.5 g·L^-1蒲黄浸提液抑制苦草种子萌发，与对照差异达到显著水平（P＜0.05），对黄菖蒲种子发芽表现一定的抑制作用，但未达到差异显著水平，对荇菜种子发芽无明显影响。5.0 g·L^-1蒲黄浸提液下4种植物种子的发芽率均比对照低，黄菖蒲、苦草、荇菜和芦苇的发芽率分别下降了10.66%，8.66%，8.00%和4.66%，达到显著性差异（P＜0.05）。50.0 g·L^-1蒲黄浸提液抑制4种植物种子的发芽，发芽率与对照差异达到极显著水平（P＜0.01），50.0 g·L^-1香蒲蒲黄浸提液对4种植物种子的化感抑制作用强弱的顺序：黄菖蒲（I_R=-0.381）＞荇菜（I_R=-0.258）＞苦草（I_R=-0.218）＞芦苇（I_R=-0.180），在50.0 g·L^-1蒲黄浸提液作用下黄菖蒲种子发芽率为59.38%，比对照下降36.62%，其化感效应指数达到-0.381。在高质量浓度不同部位水浸提液处理下，均可抑制4种植物种子的萌发，但不同植物种子受到不同部位水浸提液的化感抑制作用强弱顺序不同。在50.0 g·L^-1不同部位浸提液质量浓度下对黄菖蒲、荇菜和芦苇抑制作用强弱顺序：叶浸提液＞蒲黄浸提液＞根浸提液，而对苦草的抑制作用强弱顺序：叶浸提液＞根浸提液＞蒲黄浸提液，均表现出叶浸提液对4种植物种子萌芽化感抑制作用最强。

从表 2可以看出：4种水生植物幼苗生长与香蒲根、叶和蒲黄浸提液的质量浓度有明显关系，并表现出一定的质量浓度效应，浸提液质量浓度低时，促进幼苗的生长，随着浸提液质量浓度的升高而抑制幼苗的生长。

从表 2可见：不同质量浓度的香蒲叶浸提液对4种水生植物幼苗生长均有不同程度的化感效应。比较4种水生植物幼苗生长在3种质量浓度叶浸提液下的影响规律，表明香蒲叶浸提液对4种水生植物幼苗的生长均具有质量浓度效应。当叶浸提液质量浓度为0.5 g·L^-1时，对黄菖蒲和苦草2种植物的幼根长、幼根鲜质量、幼根干质量、幼芽长、幼芽鲜质量和干质量均有一定的化感抑制作用，而对荇菜幼苗的生长和芦苇幼苗的根长、幼根鲜质量和干质量有一定的化感促进作用。当叶浸提液质量浓度等于或大于5.0 g·L^-1时，对4种水生植物幼苗的生长均有明显的化感抑制作用，而且质量浓度为50.0 g·L^-1时化感抑制作用强于叶浸提液质量浓度5.0 g·L^-1时。叶浸提液质量浓度5.0 g·L^-1时，对苦草幼根、幼芽长、幼根干质量和幼芽鲜质量，黄菖蒲幼根鲜质量、幼芽长和幼芽干质量的化感抑制作用最强。当叶浸提液质量浓度50.0 g·L^-1，4种水生植物幼苗生长的形态指标，与对照相比均达到差异极显著水平（P＜0.01），50.0 g·L^-1香蒲叶浸提液对4种植物幼苗幼根长、幼根鲜质量、幼芽长、幼芽鲜质量和幼芽干质量的抑制作用强弱的顺序为黄菖蒲＞苦草＞荇菜＞芦苇，而对4种植物幼苗幼根干质量的抑制作用强弱的顺序为黄菖蒲＞荇菜＞苦草＞芦苇，50.0 g·L^-1下黄菖蒲幼苗的幼根长度、幼根鲜质量和干质量，幼芽长度、幼芽鲜质量和干质量与对照相比下降的最多，分别下降了61.70%，49.30%，50.70%，38.90%，33.90%和34.10%。

从表 2分析比较3个质量浓度梯度根浸提液对4种水生植物幼苗生长的影响规律，可见香蒲根浸提液对4种植物幼苗生长的影响表现为低质量浓度促进高质量浓度抑制。在根浸提液质量浓度为0.5 g·L^-1作用下，除苦草幼根长外，对4种水生植物幼苗生长的幼根长、幼根鲜质量、幼根干质量、幼芽长、幼芽鲜质量和干质量均匀一定的促进作用。当根浸提液质量浓度为5.0 g·L^-1时，对4种植物幼苗生长均表现出较强的抑制作用，对黄菖蒲幼苗的幼根和幼芽长，黄菖蒲幼苗的幼根干质量、幼芽干质量，荇菜幼苗根鲜质量和苦菜幼芽鲜质量的抑制作用最明显。随着根浸提液质量浓度的升高，对植物幼苗的生长抑制作用增强。当根浸提液质量浓度为50.0 g·L^-1时，除荇菜幼芽鲜质量外，4种水生植物幼苗生长的形态指标，比对照均减小，差异达到极显著水平（P＜0.01），50.0 g·L^-1香蒲根浸提液对黄菖蒲幼根长、荇菜幼根鲜质量、黄菖蒲幼根干质量、苦草幼芽长和鲜质量及黄菖蒲幼芽干质量抑制作用最强，与对照相比分别下降了44.90%，40.00%，37.20%，35.30%，25.80%和31.10%。

从表 2分析比较3个质量浓度根浸提液对4种水生植物幼苗生长的影响规律，可见香蒲蒲黄浸提液对4种水生植物幼苗生长的化感作用都表现出质量浓度效应。0.5 g·L^-1作用下，除黄菖蒲和芦苇2种植物幼苗生长的幼根长、幼根鲜质量和干质量外，对4种水生植物幼苗的生长均表现出一定的促进作用。在5.0 g·L^-1处理条件下，对4种水生植物幼苗的生长的抑制作用进一步增强。黄菖蒲幼苗的幼根长、幼根鲜质量和干质量，苦草的幼芽长和鲜质量，黄菖蒲幼芽干质量，与对照相比减少最多。蒲黄浸提液质量浓度50.0 g·L^-1时，对4种水生植物幼苗生长抑制作用进一步加强，除苦草和荇菜幼根鲜质量、芦苇幼芽鲜质量，与对照相比达到差异显著水平（P＜0.05），其他均达到极显著水平（P＜0.01）。50.0 g·L^-1下黄菖蒲幼苗的幼根长度、幼根鲜质量和干质量，幼芽长度、幼芽鲜质量和干质量减少最多，与对照相比分别下降了46.30%，39.50%，38.40%，38.90%，33.90%和34.10%。

从表 3可以看出：不同质量浓度的香蒲叶、根和蒲黄浸提液对4种植物均有化感效应，总体趋势表现为低促高抑的质量浓度效应型，而且不同质量浓度不同部位水浸提液对4种植物的化感作用强弱顺序一致，均表现对黄菖蒲的抑制作用最强，对芦苇的抑制作用最弱。从不同部位水浸提液对4种植物的化感综合效应可知：香蒲3种水浸提液对4种植物的化感作用强弱顺序为叶浸提液＞蒲黄浸提液＞根浸提液，表明香蒲叶片可能是化感物质产生的主要部位，通过叶片淋溶的方式向周围释放化感物质。

植物在逆境胁迫下往往发生膜脂过氧化作用，MDA是膜脂过氧化的最终分解产物，其含量与逆境伤害程度有密切关系^[24]。从图 2可以看出：黄菖蒲幼苗体内的MDA质量摩尔浓度发生了明显的变化，随着各部位浸提液质量浓度的升高，MDA质量摩尔浓度也在不断的升高，且叶浸提液升高的最大，说明黄菖蒲细胞的膜脂过氧化作用加剧，细胞膜受损伤程度逐渐增加。

Figure 2.  Effects of aquatic extractions from the different organ of Typha orientalis on MDA and SOD activity of Iris pseudacorus

植物的抗氧化酶系统是自身对外界环境适应的重要抗性机制，植物在外界环境胁迫条件下产生活性氧和自由基。活性氧和自由基积累会引起细胞结构和功能的破坏，SOD是植物体内一种重要的抗氧化酶，能清除超氧阴离子自由基，从而减少自由基对植物的毒害作用^[24]，SOD的活力与植物抗性有密切关系。从图 2可以看出，随着各部位浸提液质量浓度的增加，黄菖蒲幼苗体内SOD活性也显著增加（P＜0.05），当质量浓度为50.0 g·L^-1时SOD活性急剧下降，总体趋势表现为先增大后减少，并且叶浸提液的作用更加明显，表明黄菖蒲幼苗通过提高SOD活性，来抵抗各部位浸提液对其产生的毒害作用，但随着浸提液质量浓度的增加，SOD活性下降，可能是其毒害作用超过了黄菖蒲幼苗自身的调节作用，这与文献结果^[25-26]类似。

植物的化感作用通过抑制受体植物的种子发芽率、幼苗幼芽长和鲜干质量、幼苗根长和根鲜干质量来表现，且不同供体对受体植物的化感效应差异很大^[27]。本研究结果表明：香蒲的叶浸提液、根浸提液和香蒲浸提液对黄菖蒲、苦草、荇菜和芦苇4种植物种子发芽率、幼苗幼芽长和鲜干质量、幼苗根长和根鲜干质量均具有显著的化感抑制作用。通过抑制种子发芽，抑制植物根系的生长从而降低植物对水分和营养的吸收能力，抑制植物地上部分的生长从而导致受体植物的光合作用下降，同时还降低膜脂过氧化保护酶SOD活性，加剧膜脂氧化，使MDA质量摩尔浓度增加，从而影响幼苗生长，可能是香蒲迅速蔓延的原因之一。

大量的实验结果表明：植物的化感作用存在双重的质量浓度效应，表现为低促高抑现象，同一供体植物对同一受体植物，质量浓度低时产生促进作用，质量浓度高时产生抑制作用^[28]。本实验研究发现：0.5 g·L^-1叶浸提液促进荇菜和芦苇种子萌发，0.5 g·L^-1根浸提液促进苦草、荇菜和芦苇种子发芽，0.5 g·L^-1蒲黄浸提液促进芦苇种子萌发，同时不同部位浸提液对4种植物的幼苗芽和根的生长同样存在这种现象。在研究中还发现，不同部位浸提液的化感抑制作用强弱顺序为叶浸提液＞蒲黄浸提液＞根浸提液，这与杨琴琴等^[29]在香菇草Hydrocotyle vulgaris水浸提液对植物种子萌发的研究结果类似，表明香蒲的叶片可能是化感物质产生的最主要场所，所含的化感物质较根和蒲黄高，同时主要通过叶片淋溶的方式向外界环境中释放化感物质。本研究结果表明：香蒲各部位浸提液对根部的抑制作用明显大于幼芽，这与王媛等^[30]研究再力花Thalia dealbata地下部位浸提液对几种常见水生植物的化感作用的结果类似，表明香蒲对植物的化感作用可能是先通过抑制根的生长，进而使植株对水分、无机盐和营养元素的吸收减缓，导致地上部分的生长减慢。

植物的化感作用在植物生态群落演替过程中起着非常重要的作用。在现阶段的园林植物配置中，设计师们往往仅仅考虑园林植物配置的艺术美，而没有注意植物间的相互作用关系。本研究采用的4种水生植物常作为香蒲的伴生植物。实验表明：香蒲对伴生植物具有强烈的化感抑制效应，导致自身迅速生长，快速蔓延，成为优势种群，破坏原有的生态结构，最终导致园林植物景观系统的持续性变差，所以在今后的园林植物配置中应注意香蒲的化感作用，避免它可能成为对水生植物群落有严重危害的入侵种。