A study of autotoxic effects of soil extract from continuously cropped Codonopsis pilosula var. modesta on seed germination and seedling growth

doi:10.11686/cyxb2024048

Abstract

Abstract:

Autotoxicity is one of the serious problems in Codonopsis pilosula var. modesta cultivation. The purpose of this study was to investigate the autotoxicity effects of soil extract from continuously cropped C. pilosula var. modesta on seed germination and seedling growth， and to screen out potential autotoxic compounds of C. pilosula var. modesta. Rhizosphere soil of C. pilosula var. modesta continuously cropped for 1， 2 and 3 years was collected； extracts from the collected soil were prepared， and germination and seedling growth tests for C. pilosula var. modesta were conducted. Potentially autotoxic compounds in the rhizosphere soil extracts were identified by gas chromatography-mass spectrometry （GC-MS）. It was found that the soil extract for all three continuous cropping durations had an effect of “low promotion and high inhibition” on the seed germination and seedling growth of C. pilosula var. modesta. However， the inhibition effect of continuous cropping for 3 years was the strongest， and that of continuous cropping for 1 year was the weakest. The chlorophyll content and the catalase， peroxidase and superoxide dismutase in leaves initially increased and then decreased with increase in soil extract concentration， and the contents of malondialdehyde and proline increased with increase in soil extract concentration. Again， these effects were strongest for extracts from soils after three years of continuous cropping. The GC-MS analysis detected， respectively， 12， 18 and 8 different potentially autotoxic compounds （including hydrocarbons， alcohols， ketones and fatty acids）， in extracts from soils continuously cropped for 1， 2 and 3 years. In summary， extracts from soils continuously cropped with C. pilosula var. modesta had autotoxic effects on seed germination and seedling growth. Autotoxicity is one of the causes of continuous cropping vigor loss in C. pilosula var. modesta.

Key words: Codonopsis pilosula var. modesta, continuous cropping obstacles, autotoxicity, GC-MS, autotoxic substance

Ying-yu CHEN, Ya-juan QIU, Xiao-ling SHAO, Yu-fang HUANG, Fu-de YANG, Lin-jie CHEN, Hong-gang CHEN, Tian-peng XIE. A study of autotoxic effects of soil extract from continuously cropped Codonopsis pilosula var. modesta on seed germination and seedling growth[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2024, 33(12): 122-133.

Figures/Tables 8

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年限 Years	浓度Content （g·L^-1）	测定指标Determination index				化感效应指数Allelopathic response index
年限 Years	浓度Content （g·L^-1）	GR （%）	GP （%）	GI	RL （cm）	GR	GP	GI	RL	SE
1	CK	0.77±0.00bc	0.37±0.02bcde	13.32±0.04bc	7.47±0.18c
	15	0.85±0.04a	0.44±0.01ab	14.82±0.52a	7.55±0.06c	0.09	0.10	0.15	0.01	0.0875
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	50	0.84±0.01a	0.40±0.05bc	14.41±0.09ab	10.31±0.43a	0.08	0.08	0.06	0.28	0.1250
	100	0.81±0.06ab	0.38±0.03bcd	14.15±0.98ab	9.50±0.52b	0.05	0.06	0.03	0.21	0.0875
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	200	0.75±0.05bcd	0.34±0.01cde	12.53±0.93cd	5.29±0.15e	-0.03	-0.06	-0.08	-0.29	-0.1150
	300	0.73±0.01cd	0.31±0.02de	12.22±0.06cd	4.82±0.30ef	-0.06	-0.08	-0.18	-0.35	-0.1675
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2	CK	0.77±0.00abc	0.37±0.02bc	13.32±0.04abc	7.47±0.18c
	15	0.83±0.09ab	0.41±0.02b	14.30±1.53ab	7.50±0.39c	0.07	0.07	0.09	0.00	0.0575
	25	0.85±0.00a	0.47±0.01a	14.82±0.01a	10.15±0.22a	0.09	0.10	0.21	0.26	0.1650
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	150	0.73±0.04bcd	0.31±0.02cd	12.58±0.50bcd	4.59±0.06e	-0.06	-0.06	-0.18	-0.38	-0.1700
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	500	0.54±0.06d	0.13±0.10e	8.07±0.59g	3.08±0.08g	-0.30	-0.39	-0.66	-0.58	-0.4825

年限 Years	浓度Content （g·L^-1）	测定指标Determination index				化感效应指数Allelopathic response index
年限 Years	浓度Content （g·L^-1）	GR （%）	GP （%）	GI	RL （cm）	GR	GP	GI	RL	SE
1	CK	0.77±0.00bc	0.37±0.02bcde	13.32±0.04bc	7.47±0.18c
	15	0.85±0.04a	0.44±0.01ab	14.82±0.52a	7.55±0.06c	0.09	0.10	0.15	0.01	0.0875
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	200	0.65±0.00c	0.27±0.20cd	11.47±0.05e	3.75±0.10f	-0.16	-0.14	-0.28	-0.49	-0.2675
	300	0.64±0.04c	0.20±0.06de	10.22±0.08f	3.22±0.21g	-0.17	-0.23	-0.47	-0.57	-0.3600
	500	0.54±0.06d	0.13±0.10e	8.07±0.59g	3.08±0.08g	-0.30	-0.39	-0.66	-0.58	-0.4825

年限 Year	浓度Content （g·L^-1）	测定指标Determination index			化感效应指数Allelopathic response index
年限 Year	浓度Content （g·L^-1）	RL （cm）	SL （cm）	FW （g·10 plants^-1）	RL	SL	FW	SE
1	CK	6.24±0.05c	4.16±0.10c	0.1918±0.02b
	100	7.54±0.23ab	5.39±0.17a	0.2259±0.01a	0.17	0.23	0.15	0.1839
	150	8.02±0.19a	5.48±0.31a	0.2361±0.01a	0.22	0.24	0.19	0.2170
	250	7.08±0.05b	4.74±0.23b	0.2048±0.03ab	0.12	0.12	0.06	0.1014
	350	6.48±0.27c	4.31±0.17bc	0.1759±0.01b	0.04	0.03	-0.08	-0.0039
	550	5.27±0.59d	3.97±0.38cd	0.1371±0.01c	-0.14	-0.04	-0.29	-0.1573
	750	4.49±0.43e	3.68±0.34d	0.1293±0.00c	-0.27	-0.12	-0.33	-0.2367
2	CK	6.24±0.05b	4.16±0.10cd	0.1918±0.02ab
	100	7.26±0.12a	4.81±0.15b	0.2069±0.07a	0.14	0.13	0.07	0.1161
	150	6.55±0.32b	5.24±0.27a	0.2093±0.03a	0.05	0.21	0.08	0.1124
	250	5.79±0.48c	4.46±0.24c	0.1427±0.02bc	-0.06	0.07	-0.26	-0.0817
	350	5.20±0.09d	3.91±0.04de	0.1319±0.00c	-0.15	-0.06	-0.31	-0.1755
	550	4.61±0.22e	3.76±0.25e	0.1295±0.02c	-0.25	-0.10	-0.32	-0.2232
	750	4.31±0.20e	2.47 ±0.07f	0.1089±0.00c	-0.30	-0.41	-0.43	-0.3792
3	CK	6.24±0.05b	4.16±0.10a	0.1918±0.02a
	100	7.17±0.33a	4.50±0.11a	0.2067±0.01a	0.13	0.08	0.07	0.0926
	150	5.24±0.87c	4.35±0.29a	0.1931±0.01a	-0.15	0.04	0.01	-0.0319
	250	5.08±0.19cd	4.10±0.66b	0.1375±0.03b	-0.17	-0.02	-0.28	-0.1570
	350	4.50±0.28d	3.53±0.09c	0.1125±0.01bc	-0.27	-0.15	-0.41	-0.2773
	550	3.63±0.20e	2.42±0.31c	0.1085±0.00c	-0.41	-0.42	-0.43	-0.4209
	750	3.21±0.10e	2.25±0.10c	0.0848±0.00c	-0.48	-0.46	-0.56	-0.4984

年限 Year	浓度Content （g·L^-1）	测定指标Determination index			化感效应指数Allelopathic response index
年限 Year	浓度Content （g·L^-1）	RL （cm）	SL （cm）	FW （g·10 plants^-1）	RL	SL	FW	SE
1	CK	6.24±0.05c	4.16±0.10c	0.1918±0.02b
	100	7.54±0.23ab	5.39±0.17a	0.2259±0.01a	0.17	0.23	0.15	0.1839
	150	8.02±0.19a	5.48±0.31a	0.2361±0.01a	0.22	0.24	0.19	0.2170
	250	7.08±0.05b	4.74±0.23b	0.2048±0.03ab	0.12	0.12	0.06	0.1014
	350	6.48±0.27c	4.31±0.17bc	0.1759±0.01b	0.04	0.03	-0.08	-0.0039
	550	5.27±0.59d	3.97±0.38cd	0.1371±0.01c	-0.14	-0.04	-0.29	-0.1573
	750	4.49±0.43e	3.68±0.34d	0.1293±0.00c	-0.27	-0.12	-0.33	-0.2367
2	CK	6.24±0.05b	4.16±0.10cd	0.1918±0.02ab
	100	7.26±0.12a	4.81±0.15b	0.2069±0.07a	0.14	0.13	0.07	0.1161
	150	6.55±0.32b	5.24±0.27a	0.2093±0.03a	0.05	0.21	0.08	0.1124
	250	5.79±0.48c	4.46±0.24c	0.1427±0.02bc	-0.06	0.07	-0.26	-0.0817
	350	5.20±0.09d	3.91±0.04de	0.1319±0.00c	-0.15	-0.06	-0.31	-0.1755
	550	4.61±0.22e	3.76±0.25e	0.1295±0.02c	-0.25	-0.10	-0.32	-0.2232
	750	4.31±0.20e	2.47 ±0.07f	0.1089±0.00c	-0.30	-0.41	-0.43	-0.3792
3	CK	6.24±0.05b	4.16±0.10a	0.1918±0.02a
	100	7.17±0.33a	4.50±0.11a	0.2067±0.01a	0.13	0.08	0.07	0.0926
	150	5.24±0.87c	4.35±0.29a	0.1931±0.01a	-0.15	0.04	0.01	-0.0319
	250	5.08±0.19cd	4.10±0.66b	0.1375±0.03b	-0.17	-0.02	-0.28	-0.1570
	350	4.50±0.28d	3.53±0.09c	0.1125±0.01bc	-0.27	-0.15	-0.41	-0.2773
	550	3.63±0.20e	2.42±0.31c	0.1085±0.00c	-0.41	-0.42	-0.43	-0.4209
	750	3.21±0.10e	2.25±0.10c	0.0848±0.00c	-0.48	-0.46	-0.56	-0.4984

保留时间 Retention time （min）	化合物 Compound	分子式 Molecular formula	连作年限 Continuous cropping years
保留时间 Retention time （min）	化合物 Compound	分子式 Molecular formula	1	2	3
4.678	对二甲苯Paraxylene	C₈H₁₀	3.07	5.02	3.33
4.981	2-苯乙基异烟酸酯Isonicotinic acid， 2-phenylethyl ester	C₁₄H₁₃NO₂	4.01	7.01	4.52
6.286	五氯乙烷Ethane， pentachloro-	C₂HCl₅	0.39	0.65	-
7.814	六氯乙烷Ethane， hexachloro-	C₂Cl₆	-	0.52	-
8.987	3-丁基吡啶Pyridine， 3-butyl-	C₉H₁₃N	-	0.45	-
14.840	邻苯二甲酸二甲酯Dimethyl phthalate	C₁₀H₁₀O₄	1.31	1.17	0.68
18.491	正十六烷Hexadecane	C₁₆H₃₄	0.51	-	-
20.190	1-十六烷醇1-Hexadecanol	C₁₆H₃₄O	0.43	-	-
21.981	4， 8a-二甲基-6-异丙烯基-3， 5， 6， 7， 8， 8a-六氢萘-2-酮2（1H）Naphthalenone， 3，5，6，7，8，8a-hexahydro-4，8a-dimethyl-6-（1-methylethenyl）-	C₁₅H₂₂O	-	1.00	-
22.725	3-吲哚乙醇Tryptophol	C₁₀H₁₁NO	-	1.26	-
25.535	3， 6-二甲基-7-异丙烯基-6-乙烯基八氢环己并［1， 2-b］呋喃-2-酮2（3H）-Benzofuranone， 6-ethenylhexahydro-3，6-dimethyl-7-（1-methylethenyl）-，［3S-（3.alpha.，3a.alpha.，6.alpha.，7.beta.，7a.beta.）］-	C₁₅H₂₂O₂	-	0.85	-
27.606	（-）-异长叶醇Isolongifolol	C₁₅H₂₆O	-	0.50	-
29.237	（4S，4αR，6R，8αR）-4α-羟基-4，8α-二甲基-6-（2-丙烯基）-3，4，5，6，7，8-六氢-2H-萘-1-酮（4S，4αR，6R，8αR）-4α-hydroxy-4，8α-dimethyl-6-prop-1-en-2-yl-3，4，5，6，7，8-hexahydro-2H-naphthalen-1-one	C₁₅H₂₄O₂	-	1.30	-
29.649	邻苯二甲酸二丁酯Dibutyl phthalate	C₁₆H₂₂O₄	14.72	1.94	6.79
30.038	棕榈酸n-Hexadecanoic acid	C₁₆H₃₂O₂	-	4.23	-
31.320	喘诺木烯内酯Reynosin	C₁₅H₂₀O₃	-	7.33	-
37.236	十六碳酰胺Hexadecanamide	C₁₆H₃₃NO	13.29	13.55	-
41.745	E， E， Z-1， 3， 12-十九碳三烯-5， 14-二醇E，E，Z-1，3，12-Nonadecatriene-5，14-diolE，E，Z-1，3，12-Nonadecatriene-5，14-diol	C₁₉H₃₄O₂	-	-	2.17
41.751	2-油烯基-外消旋甘油E，E，Z-1，3，12-Nonadecatriene-5，14-diol	C₁₉H₃₄O₂	3.47	-	-
41.957	油酸酰胺9-Octadecenamide，（Z）-	C₁₈H₃₅NO	37.29	40.03	20.33
42.913	2，2'-亚甲基双-（4-甲基-6-叔丁基苯酚）Phenol， 2， 2'-methylenebis-6-（1， 1-dimethylethyl）-4-methyl-	C₂₃H₃₂O₂	13.38	5.47	6.79
45.402	邻苯二甲酸二辛酯Bis（2-ethylhexyl） phthalate	C₂₄H₃₈O₄	8.13	7.71	55.40