【毕业学位论文】（Word原稿）紫茎泽兰水浸液与根分泌物的化感作用分析生物化学与分子生物学硕士论文

密级 论文编号： 中国农业科学院 硕士学位论文 紫茎泽兰水浸液与根分泌物的化感作用分析 ( s ( I 摘 要 紫茎泽兰是一种入侵性极强 的外来杂草， 目前已在我国西南的云南、四川、广西、贵州、重庆等地 广泛分布且危害严重。该草强烈的化感作用可能是其入侵后发展成为单种优势群落的重要原因。本文模拟化感物质释放的淋溶途径和根分泌途径，采用室内生物测定的方法，分别测定了紫茎泽兰水浸提液和根系分泌物对几种受体植物的化感作用，并初步鉴定了紫茎泽兰水浸提液和根系分泌物中的主要化感物质。主要研究结果如下： 1紫茎泽兰水浸提液对 6 种植物：黄瓜、三叶草、苜蓿、莴苣、黑麦草、 稗草化感作用的生物测定结果表明，受体植物的种子萌发和幼苗生长均受 到明显的抑制，且浸提液对受体植物幼苗的 抑制作用要强于对种子萌发的作用，对种子的影响主要有抑制萌发和延迟萌发两种作用形式， 根长和芽长 生长 受到 抑制，使幼苗在形态上明显发生畸形；相同浓度下紫茎泽兰地上部分水浸提液的化感作用明显强于其地下部分水浸液的化感作用；浸提液对受体植物种子萌发中根的抑制作用明显强于对芽的影响。紫茎泽兰对受体植物化感作用受浸提液浓度的影响，且表现对不同种受体植物不同的化感效应，中低浓度（ 提液对 同属 莴苣有促进作用，在高浓度（ 才表现出显著抑制作用，对豆科 苜蓿也在高浓度（ 才表现显著抑制作用； 浸提液 中低浓度（ 葫芦科黄瓜，豆科三叶草及禾本科黑麦草和稗草即表现出显著或极显著化感抑制作用，且 化感作用大小随组分浓度增加而增加。 分析显示，发芽速度指数较发芽率对种子萌发敏感，更适合于评价化感作用潜势。 2. 紫茎泽兰 水浸提液对黑麦草和苜蓿成株化感作用的结果表明，在 度以上时，分别显著抑制黑麦草和苜蓿的根长、株高、鲜重、根系活力等指标。 3. 地 上部自然枯落物水浸液对受体植物化感测定的结果显示，当浓度达到 以上时，黄瓜、白菜、三叶草、黑麦草的发芽率、发芽速度指数、根长、芽长及鲜重等各指标在处理与对照间产生显著性差异。 4. 紫茎泽兰根系分泌物的二氯甲烷提取物在 10 度下，对苜蓿、三叶草、黑麦草种子萌发及幼苗生长均表现出化感抑制作用。 5. 分别采用乙酸乙酯提取紫茎泽兰水浸液的酸性、中性、碱性组分和采用 附树脂提取紫茎泽兰化感成 份 ，然后分别生测对受体植物的化感作用的结果显示，苜蓿、黑麦草、黄瓜的 种子萌发和幼苗生长受到抑制，其中黑麦草受到的化感影响最大。水浸液提取物中，中性组分对受体植物的萌发和生长抑制作用较其它三种组分强。 6. 运用 别对紫茎泽兰水浸液的上述 4 种组分进行初步分析鉴定的结果显示，中性组分的化学物质主要为 11 种， 多为酯类和萜烯类，其中 5 种为 9性组分、酸性组分和 附树脂的组分分别含有 5、 4 和 3 种主要化学物质，且均在中性组分中出现。 结合提取物的生物测定结果初步推断， 9紫茎泽兰根系分泌物二氯 甲烷提取物的 析结果显示，提取物中主要以酯类物质为主。 茎泽兰植株和枯落物水浸液及根分泌物中均存在抑制植物种子萌发和幼苗生长的化感物质，茎叶淋溶是紫茎泽兰产生化感作用的主要形式，枯落物淋溶和根系分泌也是紫茎泽兰产生化感作用的重要途径。本文的系统研究结果进一步佐证了化感作用在紫茎泽兰种群扩展中的作用，丰富了外来杂草入侵的“新武器假说”（化感作用假说），为外来杂草的入侵机理和种群扩张机制研究提供了一定的理论依据。 关键词 ：紫茎泽兰，化感作用，水浸液，根分泌， ( ( is a it in of be to to of in of on in of as of . on in of to to of of of in on of of by of of of of at ml g DW/. of by at g DW/of at g DW/It of to of 2. of on of in of of of ml to ml to . of of in of of of of 4. at 0 ml to of 5. by on of 6. in , 4 in By of in of of of of of of . is of of an in . of to of , V 目 录 第一章 紫茎泽兰入侵生物学及化感作用研究进展 . 1 茎泽兰入侵生物学研究现状 . 1 茎泽兰的形态特征 . 1 布范围及可能扩散的区域 . 1 茎泽兰的危害 . 2 茎泽兰入侵的生物学、生态学基础 . 2 物化感作用研究概况 . 5 物化感物质 . 5 感物质的释放途径 . 6 物化感作用的机理 . 8 茎泽兰化感作用研究进展 . 10 题依据 . 11 第二章 紫茎泽兰水浸液的化感作用及化感物质的 初步 鉴定 . 12 验材料与方法 . 12 验材料 . 12 验方法 . 13 果与分析 . 18 茎泽兰水浸提液对种子萌发和幼苗生长的影响 . 18 茎泽兰水浸提液对植株的影响 . 26 茎泽兰枯落物对受体植物的化感影响 . 28 茎泽兰水浸液有机提取物不同组分的化感作用 . 31 茎泽兰水浸液有机提取物不同组分的化感物质 . 35 论与讨论 . 44 第三章 紫茎泽兰根系分泌物的化感作用及化感物质的 初步 鉴定 . 46 验材料 与方法 . 46 试验材料 . 46 试验方法 . 46 果与分析 . 48 茎泽兰根分泌物有机提取物 的化感作用 . 48 茎泽兰根 分泌物有机提取物 的 化感物质 . 50 论与讨论 . 52 第四章 结论 与展望 . 54 论 . 54 得继续研究的相关问题 . 55 研究的创新之处 . 55 参考文献 . 57 致谢 . 62 作者简历 . 63 中国农业科学院硕士学位论文 第一章 引言 1 第一章 紫茎泽兰入侵生物学及化感作用研究进展 紫茎泽兰俗称破坏草，学名为 R. M. H. E. E. . B. K. ，英文名为 菊科（ 兰属（ .）多年生杂草。原产墨西哥 ， 现分布于世界 30 多个国家。自二十世纪 40 年代传入我国云南边境后迅速蔓延扩散，现已在我国西南地区广泛分布。 茎泽兰入侵生物学研究现状 茎泽兰的形态特征 成株：根茎粗壮，横走；茎直立，高 30200支对生、斜上，被白色或锈色短柔毛。叶对生，叶片质薄， 卵形、三角形或菱状卵形，腹面绿色，背面色浅，两面被稀疏的短柔毛，在背面及沿叶脉处毛稍密，基部平截或稍心形，顶端急尖，基出三脉，边缘有稀疏粗大而不规则的锯齿，在花序下方则为波状浅锯齿或近全缘；叶柄长 45状花序小，在枝端排列成伞房或复伞房花序，花序直径为 24苞钟状，长 3 45含 4050 朵小花；总苞片 12层，线性或线状披针形，长 3端渐尖，花序托凸起，呈圆锥状。管状花，两性，白色，长约 药基部钝。 幼苗：子叶宽卵圆形，长约 端钝圆宽 出，下胚轴发达，被稀疏柔浮毛，上胚轴亦发育，密被短柔浮毛，均呈紫红色。第一对真叶对生，成倒卵圆形，长约 面光滑或生疏柔毛，全缘，基生三出脉，中脉突显。从第二对真叶起，叶缘具微缺刻，余同第一对真叶。 子实：瘦果，黑褐色，具 5 棱，长 毛白色，纤细，长约 棱有稀疏白色紧贴的短柔毛；冠毛较花冠稍长（李扬汉， 1998）。 布范围及可能扩散的区域 紫茎泽兰现已广泛分布在世界热带、亚热带地区 30多个国家和地区；除中美洲原产地外，还分布于美国、澳大利亚、新 西兰、南非、西班牙、印度、菲律宾、马来西亚、新加坡、印度尼西亚、巴布亚新几内亚、泰国、缅甸、越南、中国、尼泊尔、巴基斯坦以及太平洋群岛（强胜， 1999）；目前在我国的云南、四川、广西、贵州、西藏等 3省 2区广泛发生。以云南省的分布最广， 10个地、州的 98个县、市都有发生，面积达 24 8万 国晶， 1989)，占全省面积的 67%；并仍以每年大约 60西南风向东和向北扩散（向业勋， 1991）。紫茎泽兰 70年代末传入四川凉山州，据调查四川省分布面积已达 40万 太平， 1999）。数据显示 ，八年间紫茎泽兰在四川向北纬推进了两度半，平均每年在凉山州境内向北传播 35山州八十年代初仅盐源等地又零星分布， 1991年调查时有 29307 1997年底已发展到 264633近 6年间扩展了中国农业科学院硕士学位论文 第一章 引言 2 年平均以扩展 速度蔓延。由此可见，紫茎泽兰扩展速度相当惊人，对其他地区构成严重的威胁，从蔓延趋势上看目前虽未越过泥巴山，但大有进入乐山、雅安等地，进而威胁成都平原经济的趋势（周俗， 1999）。现已经在重庆和湖北的三峡地区发现紫茎泽兰，并采集到其标本，这是目前我国分布纬度 最北的记录。根据目前的扩散速度推测，再经半个世纪，紫茎泽兰可能入侵整个长江以南各省区（赵国晶， 1989）。 2003）采用了生态位模拟新方法来预测紫茎泽兰可能入侵的潜在分布区包括该植物在中国境内已分布的省份及未来华中、华东易受入侵的区域。 茎泽兰的危害 畜牧业的危害 一是侵占草场 ,造成牧草严重减产，以致载畜量下降。经测定，紫茎泽兰入侵天然草地三年后盖度达 85% 95%以上，而牧草减少 产草量仅 24002940kg/然草地失去放牧利用价值。攀枝花市因紫茎泽兰危害 1996 年全市羊存栏比 1984 年减少 82461 只，凉山州由于紫茎泽兰危害草地造成年损失鲜草 公斤，牲畜死亡 3360 头 ,经济损失达 5170 多万元，出现了有的乡村农户无草放牧的现象，给畜牧业发展造成了极大的阻碍；二是带纤毛的种子和花粉易引起马属动物哮喘病，尤其是具钩的纤毛种子吸入后直接钻入气管和肺部 ,引起组织坏死和死亡；三是用其叶、茎垫圈或下田沤肥会引起牲畜烂蹄病，人的手脚皮肤炎 ， 故有群众称紫茎泽兰叫“烂脚草”；四是牲畜误食紫茎泽兰一 定量后，轻则腹泻、脱毛，走路摇晃，重则怀孕母畜流产，甚至倒地四肢痉挛，最后腹胀，窒息而死亡 (周俗， 1999)。 农业的危害 人们在耕地 (田 )内不停地耕作，所以紫茎泽兰难以侵入。一旦紫茎泽兰入侵耕地、轮歇地后将造成耕作困难，成本加大，尤其是侵占轮歇地后，盘根错节，增加再开垦人力、时间、费用；二是入侵田边地埂与庄稼争水、争肥、争阳光，使该田地里粮食作物的边际效应消失，造成粮食减产 3% 11%。三是紫茎泽兰入侵后土壤中的速效氮、磷、钾含量下降，从而导致土壤肥力严重下降 ,以致土地严重退化 （侯太 平，周俗， 1999） 。 林业的危害 紫茎泽兰可入侵各类林地，一是导致更新造林保存率明显下降；二是侵入幼林地导致幼树衰弱 ,品质变劣，甚至死亡；三是严重抑制树种天然更新和森林恢复；四是影响苗木生长，使经济林推迟投产。据测定，紫茎泽兰侵入桑园、花椒园、香蕉园后，桑叶、花椒减少 4% 8%，香蕉植株少 2 3 片叶，矮 1左右 （侯太平，周俗， 1999） 。 茎泽兰入侵的生物学、生态学基础 长发育节律 天然生长的紫茎泽兰，其孕蕾时间多从 11 月下旬开始， 12 月下旬现蕾， 2 月中下旬始花，中国农业科学院硕士学位论文 第一章 引言 3 各地表现出较大的一致性。但结果成熟期，一般在土壤湿度条件相似的情况下，随气温增高而逐步提前，最多可相差 20 余天。在温度大体相同的情况下，干旱导致成熟期提前，湿润使之推后，二者相差也可达 20 余天。新枝萌发从连续降雨的 5 月开始，至 9 月为生长旺期，其中以高温高湿的 7、 8 两月生长最快，植株平均月增高 10上， 11 月份花芽分化，株高增长速度下降（刘伦辉， 1989）。 根据攀枝花市和凉山州两地紫茎泽兰的分布发现有两个特点，一是集中分布在成昆铁路、 108国道及其它公路沿线两侧；二是成片分布在雅砻江、安 宁河、黑水河及其支流河谷，以及金沙江的小支流溪谷等阶地两旁。这是因为河谷地区的生态环境最适宜于紫茎泽兰植物学特性的要求 ,而且种子很轻，成熟期又在 3 5 月，正是该地区大风季节，河谷风总是顺着谷南北刮，加之往来汽车流量大，人畜流动频繁更有助于其传播。推测紫茎泽兰主要是沿河谷及公路沿线传播，风力、流水、车辆、人畜及苗木调运是其传播的媒介及途径（周俗， 1999）。 茎泽兰的繁殖特性 紫茎泽兰是一种无融合生殖的三倍体（ n=17）。通常形成无配子种子。 1919 年在研究该种的减数分裂 过程中首先发现了无融合生殖。 1条，不经授粉和受精即可形成种子，进一步明确了该杂草的强杂草性 (1919; 1965)。 子繁殖 紫茎泽兰结实力强，正常生长的紫茎泽兰群体，不同年龄级植株都会产生种子，其中以 3株可结种子 粒，多的可达 10 万粒，每平方米能产生 26粒种子，连萼瘦果每粒重约 4 10合千粒重 发芽率 50%、每平方米生长 5 株计算，每平方米面积上 产生的种子可供作 40 亩种源。瘦果细小具冠毛，随风飘移散落，极易在裸地和稀疏植被的生境中定植生长（ 975; 981）。落地或扩散的种子主要分布在 上的表土层中， 2下的土层种子量极少。不同深度种子埋藏试验表明，在等于或小于 土壤表层发芽率达 51%， 土层出芽率 10%， 2更深土层的种子不能萌芽（刘伦辉等， 1989）。 性繁殖 紫茎泽兰为多年生草本，茎基部常木质化，茎枝基部甚至整个茎靠近地面生须根， 萌发出根芽，入土便能产生新植株，这使之在竞争并拓展生存空间中处于有利地位（向业勋， 1991）。调查结果表明， 4植株结实后，地上部分消苗枯死，待雨季来临又很快从根颈或半木质茎的下部萌发新枝并形成新的植株，其萌生能力大体相似于种子繁殖的规律，即最高萌枝率出现在五龄级群体，每丛形成 40新植株，按平均 51 株计算，则每亩土地可有 14 万株。 紫茎泽兰离体植株的繁殖力研究表明，只有带根的茎（根颈）才具有强大的萌生力，一般的茎杆萌生力极弱，根不具萌生能力（ 1975；刘伦辉等， 1989）。 茎泽兰的光合特性 紫茎泽兰种子的萌发严格需光，但其幼苗又很耐阴，这有利于它侵入其它植物群落中国农业科学院硕士学位论文 第一章 引言 4 （ 981）。研究表明，紫茎泽兰是一种阳性偏阴的 植物，对光照的适宜范围比较宽，光补偿点低，仅为 700光合速率相对较高，最大净光合速率能达到 23在一年的较长时间都能维持这样的较高水平（刘文耀等， 1988），这也是紫茎泽兰能侵占疏林、草场和经济林地，排斥其他植物而成为优势种群的生物学基础。采用两年生紫茎泽兰盆栽苗与大豆的对比试验表明，当光 照强度在 35000，紫茎泽兰的净光合速率可达 O2/h，仅比阳性植物大豆的 低，在中午光强上升到 75000，大豆尚能维持光合生产高峰值的 50%，而紫茎泽兰的光合生产几乎停止，这表明该杂草具有阳性偏阴的生态习性。紫茎泽兰在整个营养期不同时节的光合进程，通过按月选择晴天作测定，各月的净光合速率日变化均呈双峰曲线（刘伦辉等， 1989）。 对紫茎泽兰的遮光试验表明（刘伦辉等， 1989），植株虽有随光照减弱而叶面积增加的规律，但过于荫蔽时，叶片变薄，植 株柔弱而易于倒伏，只有在全光照条件的 50%以上，植株才处于正常生长水平并开花结实。总体上看，该杂草生长发育的最佳光照条件以全光照的 50好，但营养体生长可以忍受 90%的遮光。 在干旱条件下，紫茎泽兰的光合速率明显降低，当土壤含水量降到 17%时，叶片萎蔫，光合速率接近于 0。经受过干旱的植株，恢复供水后的第 3 天，其光合速率只达到原正常水平的 53%。当土壤含水量在 11%以下时，植株会干枯死亡（刘伦辉等， 1989）。显然，紫茎泽兰需要湿润的土壤条件，这是紫茎泽兰大都分布于沿海地区（如在澳大利亚），或其他较湿 润地区的主要原因（如在我国的西南地区）。 大的水肥吸收能力 紫茎泽兰对土壤肥力的吸收力强，能极大地耗尽土壤养分。虽然紫茎泽兰幼苗很小，但其生长速度很快，在定植前的 24 周内，每周可生长 8 周成 株（ 1970， 975） 。研究表明紫茎泽兰入侵 210 天后，土壤中的速效氮、速效磷、速效钾分别下降 56%95%，46%53%和 6%33%。据分析，紫茎泽兰植株干重的氮、磷、钾含量分别为 发生较重的生境上， 每亩生物量达 3 254 耗的氮、磷、钾分别达 9.2 土壤可耕性的破坏较为严重（ 刘伦辉等， 1989） 。 茎泽兰的化学成分分析 紫茎泽兰所含化学成分较为复杂，目前已分离鉴定的化学成分主要有：正三十二烷（ 豆甾醇（ 蒲公英醇棕榈酸酯（ 、蒲公英甾醇乙酸酯（ 、榭皮万寿菊素 萄糖苷（ 、 3- （ 2喃葡萄糖） - 苯基 式 丙 烯 酸 （ 3-（ 2 6736榭皮万寿菊素 74、 6- 羟基山萘酚 萄糖苷（ 6 66伞形花内酯（ 正三十二醇（ 紫茎泽兰内酯（ 23, 4, 6, 11724, 6, 11 7 第一章 引言 5 （ 7 9 9，克拉维醇（ 丁香酚 5, 46, 735, 47 3, 5, 46, 73, 5, 47，豆甾醇（ 表木栓醇（ 邻羟基桂皮酸（ 阿魏酸（ 咖啡酸（ 杜鹃烯（ 没药烯（ 丁香烯（ （ 1981; et 1985，许云龙等， 1988；李蓉涛等， 1997；朱正方等， 1997；丁智慧等， 1999；傅昀等， 1999）在上述化学成分中，有些成分对其它植物有克生作用，有些成分对昆虫有抑制作用（李云寿等， 2000；王一丁等， 2002）。 物化感作用研究概况 植物化感作用（ 经被发现有两千多年，但是真正深入、系统的研究却仅仅是最近三十年的事情。 1937 年奥地利科学家 次提出了化感作用这一概念，指出化感作用是指植物之间（包括微生物）作用的相互生物化学关系，这种生物化学关系包括有益和有害的两个方面。之后 ， 他的专著中又进行了补充 11974 年 刊， 专著 1 版和第 2 版相继问世， 20世纪 80 年代在美国先后举行了 3 次国际学术会议并出版了论文集， 1994 年 刊。中国生态学会于 1990 年 12 月成立了化学生态学专业委员会， 1991 年 10 月举行了首次学术会议。 物化感物质 (植物中所 发现的化感物质 (要来源于植物的次生代谢产物，分子量较小，结构简单，主要分为水溶性有机酸、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，内萜，氨基酸和多肤，生物碱和氰醇，硫化物和芥子油苷，嘌呤和核苷等 14 类 (1984)。其中酚类和类萜类化合物是高等植物的主要化感物质。它们分别是水溶性和挥发性物质的典型，这恰恰与雨雾淋溶和挥发是化感物质的主要释放方式相吻合。 类化感物质 酚类化感物质是指分子结构中至少含有一个羟基直接连接到苯环上的芳基化合物，主要包括苯酚类、羟基苯甲酸和肉桂酸衍生物。黄酮类、醌类和单宁五大类。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，但并不是水溶性的酚类物质都具有化感效应，过高的水溶性反而不能在自然条件下显示化感效应，尤其在良好的灌溉农业生态系统。只有那些有一定水溶性且具有较高生物活性的酚类分子才能表现出优良的化感效应 (et 1993)。酚类物质不仅构成植物化学物质的一大类，而且也是一类主要的化感物质，至今证明的 酚类化感物质数量中国农业科学院硕士学位论文 第一章 引言 6 比所有其它类型化感物质的总量还要多，而且酚类 化感物质的水溶性和成盐性，使得它们很容易在自然条件下被雨雾淋溶和 土壤吸收 ( 1999)。 类化感物质 萜类是第二大类化感物质，广泛存在于高等植物的叶和皮细胞中。萜类是自然界存在的具有(n 通式的碳氢化合物及其含氧