外源酚酸对水稻种子和幼苗的化感效应

顾 元， 常志州， 于建光， 宗良纲

(1.南京农业大学资源与环境科学学院，江苏 南京210095;2. 江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，江苏 南京210014;3.江苏省农业废弃物资源化工程技术研究中心，江苏 南京210014)

农业生产中，秸秆还田和作物轮作等农艺措施常可提高作物产量，增加土壤养分，改善土壤理化性状［1-9］。然而有研究表明这类农艺措施有时反而使作物具有较弱的生长势，甚至减产［10-12］。在长江中下游稻麦轮作区，小麦收获后大量秸秆还田对下茬作物水稻的生长发育产生不利影响［13］。

植物化感作用是植物通过释放自身产生的某些化学物质直接或间接地影响邻近其他植物生长和发育的化学生态学现象［14］。从目前研究结果看，酚酸类物质是高等植物产生的主要化感物质［15-16］。前期研究结果也表明小麦秸秆浸提液和腐解液对水稻种子的萌发和幼苗生长发育产生抑制作用，其作用与秸秆含有或腐解产生的总酚酸含量有关。目前关于酚酸化感作用机制研究局限于少数几种酚酸［17］，如对羟基苯甲酸［18］、香草酸［19］、阿魏酸［20］，但小麦秸秆还田时腐解会产生大量的酚酸类化感物质［21］。前人研究了少数酚酸物质对棉花(Gossypium hirsutum L.)［22］、莴苣(Lactuca sativa)［23］、大巢菜(Vicia sativa)［24］以及稗草(Echinochloa crusgalli)［25］等的化感效应，而少有多种酚酸对水稻化感效应的系统性研究。本研究拟通过测定可由麦秸腐解产生的10 种外源酚酸对水稻种子萌发和幼苗生长发育的影响，以明确不同酚酸物质对水稻的化感效应，为小麦秸秆还田的化感效应调控提供理论基础和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 供试材料

通过查阅文献报道并结合初步试验结果，选取可由小麦秸秆腐解产生的10 种常见酚酸(对羟基苯甲酸、香草酸、阿魏酸、丁香酸、原儿茶酸、没食子酸、对香豆酸、芥子酸、咖啡酸以及水杨酸)为供试试剂，10 种酚酸物质均为分析纯，选取南粳47(由江苏省农业科学院粮食作物研究所提供)为供试水稻品种。

1.2 试验方法

水稻种子萌发试验采用平板培养法，将10 种酚酸分别配制成5 个浓度梯度，分别为20 mg/L、50 mg/L、100 mg/L、200 mg/L和500 mg/L，同时设置蒸馏水对照，每个处理4 次重复，共204 个培养皿。取上述不同浓度酚酸溶液10 ml 加入内衬滤纸的培养皿中，各培养皿中放入20 粒水稻种子，置于25 ℃恒温培养3 d，计算种子发芽率和发芽指数(GI)。

水稻幼苗生长发育试验采用砂培法。石英砂经稀酸浸泡再经清水多次浸泡冲洗后灭菌、烘干备用。将10 种酚酸配制成5 个浓度梯度(含Hoagland 营养液成分)，分别为50 mg/L、100 mg/L、250 mg/L、500 mg/L和1 000 mg/L，另设对照处理(只加Hoagland 营养液)。每个浓度梯度4 次重复，共计204 个盆钵，容器为直径约20 cm、高20 cm 的塑料盆钵，每盆装石英砂1.5 kg。将已经浸种催芽的水稻种子播种于含50% Hoagland 营养液的石英砂盆钵中，7 d 后选取大小均匀的水稻幼苗移栽于各处理盆钵中，每盆移栽10 棵水稻幼苗，各处理盆钵分别添加500 ml 含Hoagland 营养成分的不同浓度酚酸溶液，对照处理只添加500 ml Hoagland 营养液进行培养。所在盆钵置于人工气侯室培养30 d，白天30 ℃，夜间25 ℃。培养过程中每隔3 d 添加纯水并称重，保持砂培盆钵中水分含量为25%。30 d 后所有盆钵破坏性采样，测定水稻植株鲜质量、干质量、植株叶绿素含量、根系脱氢酶和植株丙二醛含量等生长发育指标。

1.3 分析测定方法

发芽率指已发芽种子与全部种子之比，发芽指数(GI)=(处理平均发芽率×处理平均根长)/(对照平均发芽率×对照平均根长)［26-27］。水稻植株的鲜质量和干质量分别称取植株地上、地下部分，植株叶绿素含量采用丙酮比色法测定，根系脱氢酶活性采用TTC 比色法测定，植株丙二醛含量采用硫代巴比妥酸法测定［28］。化感效应指数(RI)采用Williamson等［29］推荐的方法，RI =1 －C/T(T≥C)，RI =T/C －1(T ＜C)，其中C 为对照值，T 为处理值，RI ＞0 为促进作用，RI ＜0 为抑制作用，绝对值的大小与强度一致。

1.4 数据处理

数据统计分析采用Excel 2003 和SPSS17.0 软件进行。

2 结果

2.1 外源酚酸对水稻种子萌发的影响

与对照相比，绝大多数酚酸都对水稻种子的萌发产生影响，表现为低浓度促进、高浓度抑制，且对发芽指数的影响程度大于发芽率。以发芽率为表征，芥子酸从100 mg/L起、咖啡酸从200 mg/L起、阿魏酸从500 mg/L起显著抑制水稻发芽(P ＜0.05)，其他酚酸各浓度均未对水稻种子发芽率产生显著影响。以发芽指数为表征，对羟基苯甲酸、没食子酸和芥子酸在20 mg/L时，香草酸、丁香酸、对香豆酸和咖啡酸在浓度低于50 mg/L时，阿魏酸和原儿茶酸在浓度低于100 mg/L时对水稻发芽指数有显著促进作用(P ＜0.05);而对羟基苯甲酸在浓度高于50 mg/L时，没食子酸、对香豆酸、芥子酸和水杨酸在浓度高于100 mg/L时，阿魏酸、丁香酸、原儿茶酸和咖啡酸在浓度高于200 mg/L时对水稻发芽指数有显著抑制作用(P ＜0.05)(表1)。

2.2 外源酚酸对水稻幼苗生长的影响

施用不同浓度的酚酸溶液砂培水稻后，以鲜质量化感效应指数为表征可以看出，除阿魏酸、丁香酸对水稻地上部鲜质量起完全抑制作用外，其他酚酸溶液均对水稻地上部和地下部鲜质量产生了低浓度促进、高浓度抑制作用。而以干质量化感效应指数为表征，则可看出除阿魏酸、咖啡酸对水稻地上部干质量完全抑制外，其他酚酸均对水稻地上部和地下部干质量产生了低浓度促进、高浓度抑制作用。除芥子酸外，其余9 种酚酸在1 000 mg/L浓度下砂培的水稻均未存活，对羟基苯甲酸、咖啡酸和水杨酸于500 mg/L浓度下砂培的水稻也未能存活(表2)。

表1 不同浓度外源酚酸物质对水稻萌发的影响Table 1 Effects of the exogenous phenolic acids with different concentrations on rice seed germination

与对照相比，施用50 mg/L的10 种酚酸溶液砂培水稻后，鲜质量根冠比均升高，其中对羟基苯甲酸、香草酸和对香豆酸处理的水稻增幅显著(P ＜0.05);除未存活植株和香草酸500 mg/L浓度外，10种酚酸溶液培育的水稻干质量根冠比几乎在所有浓度下也均高于对照。以化感效应指数为表征，也可以看出不同酚酸各浓度处理下水稻干质量根冠比较对照上升(表2)。

2.3 外源酚酸对水稻植株幼苗生理生化过程的影响

通常作物在各种胁迫因子作用下，叶绿体结构会遭到破坏，导致叶绿素含量下降［30］。与对照相比，阿魏酸、丁香酸的不同浓度溶液均降低了水稻叶绿素a 的含量，其余大部分酚酸均对叶绿素a 含量产生了低浓度促进、高浓度抑制作用。其中香草酸和阿魏酸从100 mg/L开始，丁香酸、对香豆酸、咖啡酸和水杨酸从250 mg/L开始，原儿茶酸、没食子酸和芥子酸从500 mg/L开始显著降低水稻叶绿素a的含量(P ＜0.05)。10 种酚酸对植株叶绿素b 也有与上述相似的影响，但丁香酸、原儿茶酸、没食子酸和芥子酸对叶绿素b 含量产生抑制时的作用阈值均降低。叶绿素a/b 比值常作为评定作物品种的抗逆性指标，指标越高，抗逆性越强。10 种酚酸在低浓度下均增加了叶绿素a/b 值，部分酚酸在高浓度下亦使叶绿素a/b 值上升(表3)。

丙二醛是植物衰老指标之一，其含量是膜脂过氧化程度的一个重要标志，植株丙二醛含量升高说明细胞膜受到了伤害，膜透性增大。本试验中，大部分酚酸均对丙二醛含量产生低浓度抑制、高浓度促进作用。其中丁香酸处理的植株丙二醛含量在50 mg/L和100 mg/L 浓度下较对照显著降低(P ＜0.05)，而没食子酸、对香豆酸、芥子酸、咖啡酸和水杨酸在50 mg/L浓度下使丙二醛含量显著降低(P ＜0.05)，对羟基苯甲酸和原儿茶酸处理植株的丙二醛含量仅在100 mg/L浓度下较对照显著降低(P ＜0.05)。除对羟基苯甲酸各处理浓度未对植株丙二醛含量产生显著促进作用外，丁香酸、原儿茶酸、没食子酸、咖啡酸和水杨酸均从250mg/L浓度起，香

草酸、阿魏酸、对香豆酸和芥子酸均从500 mg/L浓度起显著提高植株丙二醛含量(P ＜0.05)(表3)。

表2 不同浓度外源酚酸物质对水稻苗期生物量的影响Table 2 Effects of the exogenous phenolic acids with different concentrations on rice plant biomass

表3 不同浓度外源酚酸物质对水稻植株生理生化指标的影响Table 3 Effects of the exogenous phenolic acids with different concentrations on rice plant physiological and biochemical indices

与对照相比，除香草酸和阿魏酸在各浓度下均降低了水稻的根系活力外，其余酚酸均对水稻的根系活力产生了低浓度促进、高浓度抑制作用。水杨酸从100 mg/L浓度起，丁香酸、没食子酸、对香豆酸和咖啡酸从250 mg/L浓度起，香草酸、阿魏酸、原儿茶酸和芥子酸从500 mg/L浓度起显著抑制水稻根系活力(P ＜0.05)(表3)。

3 讨论

已有研究表明种子萌发速率受环境条件的影响，且这种影响比对植物生长发育的影响更大［31］。如小麦提取液中的阿魏酸能使牵牛花(Ipomoea lacunosa)的种子发芽率从94%降到6%［32］;黑胡桃(Juglans nigra)枝、叶、果实和根中的羟基胡桃苷被雨水带入土壤，经水解和氧化转化为胡桃醌，在0.002%时就能抑制其他植物种子萌发［33］。本试验中绝大多数酚酸都对水稻种子的发芽产生了低浓度促进、高浓度抑制作用，这与大多数化感物质对受体植物的影响一致［34-36］。然而余叔文等人针对小麦残株腐烂产生的酚酸类化感物质对野燕麦(Avena fatua L.)种子的萌发研究［37］以及Einhellig 针对芋头(Colocasia esculenta)残体分解物对蜀黍(Sorghum bicolor)胚根生长的研究［38］均显示了化感物质对植株种子萌发的强烈抑制作用，与本试验结果不完全相同，这可能是酚酸物质对不同作物的影响阈值差异所致。宋亮等人［39-40］认为化感物质对植物种子萌发的抑制作用主要是化感物质影响了种子萌发所需要的关键酶和细胞分裂，使种子的活力降低所致。

本试验中供试的大部分酚酸溶液均对水稻地上部和地下部生物量的累积产生了低浓度促进、高浓度抑制作用，这与吴凤芝等人研究的酚酸类物质对黄瓜(Cucumis sativus Linn.)幼苗生长的影响结果不同［41］。本试验中除芥子酸外，其余9 种酚酸于1 000 mg/L浓度下砂培的水稻均死亡，表明芥子酸对水稻幼苗生长的影响最弱;而对羟基苯甲酸、咖啡酸、水杨酸于500 mg/L浓度下砂培的水稻也未能存活，表明这3 种酚酸对水稻幼苗的影响强于其他酚酸。植物根系是活跃的吸收器官和合成器官，根的活力水平直接影响地上部分的生长、营养状况及产量水平。叶绿素含量与植株光合速率、营养状况等密切相关，叶绿素含量的多少反映了植物进行光合作用的能力强弱。本研究中大部分酚酸均对水稻根系活力，叶绿素a、b 值产生了低浓度促进、高浓度抑制作用，且10 种酚酸在低浓度下均增加了叶绿素a/b 的值。大部分酚酸均对丙二醛含量产生低浓度抑制、高浓度促进作用。值得注意的是，部分酚酸随浓度增大使水稻生物量的累积、根系活力先升高后降低，使丙二醛含量呈先降低后升高趋势;而部分酚酸使前者随浓度升高逐渐降低，使丙二醛随浓度增大且一直升高。这很可能是各种酚酸对水稻的影响有一阈值，在阈值内酚酸促进水稻生长，且随着浓度升高促进作用增大;超过该阈值则产生抑制作用，且浓度越高，抑制越强烈。不同酚酸的阈值也不同。

本试验中对水稻产生抑制作用的酚酸浓度远高于在稻田根系土壤中检测到的浓度。Einhellig［42］也认为，在田间条件下，植物释放的化学物质浓度一般均低于其抑制作用的最低浓度。如在0 ～20 cm 小麦根系土壤中几种化感物质的浓度为0.11 mg/kg，虽然其浓度较低，但在大量秸秆还田中仍然有时可以观察到稻麦轮作体系中水稻的弱势生长，尽管化感物质在根系土壤中总量相对较小，但因为其分布不均匀［43-44］，局部微域中的含量仍然可能很高。此外土壤中各种毒素物质的存在以及各种化感物质的协同作用也会降低其抑制作用的阈值［22，45］，而目前国内外对于化感物质的协同作用还有待于深入研究。

综上所述，与对照相比，10 种外源酚酸均对水稻种子的萌发产生低浓度促进、高浓度抑制作用，大部分种类的酚酸溶液对水稻生物量的累积、根系活力、叶绿素含量产生低浓度促进、高浓度抑制作用，而对水稻植株体内丙二醛含量产生了低浓度抑制、高浓度促进作用。酚酸溶液对水稻产生的化感效应与酚酸种类以及浓度有关，且不同酚酸对水稻的作用阈值不同。

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