浦艷飛, 宋起萱, 汪國鮮, 楊春梅, 吳麗芳, 余蓉培, 王繼華,4
(1.云南大學資源植物研究院,昆明 650504;2.云南省農業科學院花卉研究所,昆明 650205;3.玉溪云星生物科技有限公司, 云南 江川 653100;4.國家觀賞園藝工程技術研究中心,昆明 650205)
【研究意義】中國雜草90科571屬,共1454種,是影響中國農業生產的關鍵問題之一[1]。僅在昆明地區,常見農田雜草就達151種,其中菊科雜草有31種[2]。中國常年受雜草危害的土地面積超過0.74×108hm2,每年在雜草防治方面投入的費用為235×108元左右,直接導致的經濟損失超過1000億[3]。菊科雜草因其種子數量多,繁殖能力強[4],且普遍具有化感作用,通過釋放化感物質來抑制周圍物種的生長[5],同時,菊科植物具有較強的光合適應性,對干旱貧瘠生境有著極強的耐受力,因此對土地資源具有極強的侵占特性,嚴重破壞生態平衡[4]。開展云南常見菊科雜草葉片性狀研究將為菊科雜草的適應性研究以及防治策略提供參考依據。【前人研究進展】目前,中國主要使用化學除草劑來進行雜草防治,但是,大量使用化學除草劑帶來了嚴重的環境污染問題和食品安全問題。隨著人們食品安全意識和環境保護意識增強,生物防治已經成為雜草防控的重要趨勢和研究熱點。了解雜草的生長習性及生理生態特征是進行生物防治的前提[6]。植物葉片具有生長周期短、更新快、數量多、對環境變化敏感等特點,是表征植物生長習性、生理生態特征以及生長對策權衡的重要指標[7-8]。青藏高原地區的火絨草、蒲公英和美麗鳳毛菊等菊科植物的角質層和表皮層厚度隨海拔升高而增加以適應高原低溫、強輻射的環境[9]。科爾沁沙地的菊科植物為適應干旱環境,保持水分,則采取低比葉面積、高葉干物質含量等適應策略[10]。同時,植物對環境的不同適應策略會導致其化學計量特征和養分利用策略各有不同[11]。在魏海霞等[12]對毛烏素沙漠主要植物葉片性狀的研究中顯示,固定沙地的中間錦雞兒具有較高的葉片氮(N)含量,其通過提高氮含量來保持較高的水分利用率,以適應沙地干旱環境。此外,葉綠素熒光作為光合作用探針,會隨外界環境發生改變,亦能反映植物對環境的適應性[13-14]。在對華南地區幾種菊科雜草的研究中發現,三裂葉蟛蜞菊(Wedeliatrilobata)和白花鬼針草(Bidensalba)的PSII最大光化學效率(Fv/Fm)分別高于蟛蜞菊(W.chinensis)和鬼針草(B.pilosa),具有較強的光合能力,表現出對當地環境較好的適應性[15]。【本研究切入點】蒲公英(TaraxacummongolicumHand-Mazz.)、苦苣菜(SonchusoleraceusL.)、鼠麴草(GnaphaliumaffineD. Don.)、青蒿(ArtemisiaannuaL.) 4個種屬于中國土著種菊科雜草[16-18]。紫莖澤蘭(EupatoriumcoelestinumMichx.)、銀膠菊(PartheniumhysterophorusL.)、小蓬草(ConyzacanadensisL.)、三葉鬼針草(BidenspilosaL.)、牛膝菊(GalinsogaparvifloraCav.) 5個種屬于菊科入侵種雜草[4]。上述9種菊科雜草在云南田間廣泛分布,影響農作物生長[2, 4],其中,紫莖澤蘭、三葉鬼針草、和銀膠菊為云南Ⅰ級惡性入侵雜草[3-4],牛膝菊為Ⅱ級嚴重入侵雜草[4],均具有嚴重危害性[3]。但目前尚未見針對上述云南常見菊科雜草葉片性狀的比較分析。【擬解決的關鍵問題】以上述9種云南常見菊科雜草為試驗材料,對葉片解剖結構、氣孔密度、葉脈密度、干物質含量、比葉面積、化學計量特征、葉綠素含量、葉綠素熒光參數等葉片性狀進行比較分析,并對其適應性機理進行初步探究,研究結果為菊科雜草的防治提供重要理論依據。
1.1 供試材料
本研究以云南常見菊科雜草蒲公英(T.mongolicumHand. Mazz.)、苦苣菜(S.oleraceusL.)、鼠麴草(G.affineD. Don.)、青蒿(A.annuaL.)、紫莖澤蘭(E.coelestinumMichx.)、銀膠菊(P.hysterophorusL.)、小蓬草(C.canadensisL.)、三葉鬼針草(B.pilosaL.)、牛膝菊(G.parvifloraCav.)為試驗材料。試驗植株采自云南省農業科學院花卉研究所附近生境一致的荒坡(25°7′22′′ N,102°45′59′′ E),該研究區域氣候干燥,晝夜溫差大,年均溫度13.5～16.8 ℃,年日照2200 h,無霜期285 d,年均降水量1006.5 mm[19]。2021年4月每個種分別選取3株長勢一致的植株,每株選取中部3片成熟葉片進行相應指標的測定。
1.2 試驗方法
1.2.1 葉片解剖結構測定 對葉片主脈兩側組織進行徒手切片,用光學顯微鏡觀察并對葉片橫切面進行拍照,利用軟件ImageJ分析得到葉片厚度(Leaf thickness, LT)、角質層厚度(Cuticle thickness, CT)、表皮厚度(Epidermis thickness, ET)、柵欄組織厚度(Palisade parenchyma thickness, PT)、海綿薄壁組織厚度(Spongy parenchyma thickness, ST)[20]。
柵海比(P/S) =PT/ST
組織結構緊密度(Cell tense ratio, CTR)(%) =PT/LT×100
組織結構疏松度(Sponge ratio, SR)(%) =ST/LT×100
1.2.2 氣孔密度測定 在葉片背面中部(避開主脈)用指甲油涂抹1 cm2區域,待指甲油干后,用鑷子撕下成膜部分,制片觀察并拍照。利用軟件ImageJ對拍攝得到的氣孔圖片進行分析處理,得出單位面積內的氣孔數目即氣孔密度(Stomatal density, SD)[20]。
1.2.3 葉脈密度測定 剪取1 cm2葉片,參照張曉燕等[20]方法進行處理和制片,隨后用體式鏡觀察并拍照,用軟件ImageJ測量視野內葉脈的總長度,計算單位葉面積葉脈的總長度,即葉脈密度(Vein density, VD)。
1.2.4 葉片干物質含量和比葉面積測定 稱量待測葉片得到鮮重,并對葉片進行拍照,使用軟件ImageJ對照片進行分析,得到葉面積大小。隨后,將葉片置于65 ℃烘箱烘至恒重,稱取干重。按照以下公式計算葉片的干物質含量(Leaf dry matter content, LDMC)和比葉面積(Specific leaf area, SLA)。
1.2.5 全碳、全氮、全磷測定 將長勢均一的成熟葉片分別裝于信封袋內,65 ℃烘干至恒重,粉碎后用于全碳(C)、全氮(N)、全磷(P)的測定。利用滴定法以硫酸亞鐵滴定測定全碳含量,凱氏定氮法測定全氮含量,鉬銻抗比色法測定全磷含量[21]。每個種分別3次重復。
1.2.6 葉綠素含量測定 將各材料離體葉片剪碎,采用N, N-二甲基甲酰胺浸提,獲得葉綠素提取液,分別于波長663和645 nm下測定OD值,結合Arnon公式計算各材料的葉綠素a含量(Chlorophyll a content, Chl a)、葉綠素b含量(Chlorophyll b content, Chl b)、葉綠素總含量(Total chlorophyll content, Total Chl)以及葉綠素a/葉綠素b(Chlorophyll a content/Chlorophyll b content, Chl a/Chl b)[22]。
1.2.7 葉綠素熒光參數測定 14:00時收集試驗材料,連根帶回實驗室后,隨即參照余蓉培等[22](2019)所述方法使用葉綠素熒光成像系統CFI (英國Techno-logica公司)開展葉綠素熒光參數測定,準備第1個待測樣,將待測葉片先平展固定于樣品臺上,暗適應20 min,打開自動脈沖光(auto pulse),強度為6164 μmol/(m2·s),獲取PSII最大光化學效率(Fv/Fm),打開作用光(Actinic light),強度為1000 μmol/(m2·s),與生長環境光強一致,持續5 min進行光適應,然后再次打開自動脈沖光,獲取非光化學淬滅(NPQ)、PSII有效光化學量子產量(Fv′/Fm′)以及PSII實際光化學量子效率(ΦPSII)。依次對9種菊科雜草葉綠素熒光參數進行測定。光適應5 min后,設置連續光強梯度2000、1500、1000、600、400、200、100、50、20、0 μmol/(m2·s),每個光強梯度持續30 s,隨后打開自動脈沖光,收集ΦPSII,通過公式ETR=光照強度(PPFD)×ΦPSII×0.85×0.5計算各光強梯度下的光合電子傳遞速率(ETR)。
1.2.8 數據處理 使用軟件SPSS 13.0對數據進行最小顯著差數法(Least significant difference, LSD)分析,并使用軟件Origin 9.1繪圖。
2.1 9種菊科雜草葉片解剖結構特征
從表1可知,9種菊科雜草葉片厚度為211.93～331.05 μm,角質層和表皮厚度分別為5.50～13.98和25.70～65.22 μm,其中銀膠菊(13.98 μm)和三葉鬼針草(10.38 μm)的角質層較厚,苦苣菜的表皮最厚(65.22 μm),有助于減少水分蒸騰。9種菊科雜草中,銀膠菊柵欄組織最厚(145.57 μm),而海綿組織最薄(53.19 μm),并且呈現出最大的柵海比(2.74)和最高的緊密度(48.78%),該結構有助于減少水分蒸騰。
表1 云南9種常見菊科雜草的葉片解剖結構參數Table 1 Leaf anatomical parameters of nine common species of compositae weeds in Yunnan province (mean ± S.E.,n=3)
由圖1可知,9種菊科雜草氣孔密度為156.18～331.55 個/mm2,苦苣菜(331.55 個/mm2)和牛膝菊(329 個/mm2)的氣孔較其它種類密集,有助于其根據環境情況對水分蒸騰進行調節。苦苣菜葉脈密度(10.32 cm/cm2)顯著大于其它種類,有助于提升其水分運輸效率。
圖1 云南9種常見菊科雜草的氣孔密度和葉脈密度Fig.1 Stomatal density and vein density of nine common species of compositae weeds in Yunnan province
2.2 9種菊科雜草葉面積、葉干物質含量及比葉面積
從表2可知,9種菊科雜草中,除紫莖澤蘭(36.41 cm2)和三葉鬼針草(36.00 cm2)的葉面積較為接近外,其他7種菊科雜草葉面積差異顯著。小蓬草的葉干物質含量(0.30 g/g)顯著高于其他種類,說明其具有較強的干物質積累能力。9種菊科雜草比葉面積為163.33～420.33 cm2/g,比葉面積最小的是紫莖澤蘭(163.33 cm2/g),最大的是蒲公英(420.33 cm2/g),說明不同種類的物質分配和光適應策略存在一定差異。
表2 云南9種常見菊科雜草的葉面積、葉干物質含量以及比葉面積Table 2 Morphological characteristics of nine common species of compositae weeds in Yunnan province(mean±S.E., n=3)
2.3 9種菊科雜草的葉片化學計量特征
從表3可知,9種菊科雜草的C、N、P含量分別為464.84～497.47、16.38～63.52、1.61～1.89 mg/g,C/N、C/P和N/P分別為7.85～29.83、245.80～305.38、9.35～27.27。其中,紫莖澤蘭C含量(513.54 mg/g)顯著高于其他種類,具有較高的碳同化能力。小蓬草N含量(63.52 mg/g)顯著高于其他種類,C/N (7.85)顯著低于其他種類,說明其具有較強的N利用率。青蒿P含量最高,為1.89 mg/g,且C/P (245.80)顯著低于其他種類,說明其具有較強的P利用率。
表3 云南9種常見菊科雜草葉片的化學計量特征Table 3 Stoichiometry characteristic of nine common species of compositae weeds in Yunnan province (mean ± S.E., n=3)
2.4 9種菊科雜草的葉綠素含量
從表4可知,9種菊科雜草葉綠素a含量為12.30～19.84 mg/g,葉綠素b含量為3.63～6.66 mg/g,葉綠素總含量為15.92～26.49 mg/g,蒲公英的總葉綠素含量最高,為26.49 mg/g。除鼠麴草和紫莖澤蘭的葉綠素a/葉綠素b值較低外,其他種類均大于2.89,說明這些種類對強光環境具有較好的適應性。
表4 云南9種常見菊科雜草的葉綠素含量Table 4 The chlorophyll content of nine common species of compositae weeds in Yunnan province (mean ± S.E., n=3)
2.5 9種菊科雜草離體葉片葉綠素熒光參數比較
從圖2～3可以發現,9種雜草的葉綠素熒光參數及光響應曲線之間存在一定差異,但均表現出較好的光合特性,對環境適應性較強。其中,Fv/Fm均在0.7～0.8(圖2-A),具有較好的光合能力,NPQ均在2.0～3.5(圖2-B),均具有較好的熱耗散能力,有助于減小強光和干旱環境對光合結構的損害。
圖2 云南9種常見菊科雜草的葉綠素熒光參數Fig.2 The chlorophyll fluorescence parameters of nine common species of compositae weeds in Yunnan province
圖3 云南9種常見菊科雜草光電子傳遞速率(ETR)的快速光響應曲線Fig.3 Rapid light-response curve of ETR in nine common species of compositae weeds in Yunnan province
2.6 9種菊科雜草葉片性狀綜合分析
由表5～6可知,9種菊科雜草中,土著種菊科雜草的葉片性狀變異系數在2.51%～61.66%,入侵種菊科雜草的葉片性狀變異系數在2.44%～80.89%。在所有葉片性狀中,土著種和入侵種的葉面積變異系數均最大,且入侵種的葉面積變異系數(80.89%)顯著大于土著種(61.66%),說明不同入侵種菊科雜草的葉面積差異更為顯著。
表5 土著種菊科雜草葉片性狀綜合分析Table 5 Leaf trait analysis of indigenous species of compositae weeds
表6 入侵種菊科雜草葉片性狀綜合分析Table 6 Leaf trait analysis of invasive species of compositae weeds
9種菊科雜草中,入侵種紫莖澤蘭的比葉面積(163.33 cm2/g)最小,但C含量(513.54 mg/g)和NPQ(3.55)最大,有助于其通過較高的碳同化能力和熱耗散能力來適應干燥貧瘠的環境。入侵種銀膠菊的海綿組織厚度(53.14 μm)最小,角質層厚度(13.98 μm)和柵欄組織厚度(145.57 μm)最大,有利于減少水分散失,進而適應干燥的氣候環境。土著種蒲公英具有最厚葉厚度(331.05 μm)、最大比葉面積(420.33 cm2/g)和最高葉綠素含量(26.49 mg/g),有利于提高保水能力及光合速率,進而適應高溫干燥的氣候環境。土著種苦苣菜具有最厚的表皮組織(65.22 μm),有助于減少水分蒸騰,同時,土著種苦苣菜還具有最大的氣孔密度(331.55 個/mm2)和葉脈密度(10.32 cm/cm2),有利于調節蒸騰作用和提高水分運輸能力,進而適應干燥的氣候環境。
植物葉片結構變化會影響其生理生態功能進而調節植物對環境的適應性[23]。本研究中9種菊科雜草的葉片厚度和角質層厚度分別為211.93～331.05和5.50～13.98 μm,整體高于青藏高原海拔3600 m處火絨草的葉片厚度(205.51 μm)和角質層厚度(4.7 μm)[9]。氣孔密度(156.18～331.55個/mm2)顯著大于安徽野生菊屬植物葉片氣孔密度(51.8～114.1 個/mm2)[24],表明云南9種菊科雜草為了適應本地干燥氣候特征,形成了較厚的葉片厚度、角質層厚度以及較高的氣孔密度等葉片性狀特征,有助于減少水分蒸騰,維持葉片水分供需平衡,同時減少強輻射對葉片的損傷。
碳、氮和磷是植物生長必需元素,C∶N、C∶P表征了植物吸收N、P時同化積累C的能力,反映出植物體的生長速率及營養元素利用效率[25]。本研究中,9種菊科雜草葉C含量為464.84～497.47 mg/g,均高于中國草地生態系統213個物種(438 mg/g)葉C含量[26],N含量為16.38～63.52 mg/g,除苦苣菜和青蒿外,其他7種菊科雜草的N含量均高于中國陸生植物(20.20 mg/g)和全球陸生植物(20.60 mg/g)N含量的平均水平[26-27],P含量為1.61～1.89 mg/g,均高于中國陸生植物(1.46 mg/g)P 含量的平均水平[26],鼠麴草、青蒿以及紫莖澤蘭、牛膝菊的P含量與全球陸生植物P含量的平均水平(1.77 mg/g)接近[27]。總體上,9種菊科雜草的N、P含量均高于全國陸生植物的平均水平,在該取樣地塊表現出較好的生長適應性,這與胡朝臣等[28]對飛機草和紫莖澤蘭的研究結果相似。綜合分析9種菊科雜草的C、N、P水平,表明云南9種菊科雜草葉片吸收N、P時同化積累C的能力強,能為其光合作用及生理生化過程提供充足的底物和能量,因此能更好的適應外界環境的變化。
根據Koerselman限制性養分理論,當N/P <14時,植物生長主要受N限制,而當N/P>16時,植物生長主要受P限制[11]。本研究中,苦苣菜(9.35)和青蒿(9.93)的N/P <14,N成為這2種雜草在該取樣地塊生長的限制性因素。銀膠菊(26.64)、小蓬草(36.41)以及三葉鬼針草(27.27)的N/P比值遠大于16,P成為上述3種雜草在該取樣地塊生長的主要限制性因素,這與空心蓮子草生長的限制性因素相同[11]。
葉綠素含量反應了植物光合作用的強弱[29-30]。研究中云南9種菊科雜草葉綠素含量(15.92～26.49 mg/g)顯著大于白花鬼針草、芒萁、鴨跖草的葉綠素含量(1.0～2.5 mg/g )[29],同時也大于葉梅榮等[30]研究中5種草坪雜草的葉綠素含量(1.5～4.5 mg/g),說明9種菊科雜草通過較高的葉綠素積累來提高光合適應能力。同時,9種菊科雜草NPQ為1.94～3.55,具有較強的熱耗散能力,說明其在逆境脅迫下對光合結構起一定的保護作用,與水稻在逆境脅迫下通過提高NPQ來降低強光對光系統的損傷機理一致[31]。
葉片性狀是植物適應環境體現出的葉片水平上的特征參數[32],但生長在相同氣候環境下的不同植物,如:荒漠植物柴柴花(Karelinicacaspica)和駱駝刺(Alhagisparsifolia),兩者間的葉片性狀亦存在顯著差異(P<0.05),展現出對荒漠環境不同的適應性策略[32]。與此相似,云南9種菊科雜草中土著種和入侵種雜草的葉面積、比葉面積、葉干物質含量等葉性狀指標變異系數存在顯著差異(P<0.05),但在所有指標中,葉面積變異系數均最大,這可能是由于不同物種間葉片形態差異導致[33]。本研究中,盡管土著種雜草苦苣菜和入侵種雜草銀膠菊均采自同一樣地,但兩者對云南的干燥環境采取不同的適應策略。9種菊科雜草中,入侵種銀膠菊的海綿組織厚度最小,角質和柵欄組織厚度最大,有利于減少水分散失。土著種苦苣菜具有最厚的表皮組織,有助于減少水分蒸騰,同時,苦苣菜還具有最大的氣孔密度和葉脈密度,分別有利于調節蒸騰作用和提高水分運輸能力。
9種菊科雜草的葉片解剖結構特征數值、氣孔密度、葉脈密度、葉面積、比葉面積等葉片性狀存在顯著差異(P<0.05),其化學計量特征和葉綠素熒光參數等指標顯示9種菊科雜草具有良好的營養特征和光合特性,對云南當地氣候環境均具有良好的適應性。葉片性狀的差異反應出不同種類菊科雜草對云南干燥環境適應策略的差異,銀膠菊具有最厚的角質層及柵欄組織,有助于減少水分散失,而苦苣菜具有最厚的表皮層和最大的氣孔密度及葉脈密度,也有助于減少水分散失,提高蒸騰調節能力和水分運輸能力,應對干燥環境。
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