稗草种植液诱导对不同化感潜力水稻生长和土壤酶活性的影响

张 奇, 张清旭, 汪 鹏, 林舜贤, 陈 尧, 李家玉, 何海斌

(1.武夷学院茶与食品学院，福建 武夷山 354300;2.福建农林大学福建省农业生态过程与安全监控重点实验室，福建 福州 350002;3.福建农林大学生命科学学院，福建 福州 350002)

杂草危害是影响水稻产量的重要因素.利用化感控制田间杂草是重要的研究领域[1-5].利用水稻自身化感作用控制稻田杂草不仅可以减少除草剂的使用，而且保护生态环境，维护稻田生态系统的生物多样性，符合低碳生态农业发展方向，也是当前农业生态学研究的热点与焦点之一[6].

Dilday et al[7]首次在田间试验中发现对鸭跖草(Heterantheralimosa)具有化感作用的水稻(OryzasativaL.).然而，在过去的三十多年里，未有化感水稻品种被成功地用于水稻生产，一方面是因为水稻化感作用是数量遗传，与水稻化感作用相关基因的定位结果不一致[8-10]，另一方面是，水稻化感受多基因遗传控制，在氮、磷、钾胁迫和水胁迫、UV-B胁迫、杂草胁迫等胁迫下都能提高水稻化感作用[11-14]，但这些都不能应用于实际的田间生产中.水稻化感具有化学诱导响应机制，在外源化学物质诱导下可以诱导提高水稻化感作用[15-17].之前的研究证实，在水培系统中，不同化感潜力水稻使用稗草种植液诱导都可以有效地诱导提高水稻化感潜力[18,19].利用诱导技术来增强水稻的化感作用，特别是在常规水稻品种中，可能是一种更加实用和有价值的方法.然而，Olofsdotter[20]提出关于化感作用的生理成本问题，即化感物质的生产可能需要消耗原本用于植物生长和生产的物质和能量.虽然未有研究表明化感作用可引起产量损失，但这种可能性需要试验验证.

土壤酶的活性对土壤环境的变化十分敏感[21,22].水稻的生长伴随着根系的生长，根系向根际释放一系列有机化合物，干扰或促进水稻土壤中的微生物种群和酶活性[23].林瑞余等[24]研究表明，化感水稻分泌化感物质会抑制一部分酶的活性，如：脱氢酶、过氧化物酶、多酚氧化酶和纤维素分解酶的活性，同时，也会提高一部分酶的活性，如：酸性磷酸酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性.Gu et al[25]研究表明，化感水稻PI312777分泌黄酮类物质可以诱导提高水稻根际土壤脲酶、蔗糖酶、脱氢酶和多酚氧化酶活性.张奇等[26]利用不同田间管理模式，研究不同化感潜力水稻根际土壤酶活性变，结果表明，化感水稻PI312777根际土壤脲酶、蛋白酶和蔗糖酶活性要高于非化感水稻Lemont，且在杂草胁迫下，化感水稻PI312777根际土壤脲酶、蛋白酶和蔗糖酶活性都得到提高.但直接 利用稗草种植液诱导水稻提高化感作用，这对水稻根际土壤酶活的影响还未有相关报道.本研究旨在探讨在土培种植条件下，稗草种植液诱导对水稻化感潜力、水稻生长和根际土壤酶活性的影响，以及诱导化感潜力的变化与生长指标、土壤酶活性的变化之间的关系，为阐明水稻化感作用的诱导响应机制提供依据.

1 材料与方法

1.1 稗草种植和稗草根系分泌物收集

稗草种植和种植液的收集参照Zhang et al[18]，将稗草种植在Hoagland营养液中，25 d后(约6叶期)，种植液过滤，再用旋转蒸发仪浓缩(温度40 ℃)，将浓缩液放4 ℃，静置沉淀24 h，离心去除沉淀物，最后定容(相当于1 mL浓缩液等于1株稗草分泌液)，即为后续实验用的稗草诱导液，-20 ℃储藏备用.

1.2 水稻土培种植和诱导处理

水稻品种选择国际公认的化感水稻PI312777和其对照非化感水稻Lemont[27,28]为试验材料.水稻种植在福建农林大学室外网室，试验期间温度为25～34 ℃.水稻种植采用抑草圈法，种植简述为[29]，把冒芽的水稻种子移植到装有10 kg土的圆盆(上直径37 cm×下直径27 cm×高13 cm)，每盆5颗.每天浇适量的水以保持土壤湿润.待水稻长至3叶期时，在距离水稻苗5 cm处土壤挖以宽1 cm深0.5 cm的小沟，每盆加15 mL的稗草种植液，标示PI(+B)和LE(+B)，对照组添加15 mL的蒸馏水，标示PI(-B)和LE(-B).待水稻4叶期、5叶期时，利用同样方式处理.5叶期诱导1 d后，将一叶期的稗草移植到盆中距离水稻12 cm处，每盆5株，等间距分布.另单独种植无水稻苗的5株稗草为对照(CK).试验设置3个重复.移植6 d后，测量稗草的株高，按下式计算抑制率：IR=(对照组生长指标-处理组生长指标)/对照组生长指标×100%.同时测量水稻的株高、叶绿素含量、叶片氮素含量、倒二叶长度、地上部鲜重，将测完地上部鲜重的水稻放105 ℃杀青5 min，后转移到80 ℃烘至恒重，测定干重.同时采用抖落法收集水稻的根际土壤[30]，用于研究根际土壤酶活性.

1.3 水稻根际土壤酶活性测定

土壤酶活性测定参照李振高等[31]方法.各酶检测方法简述为，取10 g过1 mm筛的新鲜土壤，以硫酸铵为标样定量脲酶活性.取5 g过2 mm筛的新鲜土壤，采用Folin比色法，以酪氨酸为标样定量蛋白酶活性.取5 g过2 mm筛的新鲜土壤，采用硝基水杨酸比色法，以葡萄糖为标样定量蔗糖酶活性.取1 g过2 mm筛的新鲜土壤，以没食子酸为标样定量多酚氧化酶活性.取1 g过2 mm筛的新鲜土壤，以没食子酸为标样定量过氧化物酶活性.取1 g过2 mm筛的新鲜土壤，采用对硝基苯磷酸盐法，以对硝基苯酚为标样定量磷酸单酯酶活性.各酶活测定都重复3次.

1.4 数据分析

采用Excel 2013软件进行绘图.数据统计和方差分析、显著性差异分析使用DPS软件进行，采用最小显著性差异法(LSD法)进行显著性差异分析.

2 结果与分析

2.1 稗草种植液诱导对水稻抑草潜力的影响

与未诱导对照比较，稗草种植液诱导处理后显著(P<0.05)提高了两种水稻对共培稗草株高的抑制率(图1).其中化感水稻PI312777的抑制率从20.96%上升到26.13%，提高了5.17%；非化感水稻Lemont从5.56上升到12.74%，提高了7.18%.不同水稻品种及不同处理之间存在显著差异(P<0.05).

2.2 稗草种植液诱导处理对不同化感潜力水稻生长的影响

诱导处理后化感水稻PI312777的株高、地上部干重、倒二叶长度、叶绿素含量和叶片氮素含量均有一定的增加，但均未达到显著差异；非化感水稻Lemont诱导处理叶片水稻株高、地上部鲜重、地上部干重都有一定程度增加，倒二叶长度有一定程度减小，但均未达到显著差异.诱导处理后非化感水稻Lemont叶绿素和氮素含量显著高于未诱导对照(P<0.05)，分别增加1.21倍和1.11倍.总体来看，稗草种植液诱导处理下对2个水稻品种的生长指标没有显著影响，而对非化感水稻Lemont的叶绿素和氮素含量影响较大.

1)PI：化感水稻PI312777；LE：非化感水稻Lemont；(+B)：稗草种植液诱导处理；(-B)：未诱导对照.小写字母表示在P<0.05水平的显著性差异.

2.3 稗草种植液诱导水稻根际土壤酶活性分析

诱导处理后化感水稻PI312777根际土壤蛋白酶和过氧化物酶活性均降低，且蛋白酶活性与未诱导对照存在显著差异(P<0.05)；脲酶、多酚氧化酶、蔗糖酶和磷酸单酯酶活性均提高，且多酚氧化酶、蔗糖酶和磷酸单酯酶活性与未诱导对照存在显著差异(P<0.05)，3种酶分别增加1.12倍、1.84倍和1.45倍.诱导处理后非化感水稻Lemont根际土壤过氧化物酶、多酚氧化酶和蔗糖酶活性均得到提高，且过氧化物酶和多酚氧化酶与对照相比存在显著差异(P<0.05)，两种酶分别降低1.39倍和1.46倍；蛋白酶、脲酶和磷酸单酯酶活性均提高，且脲酶和磷酸单酯酶活性与未诱导对照存在显著差异(P<0.05)，2种酶分别提高1.33倍和1.91倍.

2.4 相关性分析

相关性分析结果表明(表2)，稗草种植液诱导后水稻化感潜力提升与水稻株高、地上部鲜重和地上部干重的增加呈极显著正相关(P<0.01)，与叶片氮素含量呈显著正相关(P<0.05).诱导处理对不同化感潜力水稻株高、地上部鲜重和地上部干重3者之间的变化都呈极显著正相关(P<0.01).同时叶片氮素含量与株高、地上部鲜重和地上部干重的变化都呈显著正相关(P<0.05)，与叶片叶绿素含量的变化呈极显著正相关(P<0.01).

表2 水稻化感潜力与水稻生长指标的相关性1)

1)**：P<0.01，*：P<0.05.AP：化感潜力；PH：株高；AFW：地上部鲜重；ADW：地上部干重；LPL：倒二叶长度；CC：叶绿素含量；NC：氮素含量.

稗草种植液诱导处理后，水稻化感潜力变化与水稻根际土壤酶活性变化之间无显著相关性.土壤脲酶的变化与多酚氧化酶和过氧化物酶呈显著负相关(P<0.05)，蔗糖酶与蛋白酶呈显著负相关(P<0.05)，磷酸单酯酶与过氧化物酶呈极显著负相关(P<0.01)，与脲酶呈显著正相关(P<0.05).

表3 水稻化感潜力与土壤酶活相关性1)

1)**：P<0.01，*：P<0.05.AP：化感潜力；Pro：蛋白酶；Per：过氧化物酶；Pol：多酚氧化酶；Ure：脲酶；Suc：蔗糖酶；Pho：磷酸单酯酶.

3 讨论

水稻化感作用具有化学诱导响应机制[17,16,32]，且在水培体系中证实了稗草种植液诱导可以有效提高化感水稻PI312777和非化感水稻Lemont的化感潜力[18,19].本研究在土壤种植条件下，利用稗草种植液连续诱导化感水稻PI312777和非化感水稻Lemont，结果表明，2种水稻对共培稗草株高的抑制率都显著得到提升(P<0.05)(图1)，说明稗草种植液进入土壤中对水稻化感潜力的诱导仍然是有效的.稗草种植液诱导后非化感水稻Lemont的化感潜力提升的要大于化感水稻PI312777，这可能是由于2种水稻对稗草生长抑制的机制不同导致的，化感水稻PI312777通过增加化感物质提高化感潜力提高对稗草生长的抑制，而非化感水稻Lemont则是通过增加生长增加资源竞争优势来提高对稗草生长的抑制.土培条件下诱导水稻提高化感潜力的效果虽然不能达到完全防治稗草的目的，但可以显著抑制苗期稗草的生长，这为诱导提高水稻苗期化感作用，减少水稻幼苗期的化学除草剂的用量，提供了新的途径.

Olofsdotter[20]研究表明，水稻化感物质的生产可能会消耗额外的能量和资源，这可能会影响水稻的生长和产量.本试验结果表明，在水稻苗期利用稗草种植液诱导有利于水稻的生长(表1).在外源化学物质的作用下，水稻幼苗可以提高叶绿素含量生长的更快，物质积累也更多.这个结果消除了人们对于提高水稻化感作用可能导致水稻消耗更多物质和能量，使其生长和产量受到影响的疑虑.相关性结果表明，水稻化感作用跟水稻生长显著相关(表2)，合理的田间管理有助于提高水稻化感作用.研究结果还表明，非化感水稻Lemont在诱导后鲜重、干重分别增加1.21倍和1.20倍，而化感水稻PI312777分别提升0倍和1.10倍，在生长指标上非化感水稻的变化要比化感水稻更加显著.这提示了通过诱导可以显著提高非化感水稻的抑草能力，进一步揭示非化感水稻响应诱导的机理机制，可为提高常规水稻的苗期抑草作用以减少除草剂用量提供了科学依据和应用途径.

水稻生态系统的土壤酶活性对提高和维持土壤肥力、保证水稻产量具有重要作用.土壤酶活性对土壤微环境的变化很敏感[21,22].水稻在生长过程中释放的各种化学物质的差异也会导致水稻根际土壤酶活性产生差异[18,33].李海波等[34]研究表明，在稗草胁迫下可以提高化感水稻蔗糖酶活性，而非化感水稻的蔗糖酶活性会被抑制.这与本研究直接利用稗草种植液诱导结果一致(图3).这说明化感物质的释放会促进蔗糖酶的活性.稗草种植液诱导可以显著提高化感水稻PI312777多酚氧化酶、蔗糖酶和磷酸单酯酶的活性，非化感水稻Lemont只有磷酸单酯酶活性显著提高(图2).Zhang et al[19]研究表明，稗草种植液诱导下水稻根系分泌的酚酸含量显著增加.Wang et al[35]研究表明，利用化感物质苯甲酸和阿魏酸诱导水稻，其蔗糖酶、脱氢酶和多酚氧化酶活性显著提高.本试验结果表明，稗草种植液诱导化感水稻PI312777根际土壤多酚氧化酶和蔗糖酶活性显著提高.这可能是由于稗草种植液诱导水稻分泌更多的酚酸诱导水稻根际土壤酶活性提高，从而导致水稻化感作用增强.这说明水稻化感物质的分泌是导致水稻根际土壤酶活产生变化的重要因素[18,24,33,35,36].虽然说稗草种植液中存在酚酸等一些物质可能会影响到水稻根系酶活，但其含量相对于水稻根系分泌物来说是微乎其微[37]，水稻化感物质的分泌才是影响水稻根际土壤酶活的主要原因.

相关性结果表明，稗草诱导水稻化感作用的提升与生长显著相关(表2)，这说明水稻化感潜力与水稻自身的生长息息相关.有研究表明，水稻化感潜力从3叶期开始表现随叶期的增加而增加，化感水稻PI312777在6叶期对稗草的抑制率最强[29].但诱导提高水稻化感潜力与土壤酶活性增加之间没有显著相关，这可能是由于不同水稻品种响应稗草种植液的策略差异导致，化感水稻在稗草种植液诱导下通过分泌更多的化感物质如：酚酸等来增强化感作用[19]，导致土壤酶活性增强，而非化感水稻则是通过增强自身的生长发育来提高竞争[19].从整体来看土培条件下稗草种植液诱导可以诱导提高水稻化感潜力，但并不能达到完全抑制稗草的效果，这就需要适当的结合除草剂来实现田间杂草的综合防治.使用诱导剂诱导提高水稻化感作用，以减少除草剂的使用，为水稻化感在田间实际应用提供基础.