白藜化感作用研究

白藜化感作用研究

白李子也被称为灰柳树，属于授权植物科。它是一种一级草本植物。广泛分布于亚洲、欧洲和美国。这是小麦和其他作物和果园常见的杂草。白藜生境广泛具有发达的根系,能够抵抗许多不良的生境,是干旱、半干旱环境中的优势植物。许多报道表明白藜是一种危害极其严重的杂草,能够使大麦(Hordeumvulgare)、玉米(Zeamays)、甜菜(Betavulgaris)、生菜(Lactucasativavar.ramosa)和西红柿(Lycopersiconesculentum)等严重减产,尤其在氮肥丰富的土壤,它能够迅速生长,干扰别的农作物生长,是一种很难根除的杂草。研究表明,使用化学除草剂防除田间杂草,不但破坏了农田生态环境,也使杂草的抗性不断增强,以致引发抗性杂草的进一步蔓延。而利用植物化感作用防治杂草是一种具有潜力的杂草生物防治措施,已成为森林保护、有害生物控制、增加作物产量和促进环境可持续性发展的重要途径之一。化感物质对许多杂草的生长具有明显的抑制作用。如向日葵(Helianthusannuus)叶的提取物能抑制小麦地里白藜的生长,降低白藜对小麦的竞争作用;毛苕子(Viciavillosa)的茎叶根水浸提液对田园常见杂草波斯婆婆纳(Veronicapersica)、一年生早熟禾(Poaannua)和稗草(Echinochloacrusgalli)的种子萌发和幼苗生长均有不同程度的抑制作用;曹璞等发现狗牙根(Cynodondactylon)水浸提液对多花黑麦草(Loliummultiflorum)、一年生早熟禾、马唐(Digitariasanguinalis)、稗草和牛筋草(Eleusineindica)5种禾本科杂草的种子萌发与幼苗生长有明显的抑制作用,且这种化感抑制作用主要与水浸提液中检测到的多种酚酸类物质有关,尤其与原儿茶酸这种酚酸类有关;何华勤等研究表明,酚酸类对田间伴生杂草稗草具有明显的抑制作用;易振等研究表明,酚酸类对水葫芦(Eichhorniacrassipes)的生长也有一定的抑制作用。因此,探究不同化感物质对受体植物的作用特性,对于深入揭示植物化感作用机理,实现人工合成生物除草剂具有重要的理论和实践意义。为此,本试验选用在植物中广泛存在的6种化感物质阿魏酸和香草酸(酚酸类)、槲皮黄素和木樨草素(黄酮类)、茶碱和可可碱(生物碱类)为供体,以白藜为受体,通过对白藜种子萌发、幼苗生长及抗氧化酶活性的影响进行研究,以期为白藜的生物防治提供理论依据。1材料和方法1.1皮黄素、木草素和总碱的组成6种化感物质:酚酸类:阿魏酸和香草酸;黄酮类:槲皮黄素和木樨草素;生物碱类:茶碱和可可碱,所有单体均为分析纯,购于南京泽朗医药科技有限公司。化感物质受体:白藜种子,2010年10月采自甘肃天水。1.2化感单体处理首先将化感物质用很少量的DMSO溶解(DMSO终浓度为0.4%),然后加蒸馏水配制成2mmol·L-1的母液,再稀释得到不同浓度梯度的化感单体处理液,浓度梯度依次为0.01,0.05,0.2,0.5和1mmol·L-1,蒸馏水作为对照处理。1.3测试方法1.3.1小麦种子萌发和幼苗生长试验1.3.2抗氧化物酶活性试验1.4数据分析采用SPSS13.0统计软件进行数据统计,用Excel2007作图。2结果与分析2.1香酸钠和可碱对种子萌发的影响6种化感物质均对白藜种子的萌发产生化感效应,阿魏酸、茶碱、槲皮黄素和木樨草素对白藜种子的萌发均表现出低浓度促进高浓度抑制的现象。当浓度在1mmol·L-1时,阿魏酸、茶碱、槲皮黄素和木樨草素分别使白藜种子的最终萌发率降低了2.67%,12%,44%和34%,槲皮黄素和木樨草素对种子萌发的抑制作用最强;其中茶碱浓度为1mmol·L-1、槲皮黄素和木樨草素浓度为0.5mmol·L-1和1mmol·L-1时,种子的最终萌发率与对照相比显著降低(P<0.05)。阿魏酸、槲皮黄素和木樨草素浓度为0.05mmol·L-1时,分别使白藜种子的萌发率增加了8.26%,3.34%和5.33%,但与对照相比没有显著差异;茶碱浓度为0.01mmol·L-1时,种子的最终萌发率与对照相比显著升高(P<0.05),增加了9.33%。不同浓度的香草酸和可可碱对白藜种子的萌发率均有促进作用(表1)。6种化感物质除香草酸外,阿魏酸、茶碱、可可碱、槲皮黄素和木樨草素浓度为1mmol·L-1时均降低种子萌发速率,发芽指数分别降低0.17,0.65,0.71,2.88和4.06。其中茶碱、可可碱、槲皮黄素和木樨草素与对照相比显著降低了白藜种子的萌发速度(P<0.05)。茶碱浓度为0.01mmol·L-1、可可碱与木樨草素浓度为0.05mmol·L-1时,与对照相比显著提高白藜种子的萌发速率(P<0.05),分别使萌发指数增加1.24,2.07和1.72(表1)。2.2不同化感物质对白陇幼根生长的影响不同浓度的阿魏酸、香草酸、茶碱、木樨草素与对照相比均抑制了白藜幼根与幼苗的生长,且根对化感物质的反应比植株地上部分敏感;可可碱的浓度为0.01~0.5mmol·L-1、槲皮黄素的浓度为0.2mmol·L-1时,促进了白藜幼根的生长;但当6种化感物质浓度为1mmol·L-1时,均显著抑制了幼根与幼苗的生长(P<0.05),且对幼根的抑制作用强于幼苗的抑制作用。与对照相比浓度为1mmol·L-1时,阿魏酸、香草酸、茶碱、可可碱、槲皮黄素和木樨草素对幼根分别抑制了4.07,0.78,4.54,0.59,4.98和3.68cm,对幼苗分别抑制了1.48,0.45,1.91,0.38,3.48和2.03cm。2.3化感物质对白陇白革cat活性的影响2.3.2化感物质对白藜幼苗体内过氧化氢酶(CAT)活性的影响由图2可知,随着阿魏酸、茶碱、槲皮黄素与木樨草素4种化感物质浓度的增加,CAT活性也表现出先增加后降低的趋势。与对照相比,阿魏酸浓度为0.2mmol·L-1时,白藜幼苗CAT活性达到最大,明显增加了28%(P<0.05);茶碱浓度为0.5mmol·L-1时,CAT活性达到最大,明显增加了99%(P<0.05);槲皮黄素与木樨草素浓度为0.05mmol·L-1时,CAT活性达到最大,分别增加了129%和20%,其中槲皮黄素明显促进了CAT的活性(P<0.05)。阿魏酸、槲皮黄素和木樨草素浓度为1mmol·L-1时,CAT活性明显受到抑制(P<0.05),与对照相比,活性分别降低了62%,44%和40%。2.3.3化感物质对白藜幼苗体内过氧化物酶(POD)活性的影响由图3可知,随着阿魏酸、茶碱和槲皮黄素3种化感物质浓度的增加,POD活性表现出先降低后增加的趋势,浓度为1mmol·L-1时,白藜幼苗POD活性明显受到促进(P<0.05),与对照相比,POD活性分别增加了175%,237%和194%。随着木樨草素浓度的增加,POD活性表现出先增加后降低的趋势,浓度为0.2mmol·L-1时,白藜幼苗POD活性明显增加,与对照相比,增加了85%(P<0.05);浓度为1mmol·L-1时,白藜幼苗POD活性明显受到抑制(P<0.05),与对照相比,降低了158%。3白陇植物细胞抗氧化活性测定在自然系统中,化学物质的变化范围非常大,而且十分复杂,因此研究田间条件下化感物质的作用特性难度很大,在探讨不同物质间的互作效应之前,必须明确每一种物质对抑制率的贡献程度。本研究选用6种化感物质探讨对受体白藜的化感作用。从试验结果可知,6种化感物质中,除不同浓度的香草酸与可可碱对白藜种子的萌发有促进作用外,其他4种化感物质对白藜种子的萌发均表现出高浓度抑制,低浓度促进的效应,且浓度越高,抑制作用越强,与大多数化感物质对受体植物的影响一致。其中,1mmol·L-1的槲皮黄素和木樨草素与其他4种化感物质相比对白藜种子萌发的抑制作用最强,其原因可能是,与白藜种子萌发相关的关键酶对黄酮类2种化感物质更敏感,当这2种化感物质浓度较高时,对白藜种子的萌发具有强烈的抑制作用。6种化感物质浓度为1mmol·L-1时,显著抑制白藜幼根与幼苗的生长。Chon等研究发现,相对于地上部分,根部对化感物质的反应更敏感,且抑制效应与化感物质的浓度相关。本试验表明,白藜根部受化感物质的影响比地上部分植株敏感,当6种化感物质浓度为1mmol·L-1时,对幼根的抑制作用强于幼苗的抑制作用,这与彭晓邦等和赵利等的研究结果相一致。出现这种现象的原因是因为根是直接接触、吸收化感物质的器官,更容易受到伤害。植物细胞中活性氧的清除主要是通过保护酶系统和抗氧化物质担负。在保护酶系中SOD能将超氧阴离子自由基清除而形成H2O2,而POD和CAT可把H2O2变为H2O,它们协调一致的作用,可使活性氧维持于一个较低水平。本试验表明,白藜幼苗SOD和CAT活性随着阿魏酸、茶碱、槲皮黄素和木樨草素4种化感物质浓度的增加而上升。白藜幼苗体内酶活性的升高可能是其受到化感胁迫后,因体内过氧化产物增多而启动的一种应激机制,即氧化胁迫诱导了白藜体内抗氧化能力的增加。但是,这种反应只能够在一定受害程度内发挥作用,随着化感胁迫的加重,当阿魏酸、茶碱、槲皮黄素和木樨草素4种化感物质浓度增加到1mmol·L-1时,导致保护性酶活性下降,使其不能正常发挥作用,不能有效清除白藜幼苗在化感胁迫下生成的超氧阴离子自由基,随着超氧阴离子自由基在体内的累积,植物受害逐渐加重,最后导致植物的生长受到抑制甚至死亡。POD活性随着木樨草素浓度的增加表现出先降低后增加然后又降低的趋势,随着阿魏酸、茶碱与槲皮黄素3种化感物质浓度的增加,POD活性表现出先降低后增加的趋势,其趋势正好与SOD和CAT的相反。这种现象可能是当4种化感物质浓度较低时,不足以启动POD的应激活性;而当4种化感物质浓度增高时,随着对白藜产生的化感胁迫加重,使其体内产生的超氧阴离子自由基增多,从而诱导了POD活性的升高。综上所述,阿魏酸浓度为0.2mmol·L-1,香草酸、可可碱、槲皮黄素和木樨草素浓度为0.05mmol·L-1,茶碱浓度为0.01mmol·L-1时,种子的萌发速率最快,萌发率较高;阿魏酸、茶碱、槲皮黄素和木樨草素浓度为1mmol·L-1时,种子萌发速率、最终萌发率、根长、苗高、SOD和CAT的活性降到最低。如果从防除杂草的角度去考虑,一种方法是,通过低浓度的化感物质处理,促进白藜种子一次性萌发,从而铲除植株以达到有效控制白藜的目的;另一种方法是通过高浓度化感物质的处理不让其萌发生长或者使其生长受到抑制,从而达到防治的目的。当然本研究仅在试验室内评价了6种化感物质对白藜生长的化感潜力,要达到白藜生物防治的目的还需田间试验进一步证实。2.3.1化感物质对白藜幼苗体内超氧化物歧化酶(SOD)活性的影响由图1可知,随着阿魏酸、茶碱、槲皮黄素与木樨草素4种化感物质浓度的增加,SOD活性表现出先增加后降低的趋势。阿魏酸、茶碱和槲皮黄素浓度为0.5mmol·L-1时,白藜幼苗的SOD活性达到最大,与对照相比分别增加了20.08%,82.83%和181.75%,其中茶碱和槲皮黄素为浓度0.5mmol·L-1时使白藜幼苗的SOD活性明显提高(P<0.05);木樨草素浓度为0.2mmol·L-1时,白藜幼苗的SOD活性达到最大,增加了26.58%。阿魏酸、茶碱、槲皮黄素与木樨草素浓度为1mmol·L-1时,SOD活性降到最低,活性分别降低了7.67%,8.42%,7.42%和7.17%,但与对照相比差异不显著。将白藜种子用自来水冲洗5min,然后用15%的次氯酸钠消毒30min,再用蒸馏水冲洗3~4次后选择颗粒饱满、大小均匀的种子均匀摆放于铺有2层滤纸直径为9cm的培养皿中,每个培养皿50粒种子,再滴加不同浓度梯度的化感单体处理液5mL,每个处理3个重复,蒸馏水处理作为对照,然后放置于人工气候箱中培养,条件为:25℃,12h光周期,每隔24h记录一次已萌发种子个数,10d后统计最终萌发率、萌发指数、测量白藜幼苗的根长和苗高,每个重复测量15个幼苗。萌发率计算公式:Dw=(M/N)×100%,其中Dw为萌发率,M为萌发种子数,N为培养的总种子数。萌发指数=∑Gt/Dt,Gt为第t天萌发的种子个数,Dt为萌发的天数。先加入5mL蒸馏水湿润滤纸,将消毒过的白藜种子置于垫有滤纸的培养皿中,放入人工气候箱中萌发4~5d后,用消过毒的镊子将刚刚萌发的种子挑出,在直径15cm的培养皿中采用国际上