自毒物质肉桂酸对豌豆幼苗生长及叶绿素荧光特性的影响

高 旭张古文胡齐赞徐盛春龚亚明

（1浙江省农业科学院蔬菜研究所，浙江 杭州 310021；2浙江农林大学农业与食品科学学院，浙江 临安 311300）

自毒作用是植物通过地上部淋溶、根系分泌和残茬分解等途径释放化学物质，进而对下茬同种或同科作物生长发育产生抑制的一种现象。自毒物质能促进土壤病菌的生长，影响作物种子的发芽，根系的吸收能力和细胞膜透性，从而加重连作障碍。目前，已经证实在大豆、苜蓿、西瓜、黄瓜、番茄等作物中均存在明显的自毒作用，连作会显著抑制其种子的萌发以及植株的生长发育（孙会军 等，2006；张恩平 等，2010；Liu et al.，2010；陈龙 等，2011）。研究表明，导致作物产生连作障碍的自毒物质主要是肉桂酸、苯甲酸、对羟基苯甲酸等酚类化合物，肉桂酸为其中代表物质，它能显著抑制植物根系生长和叶片光合色素的合成，降低根系的吸收能力、ATP酶活性、叶片对光能的吸收转化和光合作用速率，并最终影响植株的干物质积累（石晓艳等，2009；Liu et al.，2010）。

一般来说，豆科作物对连作敏感，重茬会显著降低其产量和品质。豌豆（Pisum sativum L.）被认为是最不耐连作的豆科作物之一（Saucke & Ackermann，2006）。目前，国内外对豌豆自毒作用已进行了初步研究，如喻景权和松井佳久（1999）研究发现豌豆栽培后的培养液对下茬豌豆幼苗生长具有显著的抑制作用，并从豌豆根系分泌物中鉴定出以肉桂酸、苯甲酸为代表的多种自毒物质。但有关豌豆自毒作用的研究仍停留在对自毒作用的论证与自毒物质的分离上，有关外源自毒物质对其生长发育的影响鲜见报道。本试验以极不耐连作的豌豆品种新西兰为试材，研究了外源肉桂酸对其幼苗生长发育以及叶绿素荧光特性的影响，以期为豌豆自毒作用研究的深入增加理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验在浙江省农业科学院杨渡科研创新基地玻璃温室内进行。2010、2011年对保存的豌豆种质资源进行连作抗性鉴定，筛选出极不耐连作品种新西兰（新西兰引进）。2012年春季，将种子直接播种于32孔穴盘，基质为蛭石，出苗后浇1/4浓度园试营养液（EC值为0.61dS·m-1）。当幼苗长到4片真叶时，移栽于长45cm、宽30cm、高15cm的塑料周转箱中进行水培，用白色泡沫板做成盖子，在泡沫板上面打8个直径1.5cm的圆孔，用海绵包裹幼苗下胚轴，然后植入孔中，每箱栽8株，盛12 L营养液。最初用1/4浓度园试营养液进行栽培，7d后换成1/2浓度园试营养液（EC值为1.26dS·m-1），此后保持此浓度，每3d更换1次营养液，栽培期间用电动气泵间歇性通气（40min·h-1），维持溶氧浓度为6～8mg·L-1。

1.2 试验方法

当幼苗长到6片真叶时，将肉桂酸溶于酒精中，然后将肉桂酸酒精溶液加入营养液中，根据预备试验结果，最终处理浓度为0.25mmol·L-1，以不加肉桂酸酒精溶液栽培的幼苗为对照。每处理16株，3次重复，随机排列。

1.3 测定项目

1.3.1 株高、茎粗及生物量的测定 处理后第8天，每处理取15株，用直尺测量株高，用游标卡尺测定茎粗（根茎部往上0.5cm处），收集植株地上部称其鲜质量，用去离子水洗净、吸干后放入烘箱115 ℃杀青15min，之后75 ℃下烘干至恒质量，称其干质量。

1.3.2 叶绿素荧光参数的测定 在处理后第0、2、4、6、8天，用PAM-2000便携式脉冲调制式叶绿素荧光仪测定叶绿素荧光参数。分别选取自上往下数第4片健康成熟叶片的中部，避开叶脉取左或右半部进行测定，每处理取3个叶样。每次测定前叶片进行暗适应20min，先用弱检测光测定初始荧光，随后照射饱和脉冲光（4500μmol·m-2·s-1），进行相关参数的测定（光通量密度600μmol·m-2·s-1，PAR）。Fv/Fm、ΦPSⅡ、qP、NPQ的值由DE-TACH软件直接读出。

1.3.3 光合参数的测定 光合参数采用LI-6400便携式光合仪进行测定。在处理后第0、2、4、6、8天，分别选取自上往下数第4片健康成熟叶片的中部进行测定，每处理取3个叶样。测定条件：开放式气体通路，流速为500mL·min-1，上午9：30～11：30读取数据，测定期间的空气温度为（26.0±3.0）℃，大气相对湿度为50%～70%，空气CO2浓度约为300μmol·mol-1。

1.3.4 叶绿素含量的测定 分别在处理后第0、2、4、6、8天，选取自上往下数第4片健康成熟叶片的中部，用直径0.7cm的打孔器每片叶取3个圆片，3次重复。叶绿素含量测定参照杨敏文（2002）的方法，类胡萝卜素含量的测定参照朱广廉等（1990）的方法。

1.4 数据处理

采用Excel软件进行数据处理，采用SPSS 11.5软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 外源肉桂酸对豌豆幼苗生物量的影响

由表1可以看出，肉桂酸对豌豆幼苗具有显著的毒害作用。0.25mmol·L-1外源肉桂酸处理8d后，豌豆幼苗的株高、茎粗、地上部鲜质量和地上部干质量分别比对照下降了26.67%、10.43%、32.02%和43.75%。另外，0.25mmol·L-1外源肉桂酸处理的植株干物率也显著低于对照，表明肉桂酸对豌豆幼苗的生长发育具有显著的抑制作用。

表1 外源肉桂酸对豌豆幼苗生物量的影响

2.2 外源肉桂酸对豌豆幼苗光合色素含量的影响

光合色素中叶绿素在植物的光能吸收、传递和转化过程中起重要作用，叶绿素含量降低是引起光合速率降低的主要原因。由图1可知，0.25mmol·L-1外源肉桂酸处理后，豌豆幼苗的叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量和类胡萝卜素含量均比对照显著降低，并随处理时间的延长下降幅度愈加明显；而未经外源肉桂酸处理的豌豆幼苗叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素、类胡萝卜素含量则处于一个相对稳定的状态，表明肉桂酸可抑制豌豆幼苗叶片光合色素的合成，并进而对其光合作用产生破坏。

2.3 外源肉桂酸对豌豆幼苗光合参数的影响

光合作用是植物最重要的生理过程之一，植物的生长发育与其光合性能之间存在着直接的相关性。由图2可知，未经肉桂酸处理时，豌豆幼苗叶片气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率和净光合速率均变化不大；0.25mmol·L-1外源肉桂酸处理后，豌豆幼苗叶片的各项指标均明显下降，并随处理时间的延长下降幅度显著增大，表明外源肉桂酸对豌豆幼苗的光合系统造成了明显的破坏，导致其光合系统受损，功能下降。

2.4 外源肉桂酸对豌豆幼苗叶绿素荧光参数的影响

图1 外源肉桂酸对豌豆幼苗光合色素含量的影响

图2 外源肉桂酸对豌豆幼苗光合参数的影响

如图3所示，未经肉桂酸处理时，豌豆幼苗PSⅡ最大光化学电子效率和实际光化学电子效率在前4d保持相对稳定，第6天急剧降低，第8天又显著升高；光化学猝灭系数和非光化学猝灭系数变化不明显。0.25mmol·L-1外源肉桂酸处理后，豌豆幼苗PSⅡ最大光化学电子效率、PSⅡ实际光化学电子效率、光化学猝灭系数和非光化学猝灭系数等指标均显著降低，并且处理时间越长，下降幅度越大，表明肉桂酸对豌豆光化学反应中心产生了破坏效应，导致其光能利用率降低，光合效率降低。

图3 外源肉桂酸对豌豆幼苗叶绿素荧光参数的影响

3 结论与讨论

研究表明，光合色素尤其是叶绿素含量的降低是自毒物质导致植物光合速率降低的主要原因。自毒物质导致植物叶片叶绿体内H2O2含量升高，高含量的H2O2诱导过氧化物酶（POD）大量合成，而POD氧化过程中产生的自由基可直接攻击叶绿素；H2O2也可以直接引发脂质过氧化，促进植物叶绿素的降解；光合作用直接发生在叶绿素类囊体膜上，叶绿素的降解必然导致光合速率的下降。另外，自毒物质可降低RuBP羧化酶的活性，它是叶片进行光合作用的关键酶，从而导致光合速率的下降（Amarjeet et al.，2005）。李亮亮等（2010）的研究表明，番茄根系腐解液显著抑制其幼苗生长，降低叶绿素a、叶绿素b以及类胡萝卜素等光合色素含量，进而对其生长发育产生抑制。本试验中，0.25mmol·L-1外源肉桂酸处理后，豌豆幼苗叶片叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素等光合色素含量均显著下降，表明肉桂酸可抑制豌豆幼苗光合色素的合成，进而对其光合作用产生抑制。

Saucke 和Ackermann（2006）的研究表明，自毒物质对植物光合作用的伤害首先体现在对PSⅡ活性中心的伤害上，导致其电子传递功能受阻，并进一步延伸到PSⅠ，最终导致其净光合速率下降。另外，自毒物质可使植物叶片qP降低，降低其光能利用率，使光能以热能的形式耗散，促进qN上升，降低实际光化学量子产额，抑制 PSⅡ复合体间的电子传递（马彦霞 等，2012）。本试验中，0.25mmol·L-1外源肉桂酸处理后，豌豆幼苗叶绿素荧光参数Fv/Fm、ΦPSⅡ、qP、qN均呈不同程度的下降，表明肉桂酸可以使豌豆幼苗PSⅡ活性中心受损，光能利用率降低。

净光合速率是光合作用的重要指标，也是影响植物生物量积累的重要因素（胡文海和喻景权，2001）。据报道，番茄根系腐解液处理可显著降低番茄植株气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）、蒸腾速率（Tr）等指标，导致其光合速率下降（李亮亮 等，2010）。周凯等（2009）的研究表明，菊花根际土壤水浸液处理可显著抑制菊花叶片Gs、Ci和Tr等生理代谢活动，同时其暗呼吸速率却显著升高，进而导致其净光合速率（Pn）下降，干物质积累受限。吴秀华等（2012）的研究也发现，自毒物质可显著抑制菊苣叶片气孔的开放和蒸腾速率，导致其水分和气体扩散受阻，净光合速率下降。本试验中，外源肉桂酸显著抑制豌豆幼苗叶片Gs、Ci、Tr等光合作用指标，导致其净光合速率降低，干物质积累受限。

综上所述，外源肉桂酸处理可使豌豆幼苗体内PSⅡ潜在活性中心受损，气孔开放受到抑制，导致其水分扩散和气体交换受阻，光合作用效率降低，并最终对其生长发育产生抑制作用。

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