華北落葉松化感物質(zhì)及其對自身種子萌發(fā)和胚根生長的影響

華北落葉松化感物質(zhì)及其對自身種子萌發(fā)和胚根生長的影響

過去，人們常常考慮森林更新的失敗原因，但對生化因素的影響往往低估。事實上，一些樹種更新和重建的失敗與化感作用有關(guān)。發(fā)芽作為植物釋放化感物質(zhì)的重要途徑之一，已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)和研究。大量事實表明，植物可以通過發(fā)芽產(chǎn)生化感作用，對其他植物及其自身種子的發(fā)芽和幼苗的生長有不同程度的抑制作用，這對種子群的數(shù)量和未來的種群密度產(chǎn)生了一定的影響。華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)為松科落葉松屬的落葉喬木,是我國華北地區(qū)中山以上山地的重要速生用材林樹種.而華北落葉松連栽或純林導(dǎo)致生產(chǎn)力下降和地力衰退一直是阻礙我國林業(yè)生產(chǎn)的重要問題,同時,樹下少幼苗或無幼苗,不利于森林更新.近幾年來,對落葉松的化感研究已有一些報道,如吳俊民等研究了落葉松-水曲柳混交林中落葉松枯枝落葉對水曲柳生長的影響;楊立學(xué)研究了落葉松與胡桃楸之間的化感作用.華北落葉松體內(nèi)富含特殊氣味的揮發(fā)物,但對華北落葉松枝葉揮發(fā)物的化感作用尚未見文獻(xiàn)報道.為此,本文在密閉干燥器中進(jìn)行了華北落葉松枝葉天然揮發(fā)物和揮發(fā)油對自身種子萌發(fā)和植株生長影響的試驗,旨在進(jìn)一步研究華北落葉松的化感作用,為我國華北落葉松林的可持續(xù)經(jīng)營和發(fā)展提供基礎(chǔ)資料.1材料和方法1.1華北落葉松種子和種子采集2007年4月中旬,在甘肅子午嶺連家砭林場(35°53′—36°10′N,108°20′—108°39′E)的華北落葉松人工純林內(nèi)采集自然狀態(tài)下生長良好的華北落葉松枝葉,用保鮮膜包裹后帶回實驗室備用.華北落葉松人工林屬幼齡林階段,20世紀(jì)80年代造林,平均樹高7.6m、胸徑為12.5cm,林相整齊,干形通直.華北落葉松種子由子午嶺連家砭林場提供,置布袋中于4℃冰箱中保存.1.2測試方法1.2.1揮發(fā)油的提取按照2000版《中國藥典》附錄XD.水蒸汽蒸餾法提取、收集揮發(fā)油,將新鮮陰干的華北落葉松枝葉切碎后打成粗粉,過0.5mm篩,冷水浸泡4h后,用揮發(fā)油測定器提取5h,蒸餾液用乙醚萃取3次,合并萃取液,無水硫酸鈉干燥,使有機(jī)相中乙醚在水浴中蒸發(fā),得到有特殊香味的淺黃色油狀物,即為華北落葉松枝葉的揮發(fā)油,得油率為0.18%(V/M).將揮發(fā)油密封、冰箱保存,供試.1.2.2種子萌發(fā)和發(fā)芽試驗參照曾任森等的方法,試驗分自然揮發(fā)組和揮發(fā)油組(每組分揮發(fā)物和空白對照).在干燥器上部的貯藏室分別進(jìn)行種子萌發(fā)和露白種子生長試驗,分別模擬的是種子萌發(fā)階段和生長初期階段.在直徑20cm、高30cm的干燥器底部的干燥室,分別放50g新鮮落葉松枝葉和0.1ml華北落葉松揮發(fā)油作為揮發(fā)物來源;對照的底部不放任何東西.華北落葉松種子用0.3%的高錳酸鉀溶液消毒,再用蒸餾水浸泡24h,以待萌發(fā).精選出大小基本一致的種子均勻擺放在鋪有2層濾紙的直徑10cm的培養(yǎng)皿中,每皿放50粒,3次重復(fù),干燥器加蓋,在室溫20℃～25℃自然光照下培養(yǎng).每天加適量蒸餾水,打開干燥器通氣15min,每天記錄發(fā)芽數(shù)(以胚根突破種皮為準(zhǔn)),第9天結(jié)束發(fā)芽試驗,測量其胚根長、胚軸長、鮮質(zhì)量;精選大小基本一致預(yù)先催芽(芽長1～2mm)的種子,每皿放20粒,均勻擺放在鋪2張濾紙的直徑為10cm的培養(yǎng)皿中,3次重復(fù),干燥器加蓋,在室溫20℃～25℃自然光照下培養(yǎng).每天加適量蒸餾水,打開干燥器通氣15min,培養(yǎng)10d測量其胚根長、胚軸長和鮮質(zhì)量.1.2.3gc/ms色譜條件采用GRACEGC-MS2000氣質(zhì)聯(lián)用儀.色譜條件:SF-54色譜柱(30m×0.25mm×0.25μm),進(jìn)樣口溫度250℃,柱流速1ml·min-1,載氣為氦氣,進(jìn)樣量1μl,無分流進(jìn)樣.色譜程序升溫條件:起始溫度60℃,保持2min,升溫速率5℃,升至250℃,保持5min,然后以10℃·min-1升至280℃,保持0.5min.質(zhì)譜條件:離子源為EI源,接口溫度為250℃,離子源溫度為200℃,檢測電壓350V,電離電壓70eV,電子能量0.5eV,柱壓76kPa,質(zhì)子掃描范圍21～411amu.1.3發(fā)芽數(shù)的測定種子萌發(fā)速度參照Pander等的方法,用發(fā)芽速度指數(shù)(I)表示:I=2×(6X1+5X2+4X3+3X4+2X5+X6)式中:X為每隔24h發(fā)芽的種子數(shù);X1為24h記錄的發(fā)芽數(shù);X2為48h記錄的發(fā)芽數(shù),依次類推.生物活性測定參照Williamson等的方法,采用響應(yīng)指數(shù)(RI)度量化感作用的類型和強(qiáng)度,算式為:RI=1-C/T(當(dāng)T≥C)RI=T/C-1(當(dāng)T<C)式中:C為對照值,T為處理值.RI<0為抑制,RI>0為促進(jìn),絕對值的大小與作用強(qiáng)度一致.生物測定單株數(shù)據(jù)取培養(yǎng)皿中各植株平均值,試驗數(shù)據(jù)使用Excel、SPSS12.0等軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析,利用單因素方差分析(One-WayANOVA)和最小顯著差異法(LSD)以及新復(fù)極差法(Duncan)比較各處理組間生物活性的差異顯著性.2結(jié)果與分析2.1葉松揮發(fā)油中的化合物揮發(fā)油樣品經(jīng)氣質(zhì)聯(lián)用分析后,所得質(zhì)譜經(jīng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對其內(nèi)存譜庫自動檢索,結(jié)合人工譜圖解析,確定了華北落葉松枝葉揮發(fā)物的主要化學(xué)成分,并將總離子流色譜圖中的峰值較大的組分進(jìn)行歸一化,求出各自相對含量(表1).由表1可以看出,華北落葉松揮發(fā)油中含量較大的化合物有20種,占總揮發(fā)物的75.30%.其中烷烴2種,相對含量占3.88%;萜類化合物17種,占70.04%;芳香族化合物1種,占1.38%.主要化合物有大根香葉烯(11.35%)、1-異丙基-4,7-二甲基-1,2,4a,5,8,8a-六氫萘(6.53%)、石竹烯(5.84%)、長葉松節(jié)烷(5.23%)、7-甲基-4-亞甲基-1-(1-甲基乙基)-1,2,3,4,4a,5,6,8a-八氫萘(5.21%)、(E)-3,7,11-三甲基-1,6,10-十二烷三烯-3-醇(5.17%)、.tau.-Muurolol(4.55%)、α-杜松醇(4.31%)、α-石竹烯(4.22%)等.華北落葉松枝葉揮發(fā)油中絕大多數(shù)為萜烯類及其含氧衍生物,有5個單萜,12個倍半萜.2.2自然揮發(fā)油對4個月生存率的影響由表2可以看出,從第4天到發(fā)芽試驗結(jié)束,華北落葉松揮發(fā)物對自身種子發(fā)芽率的影響逐漸增大,然后趨于平緩,而且試驗組均比對照組低.經(jīng)單因素方差分析,從第6天到第9天,華北落葉松枝葉揮發(fā)物對自身種子發(fā)芽率影響都達(dá)到顯著差異水平,自然揮發(fā)試驗組第6天至第8天達(dá)到極顯著水平,揮發(fā)油試驗組在第6、8、9天也達(dá)到顯著差異水平.試驗表明,華北落葉松的自然揮發(fā)物和揮發(fā)油對自身種子萌發(fā)率和萌發(fā)速度均產(chǎn)生抑制作用(表3).其中自然揮發(fā)組和揮發(fā)油組的發(fā)芽率分別比對照低7.33%和12.00%,萌發(fā)速度指數(shù)分別比對照減少35.56%和28.06%.華北落葉松自然揮發(fā)組對自身種子的萌發(fā)率抑制作用顯著,對自身種子的萌發(fā)速度抑制作用極顯著;而揮發(fā)油組對自身種子的發(fā)芽率、萌發(fā)速度的抑制作用均極顯著.響應(yīng)指數(shù)RI均為負(fù)值,且萌發(fā)速度的RI絕對值大于萌發(fā)率的RI絕對值,說明華北落葉松的揮發(fā)物對自身種子的萌發(fā)有抑制作用,但對萌發(fā)速度的抑制作用更強(qiáng),影響更明顯.2.3自然揮發(fā)物對植株胚根和胚軸生長的影響由表4可以看出,揮發(fā)物對種子萌發(fā)后胚根和胚軸的生長都具有顯著的抑制作用.在種子萌發(fā)階段,自然揮發(fā)物對其胚根的生長影響極顯著,試驗組的胚根長、胚軸長分別比對照減少42.4%和28.5%;揮發(fā)油對其胚根和胚軸生長均產(chǎn)生顯著的影響,試驗組的胚根長、胚軸長分別比對照減少17.5%和22.1%.在植株生長初期階段,自然揮發(fā)物對植株胚根生長影響不顯著,但對其胚軸生長影響顯著,試驗組的胚根長、胚軸長分別比對照減少20.4%和21.5%;揮發(fā)油對胚根生長影響極顯著,對胚軸生長影響顯著,試驗組的胚根長、胚軸長分別比對照減少47.7%和13.0%.對化感響應(yīng)指數(shù)進(jìn)行簡單的加和可看出,種子萌發(fā)階段自然揮發(fā)物對華北落葉松植株胚根長和胚軸長的抑制作用大于生長初期階段,揮發(fā)油的影響則相反.在整個生長過程中,揮發(fā)物對胚根生長的抑制作用大于胚軸生長的抑制作用,自然揮發(fā)物的抑制作用大于揮發(fā)油.2.4揮發(fā)油組與對照組減少揮發(fā)油組實驗結(jié)果比較華北落葉松揮發(fā)物在種子萌發(fā)階段和生長初期階段對胚根、胚軸鮮質(zhì)量都具有不同程度的影響(表5).在種子萌發(fā)階段中,自然揮發(fā)組的胚根、胚軸鮮質(zhì)量分別比對照減少32.9%和33.3%,揮發(fā)油組則分別比對照減少25.0%和21.4%;在生長初期階段中,自然揮發(fā)組的胚根、胚軸鮮質(zhì)量分別比對照減少18.6%和26.3%,揮發(fā)油組則分別比對照減少50.5%和5.0%.對化感響應(yīng)指數(shù)進(jìn)行簡單的加和,種子萌發(fā)階段自然揮發(fā)物對華北落葉松植株鮮質(zhì)量的影響大于生長初期階段,揮發(fā)油的影響則相反.在整個生長過程中,揮發(fā)物對胚根鮮質(zhì)量的抑制作用大于胚軸鮮質(zhì)量,自然揮發(fā)物對鮮質(zhì)量的抑制作用大于揮發(fā)油的抑制作用.3其他化感作用對華北落葉松人工林生物固定的影響及其經(jīng)營對策生測試驗結(jié)果表明,華北落葉松枝葉的自然揮發(fā)物和揮發(fā)油對自身種子萌發(fā)都表現(xiàn)出延遲萌發(fā)和抑制萌發(fā)作用,雖然對胚根和胚軸的伸長量、鮮質(zhì)量減少的程度不同,但都產(chǎn)生明顯的抑制作用.說明華北落葉松枝葉的揮發(fā)物具有化感潛勢,可抑制自身生長,即有自毒作用.華北落葉松枝葉揮發(fā)油中存在較多的萜類化合物,揮發(fā)油對自身種子萌發(fā)和幼芽生長所表現(xiàn)的抑制作用,可能與揮發(fā)油中萜類化合物含量較高有關(guān).許多單萜和倍半萜以揮發(fā)油為主要存在形式,對昆蟲具有引誘、忌避和傳遞信息等效應(yīng),對植物有殺菌和抵制作用.已有研究證實,萜類化合物是自然界中常見的化感物質(zhì),常通過揮發(fā)、淋溶、分泌和植物殘體腐解等途徑進(jìn)入環(huán)境中,對周圍植物產(chǎn)生影響.華北落葉松枝葉揮發(fā)物的化感作用影響自身的更新,可能是華北落葉松人工純林退化的一個原因,并且會影響到周圍其他物種的生長和分布,從而導(dǎo)致其林分結(jié)構(gòu)單一,生態(tài)幅減小,群落不穩(wěn)定.針對華北落葉松枝葉揮發(fā)性化感物質(zhì)的自毒作用,建議采取以下經(jīng)營對策:1)在落葉松林中搭配種植其他樹種,以便吸收一部分化感物質(zhì),減少化感物質(zhì)的積累.同時營造混交林能有效地防止地力衰退,促進(jìn)落葉松的生長發(fā)育.如在東北林區(qū),可與落葉松混交的喬木樹種有水曲柳、胡桃楸、白樺等,灌木有錦雞兒、東北赤楊等.西北林區(qū)可引以為鑒,選擇能夠相互促進(jìn)生長的樹種混交種植,人為地控制種群分布格局,避免群落中由于排斥作用而出現(xiàn)種群的單一化,增強(qiáng)群落對外界干擾的抵抗力.2)通過人工林疏伐,改善林下光照和小氣候條件,促進(jìn)林下植被的發(fā)育,從而打破落葉松人工林群落結(jié)構(gòu)單一化的格局,有利于養(yǎng)分循環(huán)和地力恢復(fù),并可將落葉松種內(nèi)競爭和化感作用對自身生長的影響降低到最小,使單位面積獲得最高的生產(chǎn)力和生物量.3)加強(qiáng)華北落葉松人工林可持續(xù)經(jīng)營和發(fā)展技術(shù),包括科學(xué)選育良種、營林栽培措施及經(jīng)營管理模式、林地生產(chǎn)力及生態(tài)質(zhì)量變化等方面的研究,特別是對華北落葉松人工林生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性進(jìn)行系統(tǒng)的研究,揭示華北落葉