不同苜蓿品种对肯塔基蓝草种子萌发抑制的差异性响应及其在牧场更新中的意义

本研究发现肯塔基蓝草（Poa pratensis L.）的水提物对苜蓿（Medicago sativa L.）种子萌发具有显著抑制效应，且存在品种间差异。研究通过体外实验证实，茎叶提取物抑制作用最强，根部提取物次之，其中AAC Trueman抗性最佳，AC Caribou最敏感。该结果为老牧场苜蓿品种选育及播种策略（如调整播种量以抵消化感抑制）提供了关键依据，对提升牧草产量与营养品质具有重要实践价值。

　　

引言

肯塔基蓝草（Poa pratensis L.），又称平滑草甸草，是一种竞争性极强的草种，以其密集的冠层在加拿大魁北克和安大略北部的农业区牧场中占据主导地位。它不仅能够抑制入侵植物物种的生长，还会显著影响苜蓿（Medicago sativa L.）的建植。苜蓿作为一种多年生豆科植物，常被用于牧场更新。先前的研究表明，苜蓿在已有的肯塔基蓝草草皮中建植不良可能与化感作用（Allelopathy）有关。

异株克生（Heterotoxicity）是化感作用的一种形式，指一个物种通过释放植物毒性化合物，延迟或抑制伴生物种的种子萌发，或抑制其幼苗生长。这些植物毒性化合物是次生代谢产物，主要是水溶性酚类化合物，能够影响细胞分裂、光合作用、植物激素产生等代谢过程。它们通过活植物的根系分泌和叶片淋溶，以及微生物对根、叶组织的分解作用进入土壤，并能在老草皮下的土壤中积累。幼苗的根系对这类抑制性化感物质尤其敏感。

与其他C₃多年生禾草类似，肯塔基蓝草中被证实存在植物毒性物质。其茎叶水提物对多年生黑麦草（Lolium perenne L.）、梯牧草（Phleum pratense L.）、白三叶草（Trifolium repens L.）和苜蓿的种子萌发均有抑制作用。此外，研究还发现，将肯塔基蓝草的干燥根残留物与硅砂混合，在温室实验中会降低苜蓿幼苗的出苗和存活率。不同苜蓿品种对自毒作用（Autotoxicity，即同一植物物种释放的化学物质抑制其自身个体的萌发和生长）的耐受性存在差异。然而，肯塔基蓝草对苜蓿的异株克生作用是否因品种而异尚不清楚。因此，本研究旨在评估三种苜蓿品种对肯塔基蓝草根和茎部生物量水提物的响应，从种子萌发和幼苗生长抑制的角度进行分析，为成功更新牧场选择合适的苜蓿品种提供依据。

材料与方法

实验共进行了三次：一次于2020年在Abitibi-Témiscamingue农业食品研究与开发单位（URDAAT-1）进行，另外两次于2024年在加拿大农业及农业食品部魁北克研发中心（AAFC-2和AAFC-3）进行。

为制备水提物，研究人员在营养生长末期从多株肯塔基蓝草（普通种子）上采集了根和茎。在URDAAT-1，植株采集自安大略省New Liskeard的圭尔夫大学实验农场的一片30年老龄牧场。在AAFC-2和AAFC-3，肯塔基蓝草在温室（每天16小时光周期，气温20°C）中生长了两个月。植株每天灌溉，每周施用1 g L^?1的溶性肥料（20% N, 20% P₂O₅, 20% K₂O）溶液。地上生物量每三周收割一次，根系在最后一次收割时收集。根系用水冲洗后，与茎部生物量一同在45°C下干燥至恒重。

在所有三次实验中，生物量均用Wiley Mill研磨至< 2 mm。在实验室中，通过将100 g干燥研磨的根或茎生物量与1000 mL蒸馏水混合，制备两种水提物。混合物搅拌24小时后进行过滤。由此得到的茎和根提取物被称为10%灌溉溶液。随后各取500 mL溶液，加入500 mL蒸馏水进行稀释，得到5%灌溉溶液。四种水提物（5%和10%的根提取物；5%和10%的茎提取物）在4°C下储存，并在24小时内使用。蒸馏水用作对照。

三次实验均使用相同的三个苜蓿品种（AC Caribou, AAC Trueman, 和 Spredor 4），但由于实验重复间隔4年，URDAAT和两次AAFC实验使用的种子批次不同。对于每次实验，每个品种约5 g种子用商业漂白剂（NaClO 5.25% w/v）原液浸泡5分钟进行表面灭菌，并用蒸馏水冲洗三次。每个实验单元由100粒特定品种的种子组成，置于含有Whatman 1号滤纸的无菌9 cm培养皿中。

对于每次实验（URDAAT-1, AAFC-2, AAFC-3），均进行了两次独立且相同的试验来测试根和茎水提物的效果。每次试验包括36个培养皿 [3个苜蓿品种 × 3种灌溉溶液（10%, 5%, 对照） × 4个重复]。灌溉溶液随机分配至每个培养皿，培养皿被随机分配至三个生长箱中的一个，采用完全随机设计。向每个培养皿中加入10 mL灌溉溶液，然后在黑暗条件下（25°C，密封培养皿内100%相对湿度）培养7天。7天结束后，统计每个培养皿中萌发的种子数，并计算萌发百分比。抑制百分比则根据对照和处理组的萌发百分比计算得出。对于使用根水提物的试验，还测量了萌发种子的胚根长度（mm）。

使用SAS软件v9.4进行统计分析。对于茎水提物试验，所有培养皿中的萌发被完全抑制，萌发百分比为0%，抑制百分比为100%，无法进行方差分析（ANOVA），因此仅进行定性描述。对于根水提物试验，使用SAS中的MIXED过程进行ANOVA，比较不同品种和灌溉溶液在萌发、抑制和胚根长度上的平均值。灌溉溶液、苜蓿品种及其交互作用被视为固定效应，而实验及其内部的重复被视为随机效应。若存在显著交互作用，则对每个灌溉溶液水平分别进行ANOVA以比较品种。使用Tukey调整进行5%显著性水平（P < 0.05）下的多重均值比较。对萌发和胚根长度的统计分析通过根据灌溉溶液水平模拟异质方差进行。

结果与讨论

用蒸馏水处理的对照，其萌发率在任何苜蓿品种和实验组合下均≥80%，表明所有使用的种子批次质量良好。在所有三次实验中，用肯塔基蓝草茎部生物质制备的水提物，无论提取物浓度是5%还是10%，都完全抑制了所有苜蓿品种的萌发（萌发=0%，抑制=100%），而对照的平均萌发率为88.4%。先前研究发现，肯塔基蓝草茎部生物质提取物（含0.08%生物碱）能完全抑制多年生黑麦草的种子萌发。我们的结果与Chung and Miller (1995a)的研究有所不同，后者发现肯塔基蓝草茎部生物质提取物（5%浓度）仅抑制苜蓿品种WL-320萌发14%（提取物处理萌发率78.8%，对照91.3%）。这种差异可能归因于以下因素：测试苜蓿品种对化感作用的耐受水平不同；肯塔基蓝草中化感物质的浓度可能因品种、气候条件、采样时间或生长阶段而异；或与提取物制备相关的其他方法学差异。在本研究中，肯塔基蓝草茎提取物对种子萌发的影响远强于根提取物。茎部水提物相比根提取物具有更强毒性效应的现象，在多年生黑麦草和苜蓿中也有报道。

根生物量水提物对苜蓿种子萌发的影响如图所示。灌溉溶液与苜蓿品种的交互作用对萌发有显著影响（P = 0.035）。所有苜蓿品种在使用对照灌溉溶液时具有相似的萌发率（平均86%）。使用5%根水提物时，AAC Trueman和Spredor 4的萌发百分比高于AC Caribou。使用10%根水提物时，AAC Trueman的萌发百分比高于Spredor 4和AC Caribou。品种间的差异可以通过受化感物质影响的代谢过程存在遗传变异来解释。

抑制百分比受灌溉溶液（P < 0.001）和品种（P = 0.001）的影响，但不受它们交互作用的影响。 across苜蓿品种，10%水提物的萌发抑制（82%）高于5%提取物（33%）。 regardless of灌溉溶液的浓度，AC Caribou的萌发抑制（66%）高于AAC Trueman（47%）。综合萌发和抑制百分比，在受肯塔基蓝草根水提物影响方面，AAC Trueman受影响最小，而AC Caribou受影响最大，这表明不同苜蓿品种更新老牧场的能力可能存在差异。

灌溉溶液也影响了苜蓿的胚根长度（P < 0.001）。无论苜蓿品种如何，更高浓度的根水提物导致胚根长度减小，这可能是由于抑制性化感物质浓度更高所致。Chung and Miller (1995a)发现，肯塔基蓝草茎部水提物（5%浓度）与对照相比对苜蓿胚根长度有负面影响。肯塔基蓝草茎部水提物浓度的增加与白三叶草和许多多年生禾草物种的种子萌发率和根长的降低相关。研究发现苜蓿品种对萌发种子的胚根长度有显著影响（P = 0.022）。无论灌溉溶液浓度如何，Spredor 4的胚根长度大于AC Caribou，AAC Trueman的值居中。

本研究证实了以下几点：肯塔基蓝草的茎和根生物量水提物对不同品种的苜蓿种子萌发均有抑制作用；茎部水提物的效应强于根部水提物；并且效应随着根水提物浓度的增加而增强。结果还表明，苜蓿对肯塔基蓝草根水提物的敏感性因品种而异，AAC Trueman是最不敏感的品种，而AC Caribou是最敏感的品种。

本研究中使用的灌溉溶液是粗提物，可能含有除酚类化合物外的其他成分（如氨基酸、矿质营养、碳水化合物、有机化合物），这些成分可能影响（抑制或刺激）种子萌发和胚根生长。提取物中化感物质的浓度可能与田间发现的浓度有很大不同。尽管如此，目前的结果表明肯塔基蓝草可能对苜蓿具有化感潜力。

化感化合物在物种间作或作物残留物留于地表的农业环境中可能构成问题。我们的发现可能有助于为牧场更新选择合适的苜蓿品种，并通过在重新播种以禾草为主的牧场时考虑萌发抑制来调整播种率，以提供更均匀的植物覆盖和更高的豆科比例。这可以提高 forage yield 和 nutritive value，这两个是反刍 livestock performance 的最关键因素。

致谢

作者感谢加拿大农业及农业食品部的Steve Méthot在统计分析方面提供的帮助。