AllelopathicEffects of Native Versus Invasive Plants on One Major Invader
本地抗入侵植物对一种主要入侵植物的化感作用
GabrielleThiébaut*, Michèle Tarayre and Héctor Rodríguez-Pérez
ECOBIO,UMR 6553 CNRS, Université de Rennes 1, Rennes, France
 
摘要：
化感作用定义为植物通过释放次级化合物对邻近植物的发育的促进或抑制的影响。自感是植物物种对其自身的有利或有害作用。属于本地物种的化感潜力可能诱导对入侵植物的生物抗性，而外来物种释放的化感物质可能有利于入侵物种的建立。我们的研究目的是通过两个实验，研究四种植物对目标物种Ludwigia hexapetala的化感作用。在第一个实验中，我们测试了两个同属外来物种Ludwigia hexapetala和Ludwigia peploides的根和叶的浸提液对L. hexapetale的化感作用；而在第二个实验中，我们研究了分布区与L. hexapetale重叠的Myriophyllum aquaticum和Mentha aquatica的根和叶浸提物的化感作用。我们每周测量茎长以计算相对生长速率和目标植物的四个生理特征（氮平衡指数、黄酮醇、叶绿素、花色苷指数）。在实验结束时，我们确定了地上和地下的生物量。我们还计算了侧枝的数量并测量了它们的长度。我们发现L. peploides和Myriophyllum aquaticum的根浸提液刺激了L. hexapetala的黄酮醇的合成。L. hexapetala的叶的浸提液也刺激了其自身的黄酮醇合成。同样，L. peploides的根浸提液刺激了L. hexapetala的总生物量和侧枝长度，而Ludwigia种的根浸提液和Myriophyllum aquaticum的叶浸提液均刺激了侧枝的产生。L. hexapetala的自感可以解释其侵袭性。由Mentha aquatica产生的两种浸提液均对入侵的L. hexapetala的生理和形态特征没有影响，并且在受试群体中没有生物抗性。两种入侵植物物种Myriophyllum aquaticum和L. peploides可能有利于L. hexapetala建立生物入侵。
 
1. 实验设计：
用目标物种L.hexapetala进行了两次实验。在实验1中，供体物种是两个同类物种L. hexapetala和L. peploides，而在实验2中，供体物种是Myriophyllum aquaticum和Mentha aquatica。实验1的目的还在于测试L. hexapetala的自感现象。
1.1 实验1
2018年5月中旬，收集了50株L.hexapetala的芽。对于每个芽，将无芽或侧茎的顶端芽切成8厘米长。在实验室中，将其洗净并在19°C的去离子自来水中适应2周。个体在这个适应期产生根。两个星期后，分别种植在装有50％肥沃的土壤（NPK = 14:10:18 kg / m3，pH = 6）和50％砂子的盆中。于2018年春季收集L. hexapetala和L. peploides的与水接触的叶子和根。将叶子从茎上取下，洗净并在4°C下黑暗保存。分别将10 g鲜叶和10g鲜根（等效干重）在1000 ml去离子水中浸泡12小时，通过滤纸过滤，即分别制备出L. hexapetala和L. peploides的叶和根的1%的浸提液。然后在实验前将叶和根浸提液在4°C下保存24小时。以15 ml的去离子水作为对照（C），用15 ml的L. hexapetala或L. peploides叶/根浸提液（1％）浇灌L. hexapetala。仅将目标个体在实验开始时用浸提液浇一次。每种处理和对照均重复10次。将盆随机放置在21°C的生长室中（光子通量密度100μmols-1m 2，14 h光照/ 10 h黑暗周期）28天。花盆的底部放在自来水中（约1-2厘米深）。用去离子水浇灌L. hexapetala以保持基质湿润，每周一次，持续4周。
形态和生理特征的测量
每周对五个植株的两个顶叶进行生理指标（黄酮醇（Flav.）花色苷（Anth.）、叶绿素（Chl.）、氮平衡指数（NBI））测算10次。计算侧枝数量并测量长度；根据根的数量评估植物的定殖能力。通过测量茎长，计算茎顶相对生长率(RGR, d-1)：
RGR stem=(lnL2-lnL1)/(T2-T1)
其中L1和L2分别表示实验开始（T1）和实验结束（T2）时的总芽长。在实验结束时，测量主枝长和侧枝长，并计数侧枝。将地上和地下营养部分分别在65°C下干燥72小时并称重。计算地下质量与地上质量的比率。
1.2 实验2
从原采集地采集Myriophyllumaquaticum和Mentha aquatica的叶和根，以及50株L. hexapetala。在这些采样地点，供体和目标物种没有同时出现。按照实验1的规程制备Myriophyllum aquaticum和Mentha aquatica的叶和根浸提液。采用与实验1相同的实验设计，并测量相同的形态和生理特性，持续3周。
 
2. 结果
2.1 L.hexapetala和L. peploides的根和叶浸提液对L.hexapetala的影响
分别在3周和4周后，时间和浸提液种类之间的相互作用对于L. hexapetala叶中黄酮醇的合成具有显著影响（p=0.01，图1E，表1）。L. peploides的根浸提液和L. hexapetala的叶浸提液分别在3周和4周后显著刺激了L.hexapetala的黄酮醇的合成。L. hexapetala和L. peploides的叶和根的浸提液对NBI，叶绿素和花色苷指数均无显著影响（图1A–D，表1）。L.hexapetala和L. peploides的叶和根浸提液对L.hexapetala的RGR没有影响（表1）。所有形态特征均受浸提液类型的显著影响（表2）。L. peploides的根浸提液刺激了L. hexapetala的总生物量（F=4.80，p=0.003，图2A）。地下/地下物质的比例不受渗滤液的影响（图2B）。L. hexapetala（Chi=36.93；p<0.0001）和L. peploides（Chi=32.97；p<0.0001，图2C）的根浸提液都刺激了L. hexapetala的分枝数。暴露于L. peploides的根浸提液后，L. hexapetala的侧生芽的长度更长（F=4.69；p=0.003，图2D）。两种Ludwigia属物种的叶浸提液对L. hexapetala的形态特征没有影响（图2）。L. hexapetala的根浸提液不影响其自身的生理特性，顶端生长，生物量和分枝（图2）。
2.2 Myriophyllumaquaticum和Mentha aquatica的根和叶浸提液对L. hexapetala的影响
在实验开始时，时间和浸提液种类之间的相互作用对L. hexapetala中的NBI和叶绿素含量均具有显著影响（图1F，表1）。在第一周，对照组的RGR和NBI低于实验组（图1F，G，表1），对照中的叶绿素含量高于暴露于Mentha aquatica的根浸提液的个体中的叶绿素含量（图1H，J）。Menthaaquatica和Myriophyllum aquaticum的根和叶浸提液对L. hexapetala的花色苷合成没有影响（图1I，表1）。时间和浸提液种类之间的相互作用对于L. hexapetala的黄酮醇的合成表现为极显著（p= 0.0001，图1J，表1）。3周后，Myriophyllum aquaticum的根浸提液刺激了L. hexapetala中黄酮醇的合成（图1J）。Mentha aquatica的叶和根浸提液对L. hexapetala的形态和生理特性没有影响（图2E–H，表2）。Myriophyllumaquaticum的叶和根的浸提液对总干生物量，低于/地上质量的比率以及分枝长度有影响（图2E，F，H，表2）。Myriophyllum aquaticum的叶浸提液刺激了L. hexapetala的分枝数（图2G）。

图1 （A–E）显示L. hexapetala和L.peploides植物的根和叶浸提液对L. hexapetala的生理特征的影响，（F–J）显示Myriophyllum aquaticum和Mentha aquatica的根和叶浸提液对L. hexapetala生理特征的影响。

图2 实验1（A–D）和2（E–H）的形态特征数据的平均值加标准误差。横坐标表示浸提液处理。

表1 叶/根浸提液对L. hexapetala的生理特性的影响

表2 在实验结束时观察到叶/根浸提液对L. hexapetala形态特征的影响
 
 
3. 讨论
3.1 L.peploides和L. hexapetala叶和根浸提液对L.hexapetala性状的化感作用
L.peploides和L. hexapetala的浸提液影响L.hexapetala的生理和形态特征。L. hexapetala叶和L. peploides根的浸提液刺激了L. hexapetala叶的黄酮合成。
L.hexapetala表皮中黄酮醇含量的增加是单位面积叶片干重的替代。黄酮醇可吸收UV-B范围内的光，但允许可见光不间断地通过以进行光合作用，从而增强光合作用。L. hexapetala中黄酮醇增加，而没有使根尖生长。两个Ludwigia属的根浸提液增加黄酮醇的合成有助于L. hexapetala对草食动物的抗性。这代表了L. hexapetala的有效策略。
两种Ludwigia属植物从根部释放化感物质到土壤中可能会增加养分的可利用性，因此刺激了L. hexapetala的分枝。具体来说，在L. peploides的根浸提液的处理中，L. hexapetala的侧向生长（侧枝的数量和长度）和总生物量得到增强。分枝和生物量的刺激增加了L. hexapetala的活力，再生和定殖能力。尽管很少见，但文献数据确定同类植物之间确实存在促进作用，被称为种内促进作用。两个Ludwigia属物种的强大化感潜力使人们认为，从这些植物中释放出来的水溶性化合物在成功入侵这些水生植物中起着重要作用。我们第一个关于同属植物L. peploides对L. hexapetala生长的促进作用的假设得到了验证。我们还发现了L.hexapetala浸提液对黄酮醇合成和侧生芽产生积极的自身化感作用。这些结果与以前的工作相吻合，在该工作中，据报道L. hexapetala的叶浸提液可刺激其自身的种子发芽。很少有关于自身化感作用对植物生长产生积极影响及其对生态系统功能产生影响的例子。因此，L. hexapetala的自身化感作用可以通过提高其竞争能力来促进植物传播。验证了我们关于L. hexapetala自身化感作用对其自身具有积极作用的第一个假设。通过共同进化，植物物种可能对同一生境中的植物产生的化感物质产生抗性。与供体植物共存的抗性物种甚至可以从该植物生产化感物质中受益。尽管许多次生代谢产物在保护植物免受病原体或草食动物的侵害中起主要作用，但可以认为它们在植物与植物的相互作用中起次要作用，但仍增强了植物的竞争潜力。L. peploides的根释放的化感物质可能直接促进L. hexapetala的侧向生长，也可能通过改变土壤的化学和物理特性以及通过调节土壤微生物群落来间接影响其发展，并通过促进营养供应或改变pH。但是，我们没有证据表明L. peploides根浸提液对L. hexapetala性状的积极影响来自共同的过去历史和共同进化。我们的研究为在本地和引进范围内L. peploides对L. hexapetala的化感作用的未来研究铺平了道路。
3.2 Myriophyllumaquaticum和Mentha aquatica的叶浸提液对L.hexapetala的影响
没有观察到根浸提液对L. hexapetala的形态特征的影响。Myriophyllum aquaticum具有与L. hexapetala相同的生活型和生态位。我们怀疑为了限制两个物种的生态位重叠，Myriophyllum aquaticum根释放的化感物质不会影响土壤的养分利用率，故不利于L. hexapetala的养分获取和生物量增加。
然而结果表明，Myriophyllumaquaticum根浸提液对L. hexapetala叶中的黄酮醇具有积极作用。Myriophyllum aquaticum的叶浸提液刺激了L. hexapetala侧枝的产生。植物产生次生代谢产物的方式取决于产生它们的物种的遗传特征。可能由于选择性化感化学物质的持续选择压力，基因库中对化感化学物质敏感的基因型可能被删除，故两种入侵物种Myriophyllum aquaticum和L. hexapetala可以在其引入范围内共存。化感物质的释放也取决于发现植物的环境条件：温度，湿度和光强度等变量增加了生物群和土壤理化结构的影响，不仅会影响代谢产物的产生，还会影响释放到环境中的物质的化学结构和活性程度。我们关于两个同域物种之间“入侵崩溃”的假设得到了证实。相反，关于Mentha aquatica水浸提液对L. hexapetala性状的负面影响的假说没有被证明。根据季节和次要化合物的性质，无法解释Mentha aquatica水浸液对L.hexapetala性状的影响。此外，由于短期内化感物质的降解，可能导致Mentha aquatica的浸提液不起作用。次生化合物释放到土壤中后可以降解；化感物质的半衰期从几个小时到几个月不等，这主要与化感物质浓度，土壤类型和土壤微生物种群有关，需要进一步的研究以确定这些化合物在L.hexapetala土壤中的浓度以及这些化合物在土壤中的稳定性。
5. 结论
L.hexapetala的浸提液有利于其自身黄酮醇的合成及分枝。这种自感反应可以部分解释L. hexapetala的入侵性。两个入侵种L. peploides和Myriophyllum aquaticum刺激了黄酮醇的合成和L. hexapetala的分枝。化感物质介导的同域入侵物种对侧向生长和防御机制的刺激可能潜在地利于L. hexapetala种群在被入侵群落的持久性。原生的Mentha aquatica水浸液对入侵的L. hexapetala的性状没有影响。必须仔细考虑这些初步结果，而入侵的植物生长还取决于领域中相同或不同植物之间的干扰。加深对植物-植物相互作用的了解，对管理和恢复对入侵物种具有抗性和复原力的生态系统具有重要意义。
 
Reference:
GabrielleThiébaut,Michèle Tarayre,Héctor Rodríguez-Pérez.Allelopathic Effects of NativeVersus Invasive Plants on One Major Invader[J].Frontiers in PlantScience,2019(10):854
 --By Zhang Jiawei
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