利用马齿苋叶水提取物对冬小麦田中三种主要杂草进行苗前防治

《Ecological Frontiers》：Use of leaf water extract of Ageratina adenophora for pre-emergent control of three dominant weed species of winter wheat crop

　　

Vartika Joshi|Kiran Bargali|Priya Arya|Shivangi Rawat|Rupali Pande|Charu Joshi

印度北阿坎德邦奈尼塔尔，库马恩大学DSB校区植物学系，邮编263002

摘要

本研究探讨了最具危害性的入侵杂草之一——Ageratina adenophora的叶片水提取物对库马恩喜马拉雅地区冬小麦作物中三种主要杂草，即Bidens biternata、Ageratum conyzoides和Galinsoga ciliata的影响。研究使用了从新鲜绿色叶片和干燥衰老叶片中提取的提取物，并设置了三种浓度（200毫升水中加入5、10、20克叶片，处理48小时），同时设置一个对照组。研究人员监测并分析了发芽率、发芽指数、平均发芽时间、发芽速度系数以及杂草控制效率等指标。双因素方差分析表明，A. adenophora的水提取物显著抑制了目标杂草的发芽能力。研究表明，干燥叶片提取物的抑制效果优于新鲜叶片提取物，在较高浓度下，其能使杂草的发芽率降低64%，其他发芽参数则被完全抑制。平均发芽时间在干燥叶片提取物处理组中有所缩短，而发芽速度系数在新鲜叶片处理组中更高。A. adenophora叶片中含有酚类和黄酮类物质，这些是重要的化感物质，且干燥叶片中的含量更高。傅里叶变换红外光谱分析显示，新鲜叶片与干燥叶片之间的功能团没有明显差异，但干燥叶片提取物中的羟基（酚类）强度更高。尽管在当前实验条件下，这些提取物的除草效果有限，但它们确实对主要杂草的发芽能力产生了显著负面影响，这可能为揭示A. adenophora叶片在喜马拉雅农业生态系统中的生物除草潜力奠定基础。

引言

小麦是全球三大重要粮食作物之一，对保障世界粮食供应起着至关重要的作用。据[1]称，它是全球种植面积最大的作物，也是数十亿人的主食。亚洲（44.7%）、欧洲（31.6%）、美洲（16.5%）、非洲（3.9%）和大洋洲（3.3%）的产量共同构成了全球约7.132亿吨的小麦总产量[2]。小麦不仅作为主要粮食作物，还用于饲养动物以及生产各类商品。随着全球人口的增长，对小麦产量的需求也在不断增加[3]、[4]。然而，可持续的小麦生产往往受到杂草、害虫、土地资源减少以及全球气候变化等因素的制约[5]、[6]。众多生物和非生物因素都会影响小麦的产量和生长状况，其中杂草是对小麦危害最大的害虫，其造成的产量损失往往超过病虫害[7]。此外，杂草还会降低农产品的品质和市场价值。

在农作物中生长的非目标植物被称为杂草[8]。它们会限制农业生产，导致水果、谷物、种子等各类农产品的产量大幅下降。在全球已发现的约3万种杂草中，有50到200种会对主要粮食作物造成严重危害[9]、[10]。Holm等人[11]估计，全球农作物中存在约250种常见杂草。在印度，杂草会因为其在作物之前发芽，使其种子与作物种子混合，进而取代或占据作物的生长空间，从而导致小麦产量降低34.4%[12]、[13]。Joshi等人以及Khanna等人[14]、[15]指出，杂草与其他植物的不同之处在于它们具有更强的适应性，以及提升竞争能力的独特特性。多年来，农业生态系统中一直采用机械和化学方法来控制杂草，但不当的耕作方式和合成除草剂的使用带来了诸多负面后果，如土壤有机质减少、土壤侵蚀加剧、杂草产生抗药性、替代性杂草群落形成，以及农产品和环境污染等问题[16]、[17]。因此，迫切需要采取可持续的杂草控制方法，以减少除草剂的使用。在各种低成本且环保的控制方法中，化感作用因其日益受科学界关注而显得尤为重要[18]。

化感作用是指植物通过释放化感物质，直接或间接地影响周围植物及其相关的微生物群落，从而干扰其他植物的生长[6]、[19]。这是一种具有生态意义的生化现象，表现为一种植物（供体）对另一种植物（受体）的生长和发育产生促进或抑制作用。这些被称为化感物质的植物次生代谢产物，是由植物在各种生化活动中产生的[20]、[21]，它们可以通过渗漏、分泌、挥发、分解或以渗滤液的形式释放出来[22]、[23]。化感物质存在于植物的多个部位，包括根、根茎、茎、叶、花、花序、花粉、果实和种子[24]，其中叶片是化感物质的主要来源，因此其毒性相对更强[25]。这些化感物质能够改变本地物种的发芽行为和生长参数[26]、[27]。

Ageratina adenophora（Spreng.）King and Rob.，又称克罗夫顿杂草，或墨西哥魔鬼草，是一种多年生灌木状常绿草本植物，能够在多种地理环境和条件下生长繁衍。在印度，它多见于受干扰的生境、闲置土地、道路旁、森林边缘以及农业生态系统之中[28]、[29]。这种杂草含有多种天然活性物质，对其他植物具有很强的化感作用[24]、[30]。Thapa等人[31]和Zahara等人[32]发现，A. adenophora的叶片中含有最多量的植物毒素。雨水会将不同植物部位的渗滤液冲刷到环境中，从而抑制被入侵生态系统中的原有植物生长。本研究利用从新鲜和干燥叶片中提取的水提取物，通过化感作用探讨其对冬小麦作物中三种杂草的出苗前控制效果。所选杂草均属于菊科，且自然生长在冬小麦田中。作为提取水提取物的供体物种（即具有化感作用的A. adenophora），则是根据其已知的生物活性以及植物生物量的可获得性来选择的。

本研究在可控的实验室条件下观察了A. adenophora的化感作用，该作用具有地域性杂草特异性，且是从整个群落层面进行研究的，而非仅针对单一目标植物。研究通过发芽生物测定、生化分析以及傅里叶变换红外光谱分析，比较了新鲜叶片提取物和干燥叶片提取物对杂草的不同影响。

章节要点

优势杂草物种的选择

在1月至3月期间，对冬小麦田进行了定量采样。为了确定每种杂草的密度、出现频率以及覆盖度，我们在每个采样点随机选取10块田地，每块田地使用1平方米的样方进行三次测量。随后计算每种杂草的重要性值，并将其转换为所有采样点中该物种的平均重要性值。杂草被分为不同的组别，然后通过以下公式计算重要性值恒定性指数IVCI。

结果

双因素方差分析结果显示，叶片组织类型对种子的发芽百分比和发芽率都有显著影响，而提取物浓度则仅对发芽率有显著影响。不过，发芽率和发芽百分比在两者相互作用的情况下也表现出显著差异（见表1）。不同发芽指数的差异源于不同的数学计算公式。发芽百分比反映的是所有能够发芽的种子总数。

讨论

杂草是指与农作物一同生长，却会逐渐导致农作物产量大幅下降的非目标植物。目前全球范围内广泛使用各种合成除草剂来控制杂草，减轻它们对农作物产量的危害，但这些化学药剂可能会带来环境健康风险，进而引发一系列不良后果。为了解决这些问题，就需要寻找替代性的、环保的杂草控制方法[45]。在这方面，植物...

结论

本研究是探索利用化感物质控制特定农业杂草的初步尝试。在三种杂草中，随着叶片提取物浓度的增加，其对杂草的抑制作用也会增强。尤其是浓度为10%（重量/体积比）的干燥叶片提取物，表现出较强的除草活性。叶片提取物中的化感物质很可能是抑制杂草发芽的原因，这一发现有助于我们更好地控制杂草。

CRediT作者贡献说明

Vartika Joshi：文章撰写——审稿与编辑、原始草稿撰写、方法设计、数据整理。Kiran Bargali：可视化处理、研究监督、方法设计、概念构思。Priya Arya：原始草稿撰写。Shivangi Rawat：文章审稿与编辑。Rupali Pande：文章审稿与编辑。Charu Joshi：文章审稿与编辑。

伦理审批情况

无需审批。

资金支持

本研究得到了库马恩大学RDC机构颁发的小型研究项目资助（项目编号：KU/RDC/IFR/2023-2024/1127）。

利益冲突声明

作者们声明不存在任何利益冲突。

致谢

我们感谢库马恩大学奈尼塔尔DSB校区植物学系主任为我们提供实验室设施。同时，也感谢斯利那加GBPNIHE的Ashish Kumar博士帮助我们进行了植物化学分析。