小蓬草精油的化感效应

王海英，刘姗姗，刘志明

(1.东北林业大学 林学院，黑龙江 哈尔滨150040;2.东北林业大学 材料科学与工程学院 生物质材料科学与技术教育部重点实验室，黑龙江 哈尔滨150040)

“allelopathie”是1937 年由奧地利(Austrian)植物生理学家(plant physiologist)Hans Molisch 用德语(German)创造出来的［1］，源于希腊语“allelon(相互)”和“pathos(损害、妨碍)”［1-3］，即现在由“allelo”和“pathy”组成的意味着“mutual harm”的“allelopathy”［4］。1984 年Rice 根据Molisch 的原始定义和植物化感作用的研究成果，将化感作用(allelopathy)定义为植物(包括微生物)释放化学物质到外部环境而影响(抑制或促进)邻近植物(异种个体或同种个体)的生长和发育［4-6］。1996 年国际化感作用学会(International Allelopathy Society，IAS)对“allelopathy”的定义为任何涉及由植物、藻类、细菌和真菌产生的次生代谢产物影响农业和生物系统的生长和发展的过程。化感作用世界大会第1 届1996 年在西班牙、第2 届1999 年在加拿大、第3 届2002 年在日本、第4 届2005 年在澳大利亚［4］、第5 届2008年在美国举行，第6 届2011 年将在中国举行。化感物质“allelochemical”指植物次生代谢产生的影响其他生物生长、行为和种群生物学的化学物质［6-8］。在自然状况下化感物质主要通过根系分泌物，植物体内由茎、叶产生的挥发性化学物质，植物地上部受雨、雾和露水淋洗的化学物质，微生物分解植物残体并释放到土壤里的化学物质共4 种途径进入环境［9-10］。植物释放的化感物质主要通过乙酸、莽草酸或二者结合产生的一些低分子量(100 ～300)、结构简单的次生代谢产物，Rice 将化感物质分为可溶性有机酸、直链醇、脂肪族醛和酮;简单酚、苯甲酸及其衍生物等14 类［10-13］。利用植物产生的化感物质为先导化合物模板合成新型环境友好型除草剂是当今除草剂研究的热点之一［14-16］。化感物质主要表现在影响细胞分裂、伸长和根尖的细微结构，影响细胞膜的透性，影响矿质离子的吸收，影响光合作用，呼吸作用等［17-21］。目前分离出的化感物质多为酚类和萜类，酚类化感物质的作用机理主要是影响种子萌发，影响物质代谢，降低光合速率(主要是加速叶绿素的分解或抑制其合成，改变叶绿素a/b 的比值)，破坏细胞的超微结构等。萜类化感物质的作用机理主要是影响种子萌发，影响植物抗性等［22-23］。芳香植物小蓬草［Conyza canadensis(L.)Cronq.］，别名加拿大蓬、飞蓬或小飞蓬，菊科(Compositae)白酒草属一年生草本，全草含精油，原产于北美洲，现广泛分布于世界各地。夏秋季形成单种优势群落，影响其他植物生长［24-26］。许桂芳等［27］、高兴祥等［28-30］、曹慕岚等［31］、戴进用［32］和张帅［33］进行了小蓬草的化感作用、化感物质的释放途径、入侵生物学、提取物除草活性的生物测定以及对作物种子萌发及幼苗生长的影响等研究，目前对植物体内由茎、叶等产生的挥发性化学物质(化感物质)的化感作用机制研究较少［34-35］。植物精油是植物通过次生代谢生物合成含有挥发性成分的混合物，常通过水蒸气蒸馏、压榨(柑橘类果皮等)等方法提取，个别原料也有用干馏法提取［36-37］。Tworkoski［38］的研究结果表明锡兰肉桂(Cinnamomum zeylanicum)精油具有较强的除草活性。精油作为化感物质，具有作为生物除草剂的潜力［39-40］。本研究在前期研究基础上［41-43］，在受体植物种子最终发芽率以及幼苗根长对小蓬草精油的化感作用较敏感的研究结果［41］基础上，进一步从受体植物最终发芽率、幼苗根长、根系活力、叶绿素含量等方面研究小蓬草精油的化感效应，为小蓬草的化感作用机制研究提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 材料

鲜小蓬草(C. canadensis)地上部分于2010 年6月下旬采自黑龙江省哈尔滨市，东北林业大学城市林业示范基地，并经东北林业大学林学院穆立蔷教授鉴定。青菜(Brassica chinensis L.)、白菜［Brassica pekinensis (Lour.)Rupr.］和小麦(Triticum aestivum L.)种子均购自哈尔滨市种子市场，稗草［Echinochloa crusgalli (L.)Beauv.］和鹅观草(Roegneria kamoji Ohwi)由东北林业大学林学院森林植物资源学科提供。

1.2 方法

1.2.1 小蓬草精油的提取

145 g 鲜小蓬草地上部分(剪成1 ～2 cm 小段)，水蒸气蒸馏(steam distillation)［13，34，35，39］提取3 h，提取液用乙醚萃取，加入适量无水Na2SO4干燥15 min，过滤后置于40 ℃水浴下蒸干乙醚溶剂，得到小蓬草油状精油。小蓬草精油得率为0.057%。

1.2.2 小蓬草精油的生物测定

用丙酮将小蓬草精油配制成质量浓度为1.5 g·L-1的小蓬草精油丙酮溶液，然后采用半量稀释法用丙酮稀释成质量浓度分别为0.75 g·L-1、0.375 g·L-1和0.187 5 g·L-1的小蓬草精油丙酮溶液，参照文献［44，45］的方法进行化感作用的生物测定。

在已消毒的直径为9 cm 培养皿内分别加入1 mL 质量浓度为0.75 g·L-1、0.375 g·L-1和0.187 5 g·L-1的小蓬草精油丙酮溶液和6 mL 蒸馏水，对照则加入1 mL 丙酮和6 mL 蒸馏水，混合均匀后铺入2 层滤纸，待滤纸浸湿后将籽粒饱满、大小均匀的青菜、白菜、小麦、稗草和鹅观草种子各10 粒分别在滤纸上水平摆成1 行，盖上培养皿盖;将培养皿置于HPG-280H(哈尔滨市东联电子技术开发有限公司制造)人工气候箱内并倾斜30°放置，于(25 ±1)℃、黑暗条件下培养4 d 后，从第5 天开始连续光照(光照度5 000 lx，光照时间24 h·d-1)。各处理均设3次重复。

以胚根或胚轴突破种皮1 ～2 mm 为种子发芽的标准，每天观察并记录受体植物种子发芽的数量，连续统计7 d，计算最终发芽率和发芽指数;并于第7 天用数码显示游标卡尺测量幼苗的根长(胚轴末端至根末端的长度)，其中青菜和白菜测量主根长度，小麦、稗草和鹅观草测量最长根的长度。第7 天采用TTC 法测定根系活力［46］和用95%乙醇作为溶剂提取叶绿素测定叶绿素含量［47］。各处理均设3次重复，结果取其平均值。

1.3 数据处理

根据记录的数据计算下列参数［31，48-49］:最终发芽率=(发芽种子总数/供试种子总数)×100%;化感效应敏感指数(Ri)Ri=1 -C/T(T≥C)，Ri=T/C-1(T ＜C)式中:C 为对照值，T 为处理值(分别为受体植物种子最终发芽率、种子发芽指数、幼苗根长、幼苗根系活力、幼苗叶绿素含量、幼苗叶绿素a含量、幼苗叶绿素b 含量和幼苗叶绿素a/b 的对照值和处理值)，Ri表示化感作用强度大小，其绝对值大小反映化感作用的强弱;发芽指数(Rg)Rg= ∑Gt/Dt，式中:Dt为发芽日数，Gt为与Dt相对应的每天发芽种子数。

试验数据用SPSS16.0 软件进行数据处理，对同一植物不同处理间的数据进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 对种子发芽率的影响

不同质量浓度小蓬草精油对青菜、白菜、小麦、稗草和鹅观草种子最终发芽率的影响及其化感效应敏感指数见表1。

从5 种植物种子最终发芽率(表1)可以看出，质量浓度0.75 和1.5 g·L-1小蓬草精油具有降低青菜、白菜、小麦、稗草和鹅观草种子最终发芽率的作用，随着小蓬草精油质量浓度的提高受体植物种子的最终发芽率不断降低。在供试5 种植物中，鹅观草对小蓬草精油最为敏感，小蓬草精油浓度0.75 g·L-1时，完全抑制了鹅观草种子发芽，且与其它处理组(1.5 g·L-1组除外)及对照组差异极显著;精油浓度为0.375 g·L-1时，鹅观草种子处理组与其它组差异极显著。精油浓度为0.75 g·L-1时，青菜、白菜、小麦、稗草和鹅观草种子处理组均与对照组差异极显著。小蓬草精油处理组5 种植物种子最终发芽率的化感效应敏感指数均为负值，说明一定质量浓度的小蓬草精油对青菜、白菜、小麦、稗草和鹅观草种子发芽均有抑制作用。随着小蓬草精油质量浓度的提高，5 种植物种子最终发芽率的化感效应敏感指数绝对值逐渐增大，表明小蓬草精油质量浓度越高，其对植物种子萌发的抑制作用越大。在供试的5 种植物中，各处理组鹅观草种子最终发芽率的化感效应敏感指数的绝对值均最大，小蓬草精油对鹅观草种子萌发的半抑制浓度(IC50)为0.42 g·L-1。

2.2 对种子发芽指数的影响

一般来说，植物种子发芽指数是从置床开始算起的，发芽指数越高就说明该植物种子发芽所用的时间越短，发芽速率越快。经不同质量浓度小蓬草精油处理后5 种植物的种子发芽指数及其化感效应敏感指数见表2。

表2 小蓬草精油对5 种植物种子发芽指数的影响及化感效应敏感指数

由表2 可以看出，各处理组青菜、白菜、小麦、稗草和鹅观草种子的发芽指数均低于对照，说明小蓬草精油对青菜、白菜、小麦、稗草和鹅观草种子的发芽速率均有一定的抑制作用。随着精油质量浓度的提高，5 种供试植物的种子发芽指数不断降低;鹅观草对小蓬草精油最为敏感，精油浓度为0.187 5 g·L-1、0.375 g·L-1和0.75 g·L-1时，鹅观草种子处理组与对照组差异极显著。精油浓度为0.187 5 g·L-1时，青菜、白菜、小麦、稗草和鹅观草种子处理组均与对照组差异极显著。各处理组青菜、白菜、小麦、稗草和鹅观草种子发芽指数的化感效应敏感指数均为负值，说明小蓬草精油对青菜、白菜、小麦、稗草和鹅观草种子的发芽速率均有抑制作用。随着小蓬草精油质量浓度的提高，5 种供试植物种子发芽指数的化感效应敏感指数绝对值逐渐增大，说明小蓬草精油对5 种供试植物种子发芽速率的抑制作用逐渐增强。

2.3 对幼苗根长的影响

不同质量浓度小蓬草精油对青菜、白菜、小麦、稗草和鹅观草幼苗根长的影响及其化感效应敏感指数见表3。

表3 小蓬草精油对5 种植物幼苗根长的影响及化感效应敏感指数

由表3 可以看出，各处理组青菜、白菜、小麦、稗草和鹅观草的幼苗根长均低于对照，说明小蓬草精油对青菜、白菜、小麦、稗草和鹅观草幼苗根长的生长均有一定的抑制作用。随着精油质量浓度的提高，5 种供试植物的幼苗根长不断减小;鹅观草对小蓬草精油最为敏感，精油浓度为0.187 5 g·L-1、0.375 g·L-1和0.75 g·L-1时，鹅观草处理组幼苗根长与对照组差异极显著。精油浓度为0.375 g·L-1时，青菜、白菜、小麦、稗草和鹅观草处理组幼苗根长与对照组差异极显著或显著。各处理组青菜、白菜、小麦、稗草和鹅观草幼苗根长的化感效应敏感指数均为负值，说明小蓬草精油对青菜、白菜、小麦、稗草和鹅观草幼苗根长的生长均有抑制作用。随着小蓬草精油质量浓度的提高，5 种供试植物幼苗根长的化感效应敏感指数绝对值逐渐增大，说明小蓬草精油对5 种供试植物幼苗根长的生长抑制作用逐渐增强。

2.4 对幼苗根系活力的影响

植物根系中脱氢酶能够引起氯化三苯四氮唑(TTC)的还原，所以TTC 还原强度能代表根系脱氢酶活性，并作为根系活力的指标，TTC 还原强度越小根系脱氢酶活性越小，即根系活力越小。不同质量浓度小蓬草精油对青菜、白菜、小麦、稗草和鹅观草根系活力的影响及其化感效应敏感指数见表4。

表4 小蓬草精油对5 种植物幼苗根系活力的影响及化感效应敏感指数

由表4 可以看出，各处理组青菜、白菜、小麦、稗草和鹅观草的幼苗根系活力均低于对照，说明小蓬草精油对青菜、白菜、小麦、稗草和鹅观草幼苗根系活力均有一定的抑制作用。各处理组青菜、白菜、小麦、稗草和鹅观草幼苗根系活力的化感效应敏感指数均为负值，说明小蓬草精油对青菜、白菜、小麦、稗草和鹅观草幼苗根系活力均有抑制作用。随着小蓬草精油质量浓度的提高，5 种供试植物幼苗根系活力的化感效应敏感指数绝对值逐渐增大，说明小蓬草精油对5 种供试植物幼苗根系活力抑制作用逐渐增强。

2.5 对幼苗叶绿素含量的影响

叶绿素是叶绿体的主要成分之一，是植物光合作用的主体，它的含量变化直接影响幼苗的生长发育。当植物体内叶绿素含量减少时，植物光合作用减弱，合成的碳水化合物量减少，导致植株发育不良。不同质量浓度小蓬草精油对青菜、白菜、小麦、稗草和鹅观草叶绿素含量的影响及其化感效应敏感指数见表5。

表5 小蓬草精油对5 种植物幼苗叶绿素含量的影响及化感效应敏感指数1)

由表5 可以看出，各处理组青菜、白菜、小麦、稗草和鹅观草的幼苗叶绿素含量均低于对照，说明小蓬草精油对青菜、白菜、小麦、稗草和鹅观草的幼苗叶绿素含量均有一定的抑制作用。随着精油质量浓度的提高，5 种供试植物的幼苗叶绿素含量不断减小。各处理组青菜、白菜、小麦、稗草和鹅观草幼苗叶绿素含量的化感效应敏感指数均为负值，说明小蓬草精油对青菜、白菜、小麦、稗草和鹅观草的幼苗叶绿素含量均有抑制作用。随着小蓬草精油质量浓度的提高，5 种供试植物幼苗叶绿素含量的化感效应敏感指数绝对值逐渐增大，说明小蓬草精油对5种供试植物幼苗叶绿素含量的抑制作用逐渐增强。

表6 小蓬草精油对5 种植物幼苗叶绿素a 含量的影响及化感效应敏感指数

由表6 可以看出，各处理组青菜、白菜、小麦、稗草和鹅观草的幼苗叶绿素a 含量均低于对照，说明小蓬草精油对青菜、白菜、小麦、稗草和鹅观草的幼苗叶绿素a 含量均有一定的抑制作用。随着精油质量浓度的提高，5 种供试植物的幼苗叶绿素a 含量不断减小。各处理组青菜、白菜、小麦、稗草和鹅观草幼苗叶绿素a 含量的化感效应敏感指数均为负值，说明小蓬草精油对青菜、白菜、小麦、稗草和鹅观草的幼苗叶绿素a 含量均有抑制作用。随着小蓬草精油质量浓度的提高，5 种供试植物叶绿素含量的化感效应敏感指数绝对值逐渐增大，说明小蓬草精油对5 种供试植物幼苗叶绿素a 含量的抑制作用逐渐增强。

表7 小蓬草精油对5 种植物幼苗叶绿素b 含量的影响及化感效应敏感指数

由表7 可以看出，各处理组青菜、白菜、小麦、稗草和鹅观草的幼苗叶绿素b 含量(除0.1875 g·L-1处理时白菜和稗草与对照相等以外)均低于对照，说明小蓬草精油对青菜、白菜、小麦、稗草和鹅观草的幼苗叶绿素b 含量均有一定的抑制作用。随着精油质量浓度的提高，5 种供试植物的幼苗叶绿素b含量不断减小。各处理组青菜、白菜、小麦、稗草和鹅观草幼苗叶绿素b 含量的化感效应敏感指数均为负值，说明小蓬草精油对青菜、白菜、小麦、稗草和鹅观草的幼苗叶绿素b 含量均有抑制作用。随着小蓬草精油质量浓度的提高，5 种供试植物幼苗叶绿素含量的化感效应敏感指数绝对值逐渐增大，说明小蓬草精油对5 种供试植物幼苗叶绿素b 含量的抑制 作用逐渐增强。

表8 小蓬草精油对5 种植物幼苗叶绿素a/b 的影响及化感效应敏感指数

由表8 可以看出，小蓬草精油各处理对5 种供试植物幼苗叶绿素a/b 的比值无影响。

综合以上分析，小蓬草精油处理对青菜、白菜、小麦、稗草和鹅观草种子最终发芽率、种子发芽指数、幼苗根长、幼苗根系活力、幼苗叶绿素含量、幼苗叶绿素a 含量和幼苗叶绿素b 含量均表现为抑制，对鹅观草种子最终发芽率、种子发芽指数和幼苗根长具有最为明显的抑制作用，小蓬草精油主要是通过抑制受体植物种子发芽速率来抑制受体植物种子的萌发，通过抑制幼苗根系活力来抑制受体植物幼苗根长的生长，通过抑制幼苗叶绿素含量、幼苗叶绿素a 含量和幼苗叶绿素b 含量来抑制受体植物的光合作用，抑制植物生长。

3 结 论

随着小蓬草精油质量浓度的提高，受体植物的种子最终发芽率、种子发芽指数、幼苗根长、幼苗根系活力、幼苗叶绿素含量、叶绿素a 含量和叶绿素b含量不断降低且化感效应敏感指数均为负值，表明不同质量浓度小蓬草精油对青菜、白菜、小麦、稗草和鹅观草的种子最终发芽率、种子发芽指数、幼苗根长、幼苗根系活力、幼苗叶绿素含量、叶绿素a 含量和叶绿素b 含量均有一定的抑制作用，且精油质量浓度越高抑制作用越强。鹅观草对小蓬草精油最为敏感，小蓬草精油对鹅观草种子萌发的半抑制浓度(IC50)为0.42 g·L-1。在小蓬草化感作用的生物测定中，种子发芽指数是较为敏感的衡量指标，而种子最终发芽率和幼苗根长是较稳定的2 个衡量指标且其结果趋于一致。小蓬草精油处理对青菜、白菜、小麦、稗草和鹅观草的化感作用为通过抑制受体植物种子萌发速率、抑制幼苗根系活力和叶绿素含量等来抑制受体植物生长。

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