小麦秸秆有机酸组分的GC-MS分析及其对牛筋草的化感效应

刘小民，许贤，李秉华，王贵启，张焕焕

（河北省农林科学院粮油作物研究所，河北石家庄050035）

小麦秸秆有机酸组分的GC-MS分析及其对牛筋草的化感效应

刘小民，许贤，李秉华，王贵启*，张焕焕

（河北省农林科学院粮油作物研究所，河北石家庄050035）

有机酸类化合物是重要的化感活性物质之一，为了明确小麦秸秆中有机酸类化合物的组分及其对牛筋草的化感效应，探讨其对牛筋草的化感作用机理，利用GC-MS方法对小麦秸秆不同部位的有机酸组分进行了定性和定量分析，结果表明，从小麦秸秆中共鉴定出22种有机酸组分，包含15种饱和脂肪酸、4种不饱和脂肪酸和3种酚酸，其中，从茎部鉴定出的有机酸种类最多，有17种，从穗部和根部各鉴定出11种。对水溶性有机酸的进一步分析结果表明，阿魏酸、柠檬酸、肉桂酸是小麦秸秆中含量较高的3种有机酸组分。利用室内生物测定法研究了外源有机酸标准品对牛筋草种子萌发及幼苗生长的影响，结果表明，阿魏酸和柠檬酸均对牛筋草种子萌发及胚轴生长具有“低促高抑”的浓度效应，肉桂酸对牛筋草种子萌发及胚根生长始终表现抑制作用，并且3种有机酸对牛筋草胚根生长的抑制作用显著高于胚轴。

小麦秸秆；GC-MS；有机酸；牛筋草；化感作用

黄淮海地区是典型的小麦-玉米两熟制种植区，秸秆还田模式在该地区应用相当普遍。小麦经过联合收割机收获之后，秸秆得以粉碎还田，还田秸秆在土壤中经过水分淋溶或微生物腐解，化感物质得以释放，从而影响杂草种子的萌发及幼苗生长[1，2]。研究发现，小麦秸秆水浸提液对牵牛花、稗草、黑麦草、牛筋草、白茅等多种杂草，甚至一些抗药性杂草种子的萌发及生长具有抑制作用[3～5]。

化感物质根据结构的不同，可分为水溶性有机酸、直链醇、脂肪族醛和酮，简单不饱和内脂，长链脂肪酸和多炔，醌类，苯甲酸及其衍生物，肉桂酸及其衍生物，香豆素类，类黄酮类，单宁，类萜和甾类，氨基酸和多肽，生物碱和氰醇，硫化物和芥子油苷，嘌呤和核苷，计14类[6～8]。迄今发现的化感物质以有机酸、酚类及萜类化合物为主[9，10]。研究表明，有机酸类化合物对杂草种子萌发及幼苗生长具有化感作用。董立尧等[11]研究了扬麦158秸秆中的有机酸、生物碱、酚类及中性物质对千金子的化感作用，发现这4类物质中有机酸类物质对千金子萌发的抑制率最高。刘苏闽等[12]利用室内生物测定及GC-MS方法鉴定出油菜茎和根的水浸提液中抑制千金子种子萌发的化感物质为有机酸，主要成分有油酸、棕榈酸、芥酸等7种。贾春虹[13]研究表明，小麦秸秆水浸提液对反枝苋、稗草、苘麻的幼苗生长具有显著的抑制作用，HPLC分析其主要的化感物质为对羟基苯甲酸、香草酸、阿魏酸和肉桂酸。

前期研究结果表明，小麦秸秆水浸提液对牛筋草种子的萌发及幼苗生长具有一定的化感作用，并且秸秆不同部位水浸提液对牛筋草的化感作用不同。作者利用GC-MS方法对小麦秸秆不同部位中有机酸类化感物质进行定性和定量分析，并利用外源有机酸标准品对牛筋草种子萌发及幼苗生长进行生物测定，旨为明确小麦秸秆的控草作用机理提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

参试小麦品种为冀丰703，秸秆样品采自河北省农林科学院粮油作物研究所堤上试验站。牛筋草种子采集于河北省农林科学院粮油作物研究所堤上试验站的田间。

1.2 试验方法

1.2.1 甲酯化及萃取分别准确称取小麦秸秆穗部、茎部和根部样品各1 g，置于100 mL具塞的锥形瓶中，加入12.5%硫酸甲醇溶液50 mL，混匀后放入35℃的水浴摇床中恒温振荡（转速120 r/min），酯化24 h；滤去残渣，将滤液倒入盛有40 mL蒸馏水的分液漏斗中，分别用20 mL二氯甲烷萃取3次，萃取液中加入无水硫酸钠10 g干燥过夜；最后，把二氯甲烷萃取液在旋转蒸发器上浓缩至适量，定容至5 mL。

1.2.2 GC-MS分析将甲酯化的产物1滋L注入Thermo DSQ II气相色谱-质谱联用仪，载气为氦气，脉冲分流进样；分流比5∶1，HP-5MS毛细管柱（30 m× 0.25 mm×0.25滋m）。进样口温度250℃，色谱柱初始温度60℃，保持2 min；升温速率10℃/min；终止温度240℃，保持20 min。电离方式EI，电离能量70 eV，离子源温度220℃，扫描范围45～550 amu。得到分离后的总离子流图和各组分质谱图。使用NIST谱库进行图谱检索，并使用面积归一化法计算各种物质的相对含量。

1.2.3 有机酸对牛筋草种子萌发及幼苗生长的影响参照王璞等[14]的方法，将水溶性有机酸阿魏酸、肉桂酸、柠檬酸分别设750.0、500.0、250.0、125.0、62.5 mg/L计5个浓度梯度。选取饱满、大小一致的牛筋草种子，均匀摆放于铺有滤纸的的培养皿（直径9 cm）中，每个培养皿中放50粒种子，滴加有机酸处理液5 mL，以蒸馏水处理作为对照（CK），每个处理均3次重复。用Parafilm封口膜将培养皿密封，然后置于28℃培养箱中培养。5 d后，统计牛筋草种子的发芽率。参照上述方法，选取28℃催芽36 h、露白一致的杂草种子20粒进行室内生物测定，培养7 d后，分别测量牛筋草幼苗的高度及根长。

1.3 数据统计

试验数据均采用Microsoft Excel 2010和SPSS 17.0软件进行统计分析，利用Duncan’s法进行单因素差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 小麦秸秆有机酸组分的GC-MS分析

通过与NIST谱库中的标准物质进行匹配，筛选得到一些匹配度较高的化合物。结果（表1）显示，从小麦秸秆中共鉴定出22种有机酸组分，其中，饱和脂肪酸15种，不饱和脂肪酸4种，酚酸3种；而且，小麦秸秆不同部位的有机酸类化合物组分有较大差异。从小麦秸秆茎部鉴定出的有机酸类组分最多，共有17种，其中，柠檬酸相对含量最高，为24.81%；其次是阿魏酸，相对含量为15.69%。从小麦秸秆穗部鉴定出的有机酸类组分有11种，其中，亚油酸相对含量最高，为22.98%；其次是棕榈酸，相对含量为17.92%。从小麦秸秆根部鉴定出的有机酸组分有11种，其中，阿魏酸相对含量最高，为20.01%；其次是棕榈酸，相对含量为11.83%。水溶性是化感物质能在自然条件下显示化感效应的重要因素，雨雾淋溶是植物中的化感物质释放至外界环境中的有效途径之一[6]。对小麦秸秆中的水溶性有机酸组分进行进一步分析，结果显示，水溶性有机酸类化感物质阿魏酸、柠檬酸在小麦秸秆穗部、茎部和根部均能被检测到，其中，阿魏酸的相对含量分别为2.89%、15.69%及20.01%，柠檬酸的相对含量分别为5.48%、24.81%及3.75%；肉桂酸仅在小麦秸秆穗部被检测到，相对含量为8.41%。

表1 小麦秸秆不同部位有机酸组分的GC-MS鉴定结果Table1 GC-MS analysis results of organic acids contents in different segments of wheat straw

2.2 有机酸对牛筋草种子萌发及幼苗生长的影响

2.2.1 对牛筋草种子萌发的影响不同浓度的阿魏酸、肉桂酸、柠檬酸处理，对牛筋草种子发芽率的影响明显不同（表2）。阿魏酸和柠檬酸处理对牛筋草种子发芽率的影响均表现出低浓度促进、高浓度抑制的作用趋势，其中，62.5 mg/L浓度处理时，牛筋草种子的发芽率分别较CK提高7.4%和4.9%，表现出明显的促进作用；随着处理浓度的增大，牛筋草种子的发芽率逐渐降低，750 mg/L浓度处理时牛筋草种子的发芽率仅分别为9.9%和34.0%，表现出明显的抑制作用。肉桂酸在参试剂量下对牛筋草种子发芽始终表现为抑制作用，其中，62.5 mg/L浓度处理时，牛筋草种子的发芽率仅为30.3%，与CK差异达到了显著水平；浓度≥250 mg/L时，牛筋草种子的发芽率均为0，完全抑制了牛筋草种子萌发。

2.2.2 对牛筋草幼苗生长的影响阿魏酸、肉桂酸、柠檬酸处理对牛筋草胚轴和胚根生长的影响明显不同，但均表现为对牛筋草胚根生长的抑制作用明显大于胚轴（表3）。3种有机酸在参试剂量下，对牛筋草胚根生长均表现出明显的抑制作用，且这种抑制作用随着处理浓度的增大而逐渐增强，其中，阿魏酸、肉桂酸、柠檬酸62.5 mg/L浓度处理时，对牛筋草胚根长度的抑制率分别为21.6%、74.2%和26.2%，胚根长度与CK差异均达到了显著水平；阿魏酸处理浓度≥500 mg/L、肉桂酸处理浓度≥125 mg/L、柠檬酸处理浓度为750 mg/L时，牛筋草胚根停止生长，抑制率达到100%。3种有机酸对牛筋草胚轴生长的影响与对胚根生长的影响不同，表现出明显的“低促高抑”效应。阿魏酸、肉桂酸、柠檬酸62.5 mg/L浓度处理对牛筋草胚轴生长均表现出明显的促进作用，胚轴长度分别较CK增加了60.6%、12.7%和129.6%；浓度为125 mg/L时，即对牛筋草胚轴生长表现为抑制作用，且这种抑制作用随着处理浓度的增大而逐渐增强，其中，阿魏酸和柠檬酸处理浓度为750 mg/L、肉桂酸处理浓度≥250 mg/L时，牛筋草胚轴停止生长，抑制率达到100%。

表2 参试有机酸对牛筋草种子发芽率的影响（%）Table2 Effect of organic acid on the goosegrass seed germination rate

表3 参试有机酸对牛筋草幼苗生长的影响Table3 Effect of organic acid on the goosegrass seedling growth

3 结论与讨论

有机酸类化合物广泛存在于植物体内及根际土壤中，是非常重要的化感物质之一。研究表明，阿魏酸、肉桂酸和柠檬酸对菟丝子、莴苣、杉木、小白菜等多种植物的种子萌发及幼苗生长具有化感效应[15～18]。阿魏酸被普遍认为是1种对多数植物存在化感作用的水溶性有机酸类化合物，广泛存在于小麦、水稻、黄瓜、苜蓿等植物中[19，20]。柠檬酸是植物三羧酸循环的重要中间产物，也是产生能量的重要途径，广泛参与种子由休眠状态进入萌发过程和幼苗生长过程期间的各种代谢[21]。肉桂酸可以改变植物体内的丙二醛含量、过氧化物酶活性以及叶绿素含量，从而对植物的种子萌发及幼苗生长产生化感作用[22，23]。

本研究结果表明，小麦秸秆中含量较高的水溶性有机酸类化合物有阿魏酸、肉桂酸和柠檬酸。小麦秸秆根、茎、穗部均能检测到阿魏酸和柠檬酸的存在。阿魏酸和柠檬酸对牛筋草种子萌发具有“低促高抑”的浓度效应。生物测定结果表明，外源阿魏酸、肉桂酸、柠檬酸对牛筋草胚根生长的抑制作用显著大于胚轴。张志忠等[24]认为化感物质在植物生长期间发挥作用，首先通过根系被植株吸收，因而其受到的影响也会较其他部分更加显著，本研究结果与其研究结果一致。化感物质可以影响杂草体内的水分代谢、矿物质吸收、光合作用等多种生理生化过程，是一个错综复杂的调控体系，关于小麦秸秆对牛筋草生长发育的化感作用机理还有待进一步研究。

［1］柴强，黄高宝.植物化感作用的机理，影响因素及应用潜力［J］.西北植物学报，2003，23（3）：509-515.

［2］Bhadoria P.Allelopathy：a natural way towards weed management［J］.American Journal of Experimental Agriculture，2011，（1）：7-20.

［3］刘小民，边全乐，李秉华，樊翠芹，许贤，王贵启，梁双波.小麦秸秆不同部位水浸液对牛筋草的化感作用研究［J］.中国农学通报，2013，29（27）：58-63.

［4］Lam Y，Sze C W，Tong Y，Ng T B，Wai T C，Wen H C，Xiang Q，Lin X，Zhang Y.Research on the allelopathic potential of wheat［J］.Agricultural Sciences，2012，3（8）：979-985.

［5］赵媛，郑永权，董丰收，姚建仁.小麦幼苗及其次生代谢产物丁布对杂草的异株克生活性［J］.植物保护，2005，31（3）：23-26.

［6］张学文，刘亦学，刘万学.植物化感物质及其释放途径［J］.中国农学通报，2007，23（7）：295-297.

［7］董章杭，林文雄.作物化感作用研究现状及前景展望［J］.中国生态农业学报，2001，9（1）：80-83.

［8］Rice E L.Allelopathy［M］.New York：Academic Press，1974.

［9］Li ZH，Wang Q，Ruan X，Pan C D，Jiang D A.Phenolics and plant allelopathy［J］.Molecules，2010，15（12）：8933-8952.

［10］张豆豆，梁新华，王俊.植物根系分泌物研究综述［J］.中国农学通报，2014，30（35）：314-320.

［11］董立尧，王鸣华，武淑文，沈晋良.小麦对直播稻田千金子的化感作用及化感物质分离鉴定［J］.中国水稻科学，2005，19（6）：551-555.

［12］刘苏闽，王奎萍，董立尧.油菜对千金子的化感作用及其化感物质分离鉴定［J］.杂草科学，2010，（3）：5-8.

［13］贾春虹.小麦秸秆覆盖对玉米幼苗和马唐等杂草的化感效应研究［D］.北京：中国农业大学，2005.

［14］王璞，赵秀琴.几种化感物质对棉花种子萌发及幼苗生长的影响［J］.中国农业大学学报，2001，6（3）：26-31.

［15］王宁，余晓光，李卫军，切彩，陈景芋.四种化感物质对苜蓿和菟丝子种子萌发及幼苗生长的影响［J］.

新疆农业科学，2008，45（5）：875-879.

［16］李巧峡，安珂，付亚娟，周琦，赵庆芳，杨宁，孙坤.阿魏酸对莴苣幼苗根生长发育的影响［J］.兰州大学学报：自然科学版，2013，49（5）：688-692.

［17］叶文斌，樊亮，贠汉伯.阿魏酸对甘肃道地中药材纹党的化感作用研究［J］.中国农学通报，2012，28（31）：231-236.

［18］曹光球，林思祖，黄世国.阿魏酸和肉桂酸对杉木种子发芽的效应［J］.植物资源与环境学报，2001，10（2）：63-64.

［19］王德胜.不同品种小麦化感物质在土壤中的滞留，迁移及其活性变化研究［D］.杨凌：西北农林科技大学，2008.

［20］赵瑞林，蔡立群.紫花苜蓿根系分泌物的鉴定及羟基苯甲酸的化感效应研究［J］.中国农学通报，2013，29（35）：34-41.

［21］邢素芝，汪建飞，蔡丹.柠檬酸和苹果酸对小白菜种子萌发和细胞膜透性的影响［J］.中国农学通报，2007，23（9）：312-316.

［22］王茹华，周宝利，张启发，廉华，付亚文.茄子根系分泌物中香草醛和肉桂酸对黄萎菌的化感效应［J］.生态学报，2006，26（9）：3152-3155.

［23］Ye S F，Zhou Y H，Sun Y，Zou，L Y，Yu J Q.Cinnamic acid causes oxidative stress in cucumber roots，and promotes incidence of Fusarium wilt［J］.Environmental and Experimental Botany，2006，56（3）：255-262.

［24］张志忠，孙志浩，陈文辉，林文雄.有机酸类化感物质对甜瓜的化感效应［J］.生态学报，2013，33（15）：4591-4598.

GC-MS Analysis of Organic Acids in Wheat Straw and Allelopathic Effects on Goosegrass

LIU Xiao-min，XU Xian，LI Bing-hua，WANG Gui-qi*，ZHANG Huan-huan
（Institute of Cereal and Oil Crops，Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences，Shijiazhuang 050035，China）

Organic acids are one of the most important allelochemicals.In order to determine the organic acids in wheat straw and evaluate its allelopathic effects on goosegrass，qualitative and quantitative analysis of organic acids in roots，stems and spikes of wheat straw were conducted using the GC-MS method.The results showed that 22 organic acids were identified，including 15 saturated fatty acids，4 unsaturated fatty acids，and 3 phenolic acids.There were 17 organic acids in stems of wheat straw，and 11 organic acids in roots and spikes，separately.Water soluble organic acids analysis showed that there were high contents of ferulic acid，cinnamic acid and citric acid in wheat straw.Results of effects of exogenous organic acid standards on the germination and seedling growth showed that ferulic acid and citric acid promoted the germination and hypocotyl growth of goosegrass at low concentrations，but inhibited it at high concentrations，but cinnamic acid always inhibited the germination and radicle growth.The inhibition effects of three organic acids on the radicle growth were obviously larger than the hypocotyl.

Wheat straw；GC-MS；Organic acids；Goosegrass（Eleusine indica）；Allelopathy

S512.1

：A

：1008-1631（2016）06-0058-04

2016-07-05

国家科技支撑计划项目（2012BAD19B02）

刘小民（1981-），男，山东莱阳人，助理研究员，博士，主要从事杂草生态学及除草剂抗性机理研究。E-mail：xiaominliu1981@gmail.com。

王贵启（1971-），男，河北献县人，研究员，主要从事农田杂草治理研究。E-mail：wt3326@sina.com。