（应用化学专业论文）地黄根系分泌物化感作用及其生物防治的研究.pdf

摘要 地黄是一种重要的常用传统补益中药，为玄参科植物。地黄的栽培在我国已 有悠久的历史，是我国出口的大宗药材之一，以量大质优著称于世，外销6 0 多 个国家和地区，深受各国人民的喜爱。但是地黄不能重茬种植，这样不仅增加药 农用工投入，生产成本提高，而且也限制了耕地资源的持续有效利用，随着药材 种植面积的加大，因连作障碍问题而导致耕地难以重复利用成为困扰药农的主要 问题，是制约地黄生产进一步发展的主要因素，是广大药农迫切要求解决的难题。 用g c m s 分析方法检测分析地黄根际土壤与未种地黄土壤中有机物质的差 异。分析得到文献报道过的亦或是可能具有化感活性的有邻苯二甲酸正丁酯、邻 苯二甲酸异丁酯、邻苯二甲酸二异辛酯、2 一甲氧基一5 一( 卜丙烯基) 苯酚、苯丙烯 酸、苯甲酸、卜二十一醇、3 一甲氧基- 4 - 羟基苯甲酸、邻苯二甲酸异癸基辛酯、 3 一甲基- 4 - 羟基苯乙酸、邻苯二甲酸癸基辛酯和卜十八醇。从中选做3 甲氧基4 羟基苯甲酸、苯甲酸、3 甲基- 4 羟基苯乙酸、肉桂酸、邻苯二甲酸异丁酯检测 生物活性，实验结果显示3 甲氧基4 羟基苯甲酸、苯甲酸、3 甲基4 羟基苯乙 酸对地黄块茎的膨大具有明显的抑制作用，而且浓度越高，抑制作用越强。肉桂 酸、邻苯二甲酸异丁酯在高浓度时对地黄块茎的膨大具有抑制作用，而肉桂酸在 浓度较低时却有促进作用。而地黄根际提取浓缩液对小麦，地黄块茎、地黄种子 的萌发以及对它们在苗期的生长发育也有一定的影响。 通过g c m s 分析方法，检测到了地黄根际土壤中存在大量的化感物质，其 中苯丙烯酸、苯甲酸、3 一甲氧基一4 一羟基苯甲酸、3 一甲基一4 一羟基苯乙酸有很强的 自毒作用。而对添加苯丙烯酸、苯甲酸、3 一甲氧基- 4 - 羟基苯甲酸、3 一甲基- 4 一 羟基苯乙酸等的盆栽地黄喷洒b - 1 根系活力生长素、美果膨大素发现，地黄的膨 大还是不很明显。本身自毒作用机制就时一个很复杂的过程。现阶段最好解除方 法还是换茬或是寻求优良的抗化感活性的新品种。 关键词：地黄，化感作用，g c m s ，生物防治 a b s t r a c t r e h m a r m i a g l u t i n o s a l i b o s c hi sa n i m p o r t a n t c h i n e s et r a d i t i o n a l m e d i c i n e b e l o n g t o f i g w o r t s e c t i o n i th a sb e e n p l a n t e dl o n g t i m ei no u r c o u n t r y a l s o ，w ee x p o tal a r g ea m o u n tr e h m a a n n i ag l u t i n o s ae v e r yy e a r , a n dl o t so f f o r e i g n e r sl i k ei tv e r ym u c h b u tr e h m a a n n i ag l u t i n o s ac a n n o tb ep l a n t e di nt h es a n l e f i e l df o rs e r i e so fy e a r s s of a r m e r sc h a n g e dt h ef i e l de v e r yy e a r , a n dp l u n g ei n t ot o o m a n yf o rr e h m a a n n i ag l u t i n o s ap l a n t i n g t h u s ，t h ec o n t i n u o u sc o r p p p i n gb e c o m i n ga s e r i o u sp r o b l e mo fr e h m a a n n i ag l u t i n o s ap l a n t i n g ，a n dt h ef a r m a e rp r e s sf o rs o l v i n g t h i sp r o b l e m i nt h i ss t u d yt h ed i s t i l l i n g sf r o mr h i z o s p h e r es o i lo fr e h m a r m i ag l u t i n o s aw e r e a n a l y z e db yg c m s t h er e s u l t s s h o wt h a te x i s t e dt w e l v ek i n d so fs p e c i a l a l l e l o p a t h i cc o m p o u n d si nt h er h i z o s p h e r es o i lo fr e h m a n n i ag l u t i n o s a ，w h i c hw e r e d i b u t y l p h t h a l a t e ； 1 , 2 b e n z e n e d i c a r - b o x y l i c a r d ；b i s ( 2 - m e t h y l p r o p h y l ) e s t e r ； 1 2 一b e n z e n d i c a r b o c y l i ce s t e r ；p h e n o l ，2 一m e t h o x y - 5 一( 1 一p r o p e n y l ) - ；c i r m a m i ca c i d ； b e n z o i ca c i d ；1 - o c t a d e c a n o l ；1 - h e n e i c o s a n o l ；b e n z o i ca c i d 3 m e t h o x y - 4 h y d r o x y ； b e n z e n e a c e t i c ，4 一h y d r o x y 3 一m e t h y l ，；1 , 2 b e n z e n e d i c a r b o x y l i c ，i s o d e c y l o c t y l e s t e r a n d1 , 2 一b e n z e n e d i c a r b o x y l i cd e c y l h e c y l e s t e r a n di th a sb e e n p r o v e d t h eb e n z o i ca c i d ；c i n n a m i ca c i d ；b e n z o i c a c i d ，3 一m e t h o x y - 4 - h y d r o x y ；b e n z e n e a c e t i c ，4 一h y d r o x y - 3 - m e t h y l - , p l a yt h ek e yr o l ei n a u t o t o x i c i t yo fr e h m a n n i ag l u t i n o s a a n dt h eh i g h e rc o n c e n t r a t i o nt h em o r es e r i o u s a u t o t o x i c i t y b u tc i u n a m i ca c i dc a l lb o o s tt h er e h m a n n i ag l u t i n o s ag r o w t hw h e ni n l o wc o n c e n t r a t i o n a l s ow eh a v e b e e np r o v e dt h e c o n c e n t r a t i v ee x t r a c t sf r o m r h i z o s p h e r es o i lo fr e h m a n n i ag l u t i n o s ac a l li n f l u e n c et h ep u l l u t i o no fw h e a ta n d r e h m a r m i ag l u t i n o s a t h e r ea r es om a n ya l l e l o c h e m i c a l si nt h er o o ts o i lo f r e h m a n n i ag l u t i n o s & e v e n b 1 、m e i g u o p e n g d a s uc a n n o ta l l e v i a t et h ea u t o t o x i c i t yo fb e n z o i ca c i d ；c i n n a m i c a c i d ；b e n z o i ca c i d ，3 一m e t h o x ) ，4 一h y d r o x y ；b e n z e n e a c e t i c ，4 - h y d r o x y 一3 m e t h y l 一，i n n o w a d a y s ，t h em o s te f f e c t i v ew a yi sc h a n g et h ef i e l do rt os e a r c han e wb r e e do f r e h m a n n i a g l u t i n o s aw h i c h c a l le a s et h ea u t o t o x i c i t y k e y w o r d s ：r e h m a n n i ag l u t i n o s a , a l l e l o p a t h y ，g c - m s ，b i o c o n t r o l i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包括其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得河南工业大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 论文作者签名： 丕卫殆丝 日期： 加办，- 谚 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河南工业大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借 阅；本人授权河南工业大学可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 盔! 丝缉 日期：丝1 2 ：笪 导师签名：日期：竺苎嘘：! ：! 有关知识产权的保证 本人所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。本人在校期间的研究成果及发表的论文，知识产权归河南 工业大学所有。本人毕业后发表的、以本人在校期间研究成果为基础完 成的论文、研究报告及其它科研成果，将署名河南工业大学为作者单位。 论文作者签名：盥鍪丝日期：丝2 王皇丝 导师签名：j 嫜日期：虫尹世 地黄根系分泌物化感作用及其生物防治的研究 第一章前言 1 1 课题的研究目的和意义 地黄( r e h m a n n i ag l u t i n o s al i b o s c h ) 是一种重要的常用传统补益中药，为玄参科 ( p e h m am a g l u t i n o s al i b o s c h ) 植物。地黄的新鲜或干燥块根，始载于神农本草经， 列为上品，具有滋阴清热，补血止血等功效。主产于河南、河北、内蒙古及东北， 现大部分地区有栽培。地黄入药有鲜、生、熟之分，将鲜地黄块茎烘焙至约八成干 即为生地黄，生地黄进一步炮制加工制得品称为熟地黄。三者虽同出一物，但因加 工炮制，其性味与归经、功能与主治则有所不同，详见下表1 1 【l 】。 表l 一1鲜地黄、生地黄与熟地黄的性昧与归经、功能与主治简介 近几年，随着世界范围内回归自然生活理念的兴起，人类医疗模式由传统的疾 病治疗向以预防、保健、治疗、康复相结合的转变，加上化学药品的研制难度大、 成本高、周期长、副作用大，国际市场对中草药的需求量越来越大，特别是亚洲国 家。地黄的栽培在我国已有悠久的历史，早在北魏贾思勰齐民要术( 公元5 3 3 5 4 4 ) q ，就对地黄栽培法有记载。地黄历来是我国出口的大宗药材之一，以量大质优 著称于世，外销6 0 多个国家和地区，深受各国人民的喜爱。仅1 9 7 8 1 9 8 8 年，出 口量就高达8 6 0 多万千克，为国家创造可大量外汇。随着我国经济建设的发展和国 际威信的提高，加入世贸组织后，地黄的出口量还会稳定增长，地黄产业将会优更 光明的市场前景和更广阔的销售市场。 但随着地黄种植面积的不断增加，地黄病虫害严重，药农对病虫害发生规律认 河南工业大学硕士学位论文 识不清，规范化管理意识差等因素严重影响了地黄的品质和产量。而且最为严重的 是地黄不能重茬种植，必须年年换地倒茬，间隔时间少则五年，多则十多年，这样 不仅增加药农用工投入，生产成本提高，而且也限制了耕地资源的持续有效利用， 随着药材种植面积的加大，因连作障碍问题而导致耕地难以重复利用成为困扰药农 的主要问题，是制约地黄生产进一步发展的主要因素，是广大药农迫切要求解决的难 题。 一种作物或同一种作物在同一块土地上连续种植，常常导致作物产量和品质下 降，这种现象被称为连作障碍【2 】。耳前，虽然对引起连作障碍的原因尚未完全清楚， 但可以肯定土传病虫害、土壤理化性质的劣变、自毒作用等是重要因素。其中土传 病虫害一直是连作障碍的研究重点，但随着连作障碍机理研究的深入，自毒作用日 益受到重视。自毒作用是化感作用的一种特殊形式，是发生在植物种内的化感作用。 人工林衰退、果园树木更新、咖啡园老化及水稻、苜蓿、大豆等作物连作障碍研究 结果表明，除土传病虫害，自毒作用也发挥重要作用1 3 j 。 1 2 化感作用简介 化感作用( a l l e l o p a t h y ，又称他感作用，异株克生作用) ，这个概念由澳大利亚 生物学家h m o l i s c h 4 , 5 1 于1 9 3 7 年首次提出，定义为所有类型植物( 含微生物) 之间通 过生物化学物质的相互作用，包括抑制和促进两方面，但是他对植物的化感作用研 究的具体内容未能作进一步的阐述。7 0 年代中期，e lr i c e l 6 根据m o l i s e h 的原始 定义和植物化感作用近4 0 年的研究成果，将植物化感作用定义为：一种活体植物( 供 体植物，d o n o rp l a n t ) 产生并通过挥发( v o l a t i t i z a t i o n ) 、淋溶( 1 e a c h i n g ) 、分泌( e x u d a t e s ) 和分解( d e c o m p o s m o n ) 等方式向环境释放化学物质而产生的对其它植物( 受体植物， r e c e i v e rp l a m ) 直接或间接的有害作用。8 0 年代中期，r i c e ( 6 1 将有益的作用和有毒作 用补充到植物化感作用的定义中，至此，r i c e 关于植物化感作用的定义被普遍接受。 值得一提的是：近年来，随着植物化感作用的研究深入，愈发感到，不能孤立考虑 植物与植物间的化学关系，整个生态系统存在着复杂的化学关系网。因此，许多学 者认为有必要增加化感作用的研究内容，扩大化感作用的基本定义。成立不久的国 际化感学会( i n t e r n a i o n a l a l l e l o p a t h ys o c i e t y , i a s ) ，1 9 9 6 年提出一个定义【凡“由植物、 真菌、细菌、病毒产生的化合物影响农业和自然生态系统中的一切生长与发育的作 地黄根系分泌物化感作用及其生物防治的研究 用”。 自毒作用【8 1 ( a u t o t o x i c i 劝是指植物通过地上部分淋溶、根系分泌、植物残茬及 气体挥发等途径释放的化学物质对下茬同种或同科植物生长产生抑制的现象，又称 自身化感作用( s e l f - a l l e l o p a t h y ) ，是植物因无益代谢物的过度积累而自身受抑制的现 象。 现已认为自毒是导致植物连作障碍的主要原因之一【2 】，植物自毒及化感促进作 用研究已成为化学生态学最活跃的领域之一。到目前为止，植物化感作用研究领域 涉及天然生态系统、农业生态系统及人工生态系统( 设施园艺等) 。研究内容包括化 感物质的分离与鉴定、化感作用的机理、研究方法与技术、克服自毒作用的对策等。 从化感作用的基本定义，不难看出，植物化感作用具有三个基本特征 9 1 ：相 互作用的主客体是植物，不包括植物和动物及其它有机体的相互作用；相互作用 的化学物质是植物的次生物质，而且必须有合适的途径进入环境中，不包括在植物 体内变化运转的次生物质；化感物质主要用于影响自身或临近植物的生长发育， 若用于植物间的化学通讯( 如报警) 或污染环境( 如一些树木释放挥发物和氧化氮形 成烟雾等) 也不属于化感作用的基本定义范围。诚然，限定一个科学研究领域的范围 是不足取的，而且现在化感作用己突破了其基本定义，否则会引起不必要的混乱。 特别注意的是化感物质和植物激素是两个根本不同的感念。植物激素是明确的化学 物质，到目前为止植物激素只有吲哚乙酸( 生长素) 、赤霉素、脱落酸、细胞分裂素、 乙烯五种化合物，多胺是否作为第六种植物激素，目前还在争论和证实中【1 0 】。而植 物生长调节剂缺失是对植物生长发育产生影响的物质，这与化感物质是一致的，但 必须注意目前所指和所应用的植物生长调节剂很少是植物次生物质，大部分是人工 合成的化学品。所以，和化感物质是不同的概念。但我们可以认为：那些从植物体 内产生的，而且能够有合适途径进入环境的植物生长调节物质可以认作化感物质( 如 天津农科院承担项目“化感生物活性催化剂及保护地蔬菜连作障碍调节技术的引进” 中所提取到的生物活性物质) 。 1 3 化感物质释放的途径及其次生代谢的过程 1 3 1 化感物质释放的途径 化感作用是植物个体之间通过化学物质为媒介的化学关系。植物体内产生和储 存许多的次生物质，这些众多的次生物质在植物的生长发育过程起着重要的作用， 河南工业大学硕士学位论文 这些次生物质对其它有机体能够产生有利或有害的作用，但是植物化感物质必须是 那些区别与植物与昆虫、植物与其它动物之间相互化学作用物质的唯一特征。另一 个方面，植物次生物质可以存在于植物的根、叶、茎、花、花粉、种子、果实等各 个器官中，但是大多数植物产生和储存的次生物质在正常条件下并不能释放到环境 中，即使能够释放到环境中的次生物质也不定能够产生化感效应。因此，只有那 些能够释放到环境中，并能对其它植物生长发育产生效应的次生物质才是真正意义 上的化感物质。植物化感物质存在于植物的各种器官中，种子、果实、芽和花粉中 的化感物质能保护植物不受损害，尤其是微生物的进攻。茎、叶组织是大量化感物 质的来源。根部的化感物质能够有效地保证根系的生长，尤其是在不利的土壤条件 下。在自然条件下，化感物质通过挥发、淋溶、根分泌、植物组织降解等途径进入 环境，但种子的萌发和花粉在风或昆虫作用下的传播也是化感物质释放到环境中的 有效途径。目前的研究结果主要集中在植物根系分泌和组织降解两方面。 化感物质无论是通过何种途径传播，释放到环境中的化感物质只可能是水溶和 油溶两种性质。雨雾淋溶和自然挥发是植物生长过程中经常发生的自然过程。雨雾 等自然水分因子能够从活体植物的茎、叶、枝、干等器官表面将化感物质淋溶出来， 对于水溶性的化感物质是很容易被淋溶到环境中的，一些油溶性的化感物质虽然在 水中的溶解度很小，但在一些其它物质的共溶情况下，也可以被雨雾淋溶到环境中。 虽然这些油溶的化感物质浓度很低，但他们一般具有较强的生物活性，足以产生化 感作用效应。另一个植物释放化感物质的自然途径是挥发。尤其是在干旱和半干旱 地区的植物。他们释放的挥发物质能够抑制或是促进临近植物的生长发育。 植物根部分泌的化学物质具有各种各样的功能，但只有少部分的根系分泌物或 其进一步的分解物是显示化感作用的，根系分泌物是指那些健康完整的活体植物根 系由根组织向土壤中释放化学物质，不同类型的植物根系以及同一根系的不同部分 能分泌不同类型和不同浓度的化学物质到土壤中。 自然挥发、雨雾淋溶和根分泌是活体植物向环境释放化感物质的有效途径，但 植物在生长过程中也常常出现植株的新陈代谢、组织损伤而使许多组织死亡，如落 叶和残根等，尤其是一年生的植物，大部分植株在完成生殖后成熟死亡，这些植物 残株构成了植物释放化感物质的第四个途径。笔者认为，地黄残株的腐解是其释放 化感物质的主要途径之一。 地黄根系分泌物化感作用及其生物防治的研究 通过研究发现，还有许多植物存在着种子萌发和花粉传播的生长发育阶段，所 有的被子植物都经种子萌发而生长。许多种子都含有大量的次生物质，种子包皮中 更是含有保护种子的化学物剧u 】。当种子开始萌发时，许多次生物质将进入环境土 壤中，这些次生物质对种子临近的土壤微生物或其它植物种子必将产生影响。而一 些植物通过自然风传播花粉，亦或通过昆虫授粉，一些花粉都能从植物进入环境。 花粉中同样含有许多影响其它植物的化感物质 3 0 1 ，这样，种子的萌发过程和花粉传 播也是植物向环境释放化感物质的有效途径。 1 3 2 化感物质的次生代谢过程 次生物质种类繁多，结果多样，目前从生物体中发现1 0 万个次生物质 7 1 ，而植 物是次生物质的主要来源( 8 0 ) ，其中具有各类生物( 理) 活性的次生物质约3 万个。 植物次生物质最重要的合成途径是【1 2 1 ：从糖和脂肪代谢，经由乙酰辅酶a ，甲羟 戊酸和异戊基焦磷酸盐到类萜化合物；从糖和氨基酸代谢，经由莽草酸和乙酸聚 乙酰途径到酚类化合物；从氨基酸到生物碱及含氮化合物。因此，虽然次生物质 种类繁多，但从其生物合成途径可以将次生物质分成酚类、类萜、含氮化合物和其 f 它次生物质四大类。植物化感物质【1 3 】也是由酚类、类萜和含氮化合物以及聚乙炔和i 香豆素类次生物质有机化合物的各个类型。 r i c e 等【6 】在大量研究基础上提出，引起植物化感作用的物质主要食植物体内次 生代谢产物，它们分布于植物的根、叶、枝、花、花粉、果实及种子中。根据它们 的性质和生化合成途径将其分为1 4 类，常见的几类物质有以下几种：香豆素类， 该类物质常见的有香豆素、七叶苷、七叶亭、新立霉素、白当归素、茴芹素、豆柠 檬烯等。单宁类，该类物质常见的没食子酸、双没食子酸、鞣花酸等水解单宁主 要抑制植物的固氮作用，而儿茶素和黄烷缩合成的缩合单宁则抑制硝化细菌活动。 类萜烯类化合物和甾类化合物，樟脑、桉树脑、水芹烯、蒎烯等等类萜烯类化合 物是植物化感作用中挥发性物质，该类化合物主要表现未抑制微生物活动。肉桂 酸及其衍生物，该类物质常见的有肉桂酸、反肉桂酸、香豆酸、咖啡酸、阿魏酸、 葡萄糖酯、绿原酸、绿原酸异构体等。蒽醌、萘醌几复杂醌类，该类物质大多数 由真菌产生，如醌茜素、长蠕孢菌素等，而高等植物产生的现已鉴定的化感物质有 胡桃醌。单酚不、苯甲酸及其衍生物，主要有没食子酸、原儿茶酸、脱氢莽草酸、 香草醛、丁香酸、熊甲苷、苯甲酸等。长链脂肪酸和聚炔类，该类已鉴定的物质 河南工业大学硕士学位论文 有油酸、花生酸、棕榈酸、豆蔻酸、硬脂酸聚乙炔等。简单的水溶性有机酸、直 链醇、脂肪醛和酮类，甲醇、乙醇、甲酸、乙酸、草酸、琥珀酸、苹果酸、柠檬酸、 丙二酸、酒石酸、丙酮、乙醛等简单有机酸、醇、醛，酮等有是抑制植物生长的物 质。简单不饱和内酯，圆弧青霉素、棒曲霉素、原白头翁素、仲山犁酸等不饱和 内酯都是对植物起抑制作用的化感物质。剩下的还有类黄酮、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。 ( 9 ) 可水解单宁( 鞣酸) 矗、 图1 - 1 化感物质的合成途径 子酸 化感物质是植物次生代谢过程中主要通过醋酸途径或莽草酸途径产生的。根据 结构和成分的不同，r i c e 分类的以上1 4 大类物质的可能合成途径综合为示意图 1 4 j ( 如1 51 - 1 ) 地黄根系分泌物化感作用及其生物防治的研究 1 4 化感作用的机理 植物化感作用的实现基本上要经历三个步骤 ”j ：主体植物产生化感物质并能 通过有效合适的途径释放到环境中；释放到环境的化感物质在自然条件下能够以 足够的浓度和活性形态到达受体植物；受体植物能够在化感物质的作用下并在一 定时间内受到损害或是促进。大多数情况下，植物释放到环境中化感物质的转化过 程时从大分子的结构转化成更小的分子，尤其是糖甙类化合物质。大多数糖甙类化 感物质时亲水或是水溶性的，往往具有较低或是没有化感活性，但进入环境，特别 时在土壤微生物的作用下，可以分解而形成高活性的化感物质。我们熟知的例子就 是桃树根释放糖甙的扁桃苷具有较低的化感活性，但经土壤微生物的作用则分解成 高毒性的氢氰酸和苯甲醛。 植物化感作用方式及其机制是一个十分复杂的生理生态过程 1 6 q 9 1 。上述及大多 数化感物质被认为是酚类或是萜类化合物，其作用方式是多方面的。它涉及到抑制 细胞分裂( 香豆酸、生物碱均有这方面的作用) ，修饰细胞壁建成，影响细胞代谢酶 活性如提高过氧化物酶( p o d ) 和吲哚乙酸酶( i a a o x i d a s e ) 活性，降低保护酶如过氧化 氢酶( c a t ) 、超氧化物歧化酶( s o d ) 活性，是细胞自由基含量增加，膜质过氧化加重， 从而改变内源激素水平及其平衡，影响细胞膜透性及其功能。此外，有文献报道认 为，化感物质还会影响受体植物根系吸收矿质营养、破坏光合色素及其合成、影响 气孔运动、改变植物体的水分关系、抑制蛋白质合成( 许多多酚化合物和生物碱均有 这种作用特性) ，某些单萜或倍半萜类化合物其作用浓度极低，能有效抑制受体植物 发芽，影响呼吸链和光合链中的电子传递和a t p 合成。总之，化感作用机理是一个 十分复杂的过程。 化感作用以及化合物的确定吸引了许多生物学家研究其作用机理i m - 。 。根据现 有研究结果表明，化感物质主要通过对细胞分裂与细胞膨大的影响、对膜功能的影 响、对水分状况的影响、对内源植物激素的影响、对离子吸收的影响、对呼吸作用 的影响、对光合作用的影响、对蛋白质合成的影响、对酶系统的影响和基因表达的 影响等方面影响植物的生长发育( 图1 - 2 ) 。研究结果主要集中于以下几方面： 河南工业大学硕士学位论文 膜功能失调 ( 结合结构运输能量) 细胞分裂与膨大 抑制植物生长与发育 图1 - 2 化感物质作用机制示意图 1 4 1 对膜功能和离子吸收的影响 细胞膜是化感物质作用的初始位点，它可以直接影响膜的结构和功能，进而影 响植物的生理生化代谢活动。化感物质对离子吸收的影响是通过对根细胞膜功能的 影响来实现的田】。水杨酸在较高水平时( i o m m o l l ) 就会改变质膜结构和渗透性，导 致膜功能丧失，对k + 吸收减少，同时增加k + 的外渗p _ 7 1 。b a z i v a m a k e n g a t a 8 】认为，化 感物质降低了细胞膜中琉基的含量，从而破坏了膜的完整性，导致根对养分吸收下 质 黝l 化 地黄根系分泌物化感作用及其生物防治的研究 降，细胞内物质的大量外渗。b a z i r a m a k e n g a 发现，经肉桂酸和苯甲酸处理大豆， 其根中p 、k 、m g 、m n 、c l 。、s 0 4 。、含量下降，2 ：1 1 、f e 含量上升，而枝条中c a 、 m g 、2 ：t l 积累，p 、f e 减少。 1 4 2 对光合和呼吸作用的影响 化感物质对光合作用的影响比较复杂。 首先，它可以通过调节生理代谢活动直接影响光合作用。据e i n h e l l i g 3 9 1 报道， 浓度5 0 0 n o l l 和7 5 0 p m o l l 的阿魏酸可降低天鹅绒幼苗光合速率，使离体叶片光 合速率下降1 3 ，同时伴随气孔传导下降、叶片阻力上升。m e r i s i e 和s i n g h ( 1 9 9 3 ) 发 现，浓度1 0 0 p m o l l 的阿魏酸、香草酸、香豆酸、绿原酸可使天鹅绒叶片光合作用 下降3 3 6 5 。 其次，化感物质也可以通过改变叶绿素的合成来间接影响光合作用。香草酸、 阿魏酸及p 香豆酸处理可降低大豆叶绿素含量，但对高粱不起作用 4 0 1 。经肉桂酸、 苯甲酸等l o 种化感物质处理大豆，在8 6 小时后，可使叶绿素含量显著下降。i n d e r j i t h 和d a k s l l i n i 在温室中的实验发现，水溶性酚酸明显降低石刁柏叶片中的叶绿素含量 和光合速率。 对线粒体悬浮液的研究表明，化感物质主要通过抑制线粒体的电子传递、氧化 磷酸化两种方式来影响植物的呼吸作用h “。肉桂酸、a 蒎烯通过影响氧气消耗和抑 制电子传递抑制植物的呼吸作用 4 2 1 。玉米花粉的乙醇提取液通过抑制电子传递、苹 果酸和琥珀酸之间的氧代谢来影响西瓜呼吸作用，抑制位点在细胞色素一c 前。而醌 类化合物s o r g o l e o n e 和胡桃酮在低浓度下就会对线粒体产生作用，并且这种毒害作 用对光合作用也产生影响，进而影响植物的生长。 1 4 3 对激素代谢的影响 对植物激素代谢影响的化感物质大多集中于酚酸类物质上。酚酸对激素代谢有 促进或抑制两方面作用，但各种酚酸对不同激素代谢的影响不同。l e s l i e 和 r o m i i l i ( 1 9 8 8 ) 通过细胞悬浮培养发现，水杨酸可以抑制乙烯的合成，但其他供试酚 酸则无这种作用。阿魏酸处理8 小时后， 升，并在处理后2 4 小时达到最高含量， 番茄、黄瓜植株体内a b a 的含量开始上 低浓度阿魏酸的促进作用大于高浓度时的 河南工业大学硕士学位论文 作用【4 3 】。p a y 和l a l o r a y a ( 1 9 8 4 ) 报道，低浓度的酚酸与g a 和a b a 混合在一起时， 具有抑制a b a 、促进g a 作用发挥的效应。而酚酸和a b a 处理可抑制莴苣种子发 芽和幼根生长，两者的作用表现为加性效应m 。尽管生物学家研究化感物质对激素 代谢较多，但化感物质的作用机制，目前尚无明确结论。 1 4 4 对基因表达的影响 w m k 等( 1 9 9 5 ) 利用组织培养方法研究了3 0 种生物碱对基因表达的影响，结果 表明，大多数生物碱具有化感作用，这些化感物质与d n a 紧密结合在一起，使d n a 的裂解温度提高5 ，同时阻止d n a 翻译和转录的进行，进而影响蛋白质的合成。 另外，每种化感物质的作用位点、作用强度各不相同，还可以同时选择多个分子目 标发生作用，进而影响细胞的有丝分裂【4 5 , 4 6 1 。 1 4 5 对根的生长及形态结构影响 现有研究成果表明，一些化感物质能严重抑制种子的萌发和根系的生长。如阿 魏酸( f e r u l i ca e i d ) 能有效抑制黄瓜根系的伸长和幼苗的生长；野生葫芦( s i c y o sd e p p e i ) 叶片浸提液能严重抑制玉米( z e am a y s l ) 、菜豆_ ( p h a s e o l u sv u l g a r i s l ) 、西葫芦 ( c u e u b i t ap e p o l ) 、葫芦( c u e u b i t af i e i f o l i a l ) 幼根的生长；芸香( r u t ag r a v e o l e n s l ) 叶 片浸提液抑制萝 ( r 。a p h a n u ss a t i v u s l ) 种子的萌发和幼根的伸长h 7 删】等。 化感物质也可导致植物根细胞多种细胞器受到破坏。利用鼠尾草( s a l v i a l e u e o p h y l l a ) 浸提物( 主为类菇化合物) 处理黄瓜幼根，结果导致根细胞多种细胞器受 损，他们由此认为：或者是由类菇化合物引起幼苗代谢异常而导致类脂化合物的增 加，或者是由化感物质导致植物不能有效利用营养物质和代谢途径的破坏造成的 【5 2 】。利用从亚麻养( c a m e l i n a ) 中分离出的苯胺处理亚麻( l i n u m u s i t a t i s i m u m ) 根，结果 表明：高浓度0 m g m l ) 的苯胺可显著抑制幼根的生长，根尖细胞中含有丰富的类脂， 细胞和许多细胞器模糊不清；用低浓度的苯胺( 0 1 m g m l ) 处理，液泡的数目则会增 加，核仁模糊不清瞪3 1 。研究还发现 5 4 1 ，用a m i t r o l e 处理过的豌豆( p i s u ms a t i v u m ) 幼 苗的根变得肿胀，根分生组织的有丝分裂之数目和频率下降。f a y e z 和k r i s t e n ( 1 9 9 6 ) 发现除草剂c h o r s u l f u r o n 可显著抑制豌豆( p i s u ms a t i v u m ) 、菜豆( p h a s e d u sv u l g a r i s ) 、 蚕豆f v i af a b al ) 幼根的生长，用电子显微镜观察对其根冠的影响，发现根冠最外 地黄根系分泌物化感作用及其生物防治的研究 层细胞分泌组织受到破坏；除草剂还能破坏平衡细胞( s t a t o - c y t e s ) 的淀粉体 ( a m y l o p l a s t s ) ，用荧光显微镜发现c h l o r s u l f u r o n 能引起细胞壁的加厚【5 5 5 6 1 。这些现 象同样出现在化感物质作为处理药剂的研究中【钢。同样，s i c y o sd e p p i 的叶片浸提 液对菜_ 豆( p h a s e d u sv u l g a d s ) 和葫芦( c u c u r b i t af i c i f o l i a ) 根超微结构的影响时也发现过 类似的现象，这可能与根冠分泌作用在早期还没有形成有关，由于不能分泌黏液， 除草剂或化感物质能轻易穿透细胞壁而进入分泌组织【5 鄹。 1 4 6 化感物质对酶系统的影响 化感物质可以影响许多生理过程。综合现有研究结果，化感物质对酶系统的影 响主要是通过改变酶活性，进而影响与其相关的生理生化代谢活动，最后影响植物 的生长发育1 6 3 1 。 d e v i 和p r a s a d 报道，阿魏酸处理发芽的玉米种子6 天后，其水解酶、麦芽糖酶、 磷脂酶、蛋白酶活性皆显著下降，而根、茎长度、干鲜重也均显著降低。苯甲酸、 肉桂酸对大豆根细胞膜的破坏，是通过改变膜上脂酶活性、抑制过氧化氢酶和过氧 化物酶活性来完成的。而肉桂酸及其衍生物通过抑制苯丙氨裂解酶的活性，控制苯 丙氨的代谢。f f i e b e 和r o t h 的研究结果表明，d i b o a 和b o a 在0 2 5 m m o l l 或更 高浓度下能显著抑制燕麦( a v e n as a t i v al ) 和蚕豆_ ( v i c i af a b al ) 根细胞质膜 w - a t p a s e 活性。将玉米培养在含有从始层土提取的腐殖质( h s ) ( m w 1 2 0 0 0 ) l 拘营养 液中，叶片中淀粉酶活性降低，但对a d p g 焦磷酸化酶没有影响，而蔗糖合成酶的 活性在叶片尖端组织被促进，在叶基部受到抑制，这表明对酶活性起促进还是抑制 作用与所测定的酶的种类及所检测的组织部位有关。从三色甘薯( i p o m o e at r i c o l o r ) 中分离出的植物毒素树脂糖苷混合物，能抑制稗草( e c h i n o c h l o ac r u s g a l l il ) 根细胞 质膜h + - a t p a s e 活性。植物毒素树脂糖苷的抑制作用可能是由于树脂直接与酶作用 或间接的通过蛋白质溶液起作用。含羞草碱( m i m o s i n e ) 在5 0 1 0 0 p p m 浓度下能显著 抑制粳稻硝酸还原酶、过氧化物酶及其同工酶、过氧化氢酶、i a a 氧化酶活性， m n vp r a s a d 和1 l s u b h a s h i n i 认为这是由于含羞草碱改变了这些酶的物理化学成分 引起的。 综上所述，每一种化感物质作用于植物的效应和机理都不同，且一种化感物质 常常具有多种生理作用5 9 1 。例如，水杨酸可影响膜的功能、矿质元素吸收和植物 河南工业大学硕士学位论文 水的关系 6 0 l ；类黄酮则干扰根细胞有丝分裂和细胞伸长、水分及光合作用【6 1 1 ；而高 粱对杂草的抑制作用是生氰糖苷、单宁、类黄酮、酚酸( 阿魏酸、香草酸、香豆酸、 丁香酸) 与p 苯醌共同作用的结果。这些化合物的抑制临界浓度为1 0 i | m o l l 苯醌 l m m o l l 酚酸，且可以影响受体的多种生理代谢活动。 任何一种植物都不只合成一种化感物质，植物化感作用是众多化感物质共同作 用的结果。一般而言，植物生成的化感物质不论多少，都存在着高活性和低活性或 无活性的差异。事实上，植物化感物质往往在自然生态系统中是共同起作用的，化 感物质间存在协同、加合和拮抗的作用。这也就使得化感作用的研究更复杂化。化 感物质问协同作用的机制由一下四个方面【6 2 】：抑制了受体对化感物质的解毒机 制；改变了飞活性化感物质的结构，激活了其活性；增强了化感物质穿透能力、 运输能力以及更易接近受体结构；同时影响两个或两个以上植物生物合成的过 程。化感物质问的拮抗作用刚好与协同作用相反。 另外，化感作用是植物在自然群落和农业生态系统中的一种相互化学关系，因 此，化感作用与环境紧密相关 6 4 1 。化感作用主要取决于植物本身的种类，对作物而 言，还取决于特定的品种。但植物化感作用必须在环境中才能表达，这样环境因子 必然对植物的化感作用产生影响。特定的情况下，环境因子对化感作用的表达是决 定性的，如在营养、光照、温度、湿度等因素的胁迫作用下，大部分植物为了生存 竞争分泌的化感物质都会发生显著的变化，因此，脱离环境来讨论化感作用是没有 意义的。 1 5 化感作用研究进展概况 1 5 1 国外研究进展 2 0 世纪6 0 年代，m u l l e r c h ( 1 9 6 9 ) 发现美国加州的荆棘丛与草本植物之间总存 在着l 2 m 的土壤裸露带，并通过研究发现，草本植物不能在这些灌木周围生长的 主要原因是他们能释放某种具有化感作用的萜类化合物，对草本植物的种子的萌发 和生长有抑制作用。 r i c e 通过对美国中南部俄克拉何马草原中废弃地植物的研究发现主要先锋杂 草产生的毒素抑制了自己和其它先锋杂草的生长，使其迅速消退。 进入7 0 年代，1 9 8 4 年r i c e 出版了( a l l e l o p a t h y ) 专著。1 9 7 5 年，p u t n a m 等研 地黄根系分泌物化感作用及其生物防治的研究 究发现不同品种的黄瓜具有不同程度的化感能力，并建议用具有强烈化感特征的品 系材料和商业品种进行杂交，可以培养出抗草害的黄瓜新品种，在这里不得不提一 下p u t n a m 和t a n g 合编的t h es c i e n c eo f a l l e l o p a t h y 是一部关于化感作用的经典 著作；随后b l u m 4 9 ( 1 9 8 7 ) 等人对黄瓜的化感作用进行了深入系统的研究，而抗草害 的黄瓜新品种也培育成功。 8 0 年代，国际上对植物化感作用的研究显现了蓬勃发展的生机，植物化感作用 的研究得到了深入的发展，如发现植物释放的化学物质对植物分为有害的和有益的 两种。许多科学家对植物化感物质的种类、成份、释放途径、作用方式及其相互之 间的作用关系进行了深入研究和探讨，得出了许多有意义的数据和结论，丰富和发 展了植物化感作用理论，并在生产实践中得到了广泛的应用，取得了很大的经济效 益：如在农林业生产实践和研究中，陆续发现许多农作物或林木释放化学物质对自 身产生毒害作用是农作物是农作物连作障碍和人工林衰退的主要原斟7 ”，从而揭示 了植物化感作用可以在种间进行，也可以在种内进行。 特别是进入8 0 年代后，随着色谱技术、质谱技术、光谱技术、核磁共振技术 等的发展，出现了许多用于研究未知物的结构和浓度的仪器，如高效液相色谱仪、 气相色谱仪、质谱仪、液质联用仪、气质联用仪等。这些仪器对于研究物质的结构 起到了很大的促进作用，推动了植物化感物质的深入研究和探讨删。根分泌物中的 酚酸是重要的化感物质 6 9 1 等，在研究水稻连作减产的原因时发现，水稻秸杆腐解以 及根分泌物作用可释放大量的酚酸物质，其中包括对羟基苯甲酸、香豆酸、丁香酸、 香草酸、杏仁酸和阿魏酸。t a n g 7 0 等研究了b i g a l t al i m p 0 伊a 嚣根系分泌物的化感 作用时指出，根分泌物中的作物生长抑制剂主要是酚类化合物，并用气一质联用仪分 离检测出了苯甲酸、苯乙酸、肉桂酸等1 6 种酚类化合物，y u ( 1 9 9 7 ) 从黄瓜根系分泌 物中鉴定出对轻基苯甲酸、苯甲酸等酚酸化合物，并证明这些物质对黄瓜吸收养分 有直接的阻碍作用。由此可见，根分泌物中的有机酸和酚酸在植物的根际营养和植 物间的化感作用中起着重要的作用。a n n a w a l l s t e d t m a r i e c h a r l o t t e n i l s s o n 等在a m e t h o dt oq u a n t i f yt h ea l l e l o p a t h i cc o m p o u n db a t a t a s i n - 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