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2024 , Vol. 14 >Issue 4: 1 - 6

DOI: https://doi.org/10.11923/j.issn.2095-4050.cjas2023-0078

Allelopathic Effects of Water Extracts from Millet on Seed Germination and Seedling Growth of Giant Foxtail

  • ZHAO Na ,
  • LI Guoyu ,
  • LI Guoqing ,
  • CONG Xinjun
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  • Taian Academy of Agricultural Sciences, Tai’an 271000, Shandong, China

Received date: 2023-03-23

  Revised date: 2023-07-15

  Online published: 2024-04-17

Fold

Abstract

In order to explore the allelopathy between millet and giant foxtail growth, the effects of different concentrations of water extracts on foxtail millet seed germination and seedling growth were studied by using‘Jinxuan 6’and ‘Setaria viridis’ as experimental materials. The results showed that different concentrations of water extracts have‘low promotion and high inhibition’on seed germination and seedling growth. Compared with the control, the emergence rate was decreased by 13.888%, and the allelopathic index was -0.139 under the treatment of original solution. The comprehensive indexes of root length, bud length, fresh weight and dry weight were -0.070 and -0.034 under the treatment of original solution and 10 times diluted solution, which showed allelopathic inhibition, meanwhile the total length, leaf area, chlorophyll content and SOD of plant were lower than those of the control. The emergence rate was increased by 33.333% and 11.117% under the treatment of 50 and 100 times diluted solution, and the comprehensive indexes of root length, bud length, fresh weight and dry weight were 0.275 and 0.153, which showed allelopathic promotion. Among them, the 50 times diluted solution had the strongest promotion, the total length, leaf area, chlorophyll content and SOD of plant were significantly different from the control. The millet field is often accompanied by a large number of giant foxtail, the results will provide a theoretical basis for removing the giant foxtail at the seedling stage.

Key words： millet; water extract; giant foxtail; allelopathic effects; seed germination; seedling growth

Cite this article

ZHAO Na , LI Guoyu , LI Guoqing , CONG Xinjun . Allelopathic Effects of Water Extracts from Millet on Seed Germination and Seedling Growth of Giant Foxtail[J]. Journal of Agriculture, 2024 , 14(4) : 1 -6 . DOI: 10.11923/j.issn.2095-4050.cjas2023-0078

0 引言

谷莠子[Setaria viridis (L.) Beauv.]，别名狗尾草，是谷田中的主要杂草之一，与谷子[Setaria italica (L.) Beauv.]同属于禾本科狗尾草属，其幼苗和谷子很相似，在间苗时常常被误认为是谷子而被留下，这样不仅造成谷子减产，还易导致谷莠子大肆蔓延[1]。同时，收割时混入的杂草种子也会影响谷子的品质，制约谷子产业的良性发展[2]。目前针对谷田中谷莠子的防治方法主要集中于一些药物处理及抗除草剂品种的选育等[3⇓-5]，但是药物除草效果并不理想，有时会产生明显药害[6]，而许多抗除草剂新品种的选育并不广泛，谷莠子防治仍是制约谷田高产的一大难题。周汉章等[7⇓-9]于2011年报道了关于河北省谷田杂草发生规律与化学防治措施。寇俊杰等[10]研究发现44%单密·扑灭 WG在夏谷田的用药量为2100~2400 g/hm2时，对谷子最安全，且能有效防治杂草。胡喜连等[11]选育了一种抗除草剂新品种‘公谷85’，但广适性有待于进一步试验。
植物化感效应是指植物通过向环境释放特定的次生物质从而对邻近的其他植物生长发育产生有益或有害的作用[12]。水浸液法是研究植物间化感效应最直接有效的方法[13]。早期对作物与杂草间化感作用的研究，主要集中于杂草分泌的化感物质对作物的抑制作用[14]，而未对作物释放的次生物质对杂草的作用进行深入探讨，谷子与谷莠子之间的化感效应方面的研究更是鲜见报道。为此，针对谷田中谷莠子生长健壮而普通荒地中谷莠子生长较弱的实际调查情况，本试验开展了不同浓度谷子水浸液对谷莠子种子萌发及幼苗生长的影响，对其作用机制进行初步探讨，旨在为谷田去除谷莠子提供新的研究方向。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试谷子品种为‘金选6号’，谷莠子品种为‘大狗尾草’(S. faberii Herrm.)。种子均于2021年9月采自泰安市农业科学院马庄试验基地(35.992818°N，117.004941°E)，放置于网袋中自然风干，之后选择籽粒饱满、大小均匀的种子在常温下密封保存。

1.2 试验方法

1.2.1 谷子水浸液的制备

将‘金选6号’种子与蒸馏水按照质量比1:10的比例混合，充分振荡并静置48 h后，将混合物经双层纱布过滤，得到的清液作为谷子水浸液原液，并将原液稀释10、50、100倍，共计4个浓度处理，放入4℃冰箱备用。

1.2.2 谷子水浸液的试验处理

在经过高温灭菌后的直径为9 cm的培养皿中铺两层滤纸，每皿对应加入3 mL谷子水浸液原液、10、50、100倍稀释液，对照(CK)加入3 mL蒸馏水。每皿中均匀放置30粒谷莠子种子，每个处理3次重复，5 d后测量种子根长、芽长、鲜重和干重。
采用口径8 cm，高10 cm的穴盘，将谷莠子种子点播于装有基质的穴盘中，一穴一粒，每盘30穴。分别浇灌不同浓度的水浸液，每个处理重复3次，对照浇灌等量蒸馏水。将穴盘置于光照充足的室温环境中，幼苗生长期间每2 d浇灌1次50 mL的对应水浸液。待幼苗生长至5叶期时测定幼苗植株全长（含根长）、叶面积、叶绿素含量、超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)含量指标。

1.2.3 测定方法

谷莠子种子萌发的相关指标参照董淑琦等[15-16]的方法测定。叶绿素含量采用乙醇提取分光光度法[17]测定；SOD和POD活性分别采用氮蓝四唑(NBT)法和愈创木酚法测定[18]。

1.3 数据处理

化感指数(RI)计算公式见式(1)、(2)。
R I = 1 - C K T T ≥ C K R I = T C K - 1 T < C K
式中：T为处理值，CK为对照值。RI>0为化感促进作用，RI<0为化感抑制作用，绝对值的大小为化感作用强度[19]。化感综合效应(SE)为谷莠子幼苗根长、芽长、鲜重、干重等测试指标RI的算术平均值[20]。
叶面积=长×宽×叶面积指数
式中：叶面积指数为0.75[21]。
采用SPSS 19.0软件对数据进行统计分析，利用WPS作图。

2 结果与分析

2.1 不同浓度谷子水浸液对谷莠子种子萌发的影响

2.1.1 不同浓度谷子水浸液对谷莠子种子发芽率的影响

由图1可以看出，不同浓度谷子水浸液对谷莠子种子发芽率的影响存在差异，发芽率总体随谷子水浸液浓度稀释倍数的增加呈先上升后下降的趋势，原液处理下的谷莠子发芽率为51.667%，低于其他各处理，较对照下降13.888%。10倍稀释液处理的谷莠子发芽率与对照相同。50、100倍稀释液处理的谷莠子发芽率均高于对照，分别为80.000%、66.667%，其中50倍稀释液处理的谷莠子发芽率与对照差异显著。
图1 不同浓度谷子水浸液对谷莠子种子发芽率的影响
由图2可以看出，不同浓度谷子水浸液对谷莠子种子的发芽率具有不同的化感效应，原液处理下种子发芽率RI为-0.139，说明谷子水浸液原液对谷莠子种子萌发具有化感抑制作用。10倍稀释液处理下谷莠子发芽率与对照组相同，RI为0。50、100倍稀释液处理下种子发芽率RI均为正值，表明2种处理对谷莠子种子萌发均表现为化感促进作用，且在50倍稀释液处理下，谷莠子发芽率RI最大，为0.250，说明此处理对谷莠子的种子发芽率的化感促进作用最强。
图2 不同浓度谷子水浸液对谷莠子种子发芽率化感指数的影响

2.1.2 不同浓度谷子水浸液对谷莠子种子根芽生长的影响

由表1可知，原液处理的谷莠子种子的根长为3.047 cm，较对照降低9.234%。10、50、100倍稀释液处理的谷莠子种子的根长分别为3.367、3.610、3.183 cm，均高于对照，且100倍稀释液与对照相比差异显著。经水浸液处理的种子根鲜重均高于对照，且50倍稀释液处理的种子根鲜重与对照相比差异显著，其他处理与对照相比无显著差异。50倍稀释液处理的种子根干重为0.073 mg，显著高于对照，其他处理与下的种子根干重与对照相比无显著差异。
表1 谷子水浸液对谷莠子种子根芽生长的影响
处理 根长/cm 根鲜重/mg 根干重/mg 芽长/cm 芽鲜重/mg 芽干重/mg
原液 3.047±0.131c 0.170±0.026ab 0.034±0.009b 3.797±0.212a 1.720±0.151b 0.180±0.053ab
稀释10倍 3.367±0.102bc 0.193±0.012b 0.034±0.005b 3.637±0.031a 1.707±0.084b 0.191±0.011b
稀释50倍 3.610±0.242ab 0.300±0.090a 0.073±0.020a 3.867±0.119a 2.667±0.630a 0.311±0.075a
稀释100倍 3.813±0.284a 0.247±0.042ab 0.052±0.007b 3.867±0.298a 2.190±0.182ab 0.228±0.007b
对照 3.357±0.280bc 0.167±0.006b 0.039±0.006b 3.123±0.448b 1.990±0.271b 0.242±0.005ab
原液、10、50、100倍稀释液处理的谷莠子种子芽长分别为3.797、3.637、3.867、3.867 cm，均显著高于对照。原液处理的种子的芽鲜重为1.720 mg，与对照相比降低了13.568%，50倍稀释液处理的种子芽鲜重为2.667 mg，显著高于对照。原液处理的种子芽干重最低，为0.180 mg，与对照相比降低了25.620%，而水浸液处理的种子芽干重与对照相比无显著差异。
由表2可知，谷子水浸液原液对谷莠子根长、根干重、芽鲜重、芽干重的RI均为负值，且SE也为负值，说明原液对谷莠子根芽的生长具有化感抑制作用。50、100倍稀释液对谷莠子根芽生长的化感综合效应均为正值，表明这2种处理能促进谷莠子根芽生长，且50倍稀释液处理下SE最大，为0.275，说明此处理对谷莠子根芽生长的促进作用最强。从SE数值来看，随着水浸液稀释倍数的增加，SE呈先上升后下降的趋势。
表2 谷子水浸液对谷莠子根芽生长的化感综合效应
处理 化感指数RI 化感综合效应SE
根长 根鲜重 根干重 芽长 芽鲜重 芽干重
原液 -0.092 0.018 -0.128 0.178 -0.136 -0.256 -0.070
稀释10倍 0.003 0.135 -0.128 0.141 -0.142 -0.211 -0.034
稀释50倍 0.070 0.443 0.466 0.192 0.254 0.222 0.275
稀释100倍 0.120 0.324 0.250 0.192 0.091 -0.058 0.153
对照 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000

2.2 不同浓度谷子水浸液对谷莠子幼苗生长的影响

2.2.1 不同浓度谷子水浸液对谷莠子幼苗植株全长、叶面积的影响

由表3可以看出，谷子水浸液原液及10倍稀释液处理的谷莠子幼苗植株全长及叶面积均低于对照，RI值均为负值，表现为化感抑制作用。其中原液处理下的植株全长与对照相比差异显著。50、100倍稀释液处理的谷莠子幼苗植株全长和叶面积均高于对照，RI均为正值，表现为化感促进作用。其中50倍稀释液处理下的植株全长与叶面积分别比对照高13.976%、19.120%，达显著差异，RI值分别为0.123、0.161，化感促进作用最强。
表3 谷子水浸液对谷莠子幼苗植株全长、叶面积的影响
处理 植株全长/cm 化感指数RI 叶面积/cm2 化感指数RI
原液 21.933±1.733c -0.122 3.833±0.085bc -0.144
稀释10倍 24.063±0.190bc -0.036 3.633±0.067c -0.189
稀释50倍 28.463±1.315a 0.123 5.333±0.762a 0.161
稀释100倍 26.080±0.790ab 0.042 4.537±0.202b 0.013
对照 24.973±1.958b 0.000 4.477±0.348b 0.000

2.2.2 不同浓度谷子水浸液对谷莠子叶片叶绿素含量的影响

由图3可知，原液处理下的谷莠子叶片叶绿素a、叶绿素b的含量较对照分别下降17.988%、19.277%，且差异达到显著水平(P<0.05)。50倍稀释液处理下，叶绿素a、叶绿素b含量均高于对照，分别比对照高11.509%、19.277%，差异达到显著水平。10、100倍稀释液处理下，叶绿素a、叶绿素b含量与对照相比无显著差异。RI随水浸液稀释倍数的增加表现出先增加后下降的总趋势，且原液及100倍稀释液RI均为负值，表现为化感抑制作用，50倍稀释液RI均为正值，表现为化感促进作用。
图3 不同浓度谷子水浸液对谷莠子叶片叶绿素含量及其化感指数的影响

2.3 不同浓度谷子水浸液对谷莠子幼苗SOD、POD活性的影响

由图4可以看出，原液处理的谷莠子幼苗SOD、POD活性均低于对照，分别降低21.051%、52.139%。50倍稀释液处理下，SOD活性最高，为150.204 U/g，较对照高14.835%。100倍稀释液处理下POD活性最高，为97.986 U/g，较对照高12.101%。从总体趋势来看，SOD活性随谷子水浸液浓度的增加表现出先下降后上升再下降变化趋势；POD活性表现出先上升后下降变化趋势。
图4 不同浓度谷子水浸液对谷莠子幼苗SOD、POD活性的影响

3 讨论

谷莠子作为一种常见的谷田伴生杂草，在谷子生长过程中与谷子争夺水、肥、光照等资源，严重影响谷子正常生长以及产量和品质。董淑琦等[22]研究发现谷子叶片、茎秆水浸提液对狗尾草存在显著化感作用，姚树宽等[23]研究得出假苍耳(Cyclachaena xanthiifolia)不同部位浸提液对种子萌发和幼苗生长的化感作用差异显著。本试验研究结果中不同浓度谷子水浸液对谷莠子种子萌发及幼苗生长均具有不同程度化感促进及抑制作用，这与薛启等[20]研究发现的化感作用对植物种子萌芽期及幼苗期的影响较大结果相一致。本试验中原液处理的谷莠子种子发芽率及植株全长均低于对照，这与李雪枫等[24]研究发现冷蒿(Artemisia frigida)茎叶水浸提液使3种禾本科植物种子的发芽指数降低，抑制幼苗苗高及根长的生长的结果相一致。在该试验中不同浓度水浸液对种子萌发及幼苗生长整体表现出的“低促高抑”双重效应与刘冠志等[25]研究结果相一致，但10倍稀释液处理下，谷莠子种子萌发及幼苗生长期的各指标与对照相比差异不显著，即化感作用不明显，而50倍稀释液却对其有显著的化感促进作用。为进一步明确水浸液化感促进作用的最适浓度，后期应在10倍与50倍稀释液之间设置更多的浓度梯度进行深入探究。
化感物质会导致植物产生氧化性损伤，当植物遭受逆境胁迫时，体内产生的自由基会对植物的膜系统造成一定的伤害，但植物体内也存在抗氧化保护酶系统，SOD、POD是2种主要的保护酶[26]。本试验结果表明，谷莠子幼苗在生长过程中，不同浓度谷子水浸液均会对其产生胁迫。50、100倍稀释液处理下，SOD、POD对谷莠子幼苗生长具有保护作用；原液处理下，SOD、POD活性最低，抑制了谷莠子幼苗的生长，说明此时水浸液浓度太高，破坏了细胞内活性氧的清除机制，这与王园园等[26]研究结果相一致。
综上所述，谷子水浸液中可能存在某种化感物质，当其浓度达到一定范围时会对谷莠子种子的萌发和幼苗生长产生促进作用，这符合谷田中谷莠子生长健壮，而普通荒地中谷莠子生长较弱的实际情况，也为苗期去除谷莠子提供一个新的参考方向。为进一步明确谷子对谷莠子生长的化感作用，今后需对相关的化感物质进行鉴定，并对其作用机理进行深入研究，以便为去除谷田里的谷莠子等杂草提供理论基础。

4 结论

谷子水浸液对谷莠子种子的萌发及其幼苗生长具有明显的化感作用，且随着水浸液稀释倍数的增加，谷莠子种子的萌发、幼苗的生长及其叶片叶绿素含量、抗氧化酶活性均表现出“低促高抑”的双重效应。原液处理下的谷莠子种子在萌发过程中发芽率、根芽长及鲜干重等SE均为负值，表现为化感抑制作用，其中发芽率较对照下降13.888%；幼苗期的植株全长、叶面积、叶片叶绿素含量及SOD、POD活性均最低，且与对照差异显著，表明原液抑制谷莠子幼苗生长。10倍稀释液处理下也表现出化感抑制作用，但与原液相比抑制作用较弱。50倍稀释液处理下，除POD活性之外，谷莠子种子萌发及幼苗期发芽率、根芽长、鲜干重、叶面积、叶绿素含量等各项指标的RI均为最大正值，表明此浓度下谷子水浸液对谷莠子种子萌发及幼苗生长化感促进作用最强。100倍稀释液处理下，各指标的RI为正值，表现为化感促进作用，但弱于50倍稀释液。

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