水生高等植物化感作用研究進展

水生高等植物化感作用研究進展

1傳統(tǒng)化感作用的定義在過去的幾十年里，由于人類的生產和生活活動，大量污染物進入水生態(tài)系統(tǒng)，導致水體富營養(yǎng)化和毒性藻類。其中,淡水水體大都形成有毒藍藻水華,近海水體大都形成有毒甲藻赤潮。水生高等植物在穩(wěn)定水系生物結構,提高水體自凈能力等方面具有重要作用。水生高等植物不但能吸收水體中過剩的營養(yǎng)物質,提供營養(yǎng)物質輸出渠道,而且一些種類能夠分泌化感物質,破壞藻類正常的生理代謝功能,迫使藻類死亡,提高水體透明度。這些化感物質主要為水生植物的次級代謝產物,生態(tài)安全性高。“化感作用”一詞,最早由Molisch于1937年提出,用于描述植物通過釋放抑制性物質來抑制與其共同棲息地的其它植物生長的一種自然現象。1984年,Rice重新定義了化感作用,即植物與植物之間,包括植物與微生物之間的相互促進或相互抑制作用。1949年,Hasler等人首次發(fā)現了水生植物對藻類的克制效應。傳統(tǒng)化感作用研究主要存在于陸地生態(tài)系統(tǒng),導致水體化學物質的分離鑒定嚴重滯后。由于水體中化學物質的廣泛分布以及水體流動性,使得從水體中分離化學物質更加困難。近幾年,由于抑藻化學物質的不斷分離鑒定,通過植物化感作用來控制藻類生長的研究倍受關注,但這些化學物質是否均為化感物質?還有待繼續(xù)考究。2和光能的利用水生高等植物分為四大類:挺水植物,漂浮植物,浮葉植物和沉水植物。由于其生活環(huán)境和生長習性的不同,這四類植物抑藻效應亦有區(qū)別。水生植物和浮游藻類在營養(yǎng)物質和光能的利用上是競爭者,而且某些水生植物根系還能分泌出化感物質,破壞藻類正常的生理代謝功能,迫使其死亡,達到抑制藻類生長的作用。與淡水水域相比,由于生物與非生物因素的影響,海岸附近具有較少的高等植物分布。其中大葉藻(Zosteramarina)在海草群落中經常占據優(yōu)勢,Hanison發(fā)現其新鮮葉片以及干葉片的提取物具有抑藻作用,其抑藻物質可能為苯酚類。而在咸水域中生長良好的流蘇菜(RRuppiamaritima)也具有抑藻作用,其化感物質為二帖類。2.1化感抑藻功能常見的挺水植物,如寬葉香蒲(Typhalaotifolia),石菖蒲(Acorustatarinowii),兩棲寥(PolygonumphibiumL.),蘆葦(PhragmitescommunisTrin)等不但能通過對水流的阻力來減小風浪擾動,使懸浮物質沉降,而且還具有化感抑藻作用。Della等人從寬葉香蒲中分離出具有抑藻活性的次級代謝產物甾醇,脂肪酸類。李鋒民,胡洪營等在國際上首次從大型挺水植物蘆中分離并鑒定出化感物質,2-甲基乙酰乙酸乙酯。已報道的具有抑藻活性的挺水植物還包括廣泛分布于濕地的燈心草(Juncusefisus)。Della等人從燈心草中分離出具有抑藻活性物質9,10-雙氫菲類,苯丙基甘油酯。2002年,他們在J.acutus中也分離出了這類物質,說明此類物質在燈心草屬中廣泛分布。2.2水浮蓮化合物來源漂浮植物在緩慢流動水體中生長良好,能夠免受風與波浪的襲擊。許多具有克藻效應的水生植物均為常見的漂浮植物如水浮蓮(Pistia.stratiotes),滿江紅(Azollaimbircata),浮萍(LemnaminorLinn.),紫萍(Spirodelapolyrhiza),鳳眼蓮(Eichhorniacrassipes)。其中已從鳳眼蓮與水浮蓮分離鑒定出化感物質。在鳳眼蓮分布占據優(yōu)勢的富營養(yǎng)與亞富營養(yǎng)湖泊以及河道中,由于營養(yǎng)、光的競爭以及化感作用,浮游藻類密度較低。1990年,孫文浩等從鳳眼蓮根系中分離并鑒定出抑藻物質N-苯基-2-萘胺等化學物質。水浮蓮是另外一種在內陸水生態(tài)系統(tǒng)中迅速擴增引發(fā)生態(tài)問題的植物。1991年,Aliotta等人從水浮蓮中分離出脂溶性抑藻物質,主要包括亞油酸,γ-亞油酸,(12R,9Z,13E,15Z)-12-羥基-9,13,15-十八碳三烯酸,α-細辛醚,24S-醚基-4,22-膽甾二烯-3,6-二酮等。浮葉眼子菜(Potamogetonnatans),既具有浮水葉片部分也具有沉水葉片部分,Cangiano等人已證明其能夠產生幾種雙帖類物質,抑制藻類的生長。2.3化感作用物質水生態(tài)系統(tǒng)中,許多沉水植物如穗花狐尾藻(MyriophyllumspicatumL.),水盾草(Cabombacaroliniana),金魚藻(Ceratophyllumdemersum),大茨藻(Najasmarina),馬蹄蓮(Zantedeschiaaethiopica),水劍葉(Stratiotesaloides),黑藻(Hydrillaverticillata),馬來眼子菜(Potamogetonmalaianus),苦草(Vallisneriaratans)等,與藻類之間相互作用復雜,包括空間競爭,營養(yǎng)競爭,分泌化感物質和改變周圍的水體環(huán)境。其中已從穗花狐尾藻,水劍葉,金魚藻,苦草中分離出化感物質。沉水植物分泌的化感物質主要包括多酚類,有機酸類,類黃酮,不飽和酯類以及含硫化合物。金魚藻,穗花狐尾藻,苦草廣泛分布于內陸水生態(tài)系統(tǒng)中,具有強烈的化感抑藻作用,在水環(huán)境治理方面擁有廣闊的應用前景。1994年Jasser提出金魚藻能夠抑制浮游植物的生長,同年Wium-Andersen等人從金魚藻脂溶性提取物中分離出抑藻物質含硫化合物。2008年,徐潔等人研究了金魚藻與銅綠微囊藻混合培養(yǎng)時,金魚藻分泌的化感物質。與銅綠微囊藻單獨培養(yǎng)相比,檢測出15種不同于銅綠微囊藻釋放的化合物,其中N-苯基2-萘胺、脫氫樅酸甲酯和脫氫樅酸乙酯,對藻類具有化感作用。2000年,Gross從穗花狐尾藻中分離出具有抑藻活性的五倍子酸,鞣花酸,丹寧酸等多酚類物質。2002年,Leu等人從穗花狐尾藻分離出抑藻類物質特里馬素Ⅱ。Aliotta從橄欖油磨坊污水里分離出的多酚類物質具有抑藻活性,進一步證明水體中多酚類物質為化感物質的可能性。2006年,鮮啟鳴等人從苦草提取物中分離出兒種有效抑制銅綠微囊藻的物質,包括:二氫獼猴桃醇酸內酯,4-氧代-β-紫羅酮,3-羥基-5,6-環(huán)氧-β-紫羅酮,萜內酯,6-羥基-3-氧代-α-紫羅酮等。水劍葉廣泛分布于南美洲,2007年,Gross從中分離出的化感物質能夠有效抑制藍藻的生長,這類物質為微脂溶性,很有可能為非多酚類物質。水體中化感物質發(fā)揮作用需具有一定水溶性與一定脂溶性。水溶性能夠使其有效溶于水體,脂溶性能夠保證其不被迅速稀釋擴散,聚集產生有效濃度。所以,水體中的化感物質很有可能為兩性。而有些水生植物能夠同時分泌水溶性物質與脂溶性物質,脂溶性物質在水體以微體的形式存在。這兩類物質分別作用于藻類的不同生理部位,水溶性物質以水為介質運輸到靶位,脂溶性物質通過細胞接觸直接作用。高等水生植物產生的化感物質大都具有部分水溶性,多為酚類,萜類,生物堿類物質,還包括具有特殊羥基的脂肪酸,甾醇類。3影響水生生物等環(huán)境因素的環(huán)境因素3.1低氮脅迫對穗花合作果營養(yǎng)物質脅迫主要通過兩種途徑來提高化感作用的效率:一是水生高等植物在營養(yǎng)脅迫環(huán)境中易于誘導產生化感物質或增加化感物質產生量。2003年,Gross通過研究經不同氮源處理的穗花狐尾藻的多酚以及特里馬素Ⅱ釋放量的變化情況后發(fā)現,經低氮處理誘導,特里馬素Ⅱ的釋放量增加。二是受抑藻類可能在營養(yǎng)脅迫環(huán)境中對化感物質更為敏感。2005年,Fistaroll等人通過研究三毛金藻(Prymnesiumparvum)對營養(yǎng)脅迫條件下培養(yǎng)的威氏海鏈藻(Thalassiosiraweissflogii)的化感抑制作用,發(fā)現在氮以及磷缺陷條件下培養(yǎng)的威氏海鏈藻,與正常培養(yǎng)條件下相比,受抑較明顯。而且在氮脅迫條件下受抑最明顯,其次為磷脅迫。這表明營養(yǎng)環(huán)境能夠影響受抑藻類對化感物質的敏感性。3.2光照對穗花配置尾藻總酚和馬素iii釋放量的影響不同光照強度培養(yǎng)下的高等水生植物,其化感物質釋放量有所變化。2003年,Gross通過研究在不同光照強度下穗花狐尾藻總酚以及特里馬素II的釋放量發(fā)現,低光照條件下,特里馬素II的釋放量增加。光還能夠引發(fā)水體化感物質發(fā)生變化,其中包括:氧化,裂解,聚合。至于光周期能否調節(jié)高等水生植物的抑藻作用,還尚未見報道。3.3氣體及脂肪酸微生物對化感作用的影響緣自對化感物質數量和種類的影響。酚酸類物質能夠抑制微生物產生氣體與脂肪酸,并且可減少微生物對其生長介質的消耗。雖然微生物不存在與藻類競爭光與營養(yǎng)物質,但微生物通過分解化感物質來加強其附生。Gross通過獲得穗花狐尾藻無菌苗,發(fā)現與自然條件相比,其提取物對藍藻抑制作用較強,表明有微生物的降解發(fā)生。4水生高等植物化感物質的作用機制4.1化感作用系統(tǒng)化感物質對藻類光合作用的影響主要表現為葉綠素a含量的降低與光合作用過程的阻斷。有些水生高等植物產生的化感物質能夠破壞藻類的葉綠素,減少藻類的同化產物,從而抑制藻類的生長。鳳眼蓮根系附著的藻細胞中葉綠素a的含量明顯下降,而其降解產物脫鎂葉綠素a酸酯的含量升高,這說明了化感物質可能促進了葉綠素a的降解。海洋系統(tǒng)中大葉藻的水溶性提取物,降低了附生硅藻的初級生產力。1983年,Wium-Andersen等人證明金魚藻分泌的含硫化合物能夠有效降低藻類初級生產力?；形镔|能夠與光合電子傳遞鏈的特定位點相結合,從而阻斷光合作用的發(fā)生。Leu等人從穗花狐尾藻分離出的抑藻物質特里馬素Ⅱ,它能夠有效抑制幾種絲狀藍藻的PSII活性。最近研究顯示,不同種類的化感物質通過作用于光合系統(tǒng)的不同部位來影響藻類的光合作用。2008年,吳程,常學秀等通過研究粉綠狐尾藻分泌的化感物質在銅綠微囊藻光合系統(tǒng)上的作用靶位點,發(fā)現藻膽蛋白(尤其是APC)比Chla更為敏感,說明藻膽蛋白是穗花狐尾藻化感物質抑制銅綠微囊藻的關鍵靶點。4.2東北部酚類物質分離化感物質主要影響浮游藻類胞外酶與胞內酶的活性。藻類通過釋放胞外酶從水體中獲取營養(yǎng)物質。胞外酶的破壞能夠改變浮游藻類的競爭性,進而影響其生存環(huán)境。2002年,Leu等人從穗花狐尾藻分離出的特里馬素Ⅱ及其它酚酸類物質,能夠有效抑制微藻產生的堿性磷酸酶并且混合酚酸類物質對酶活性的抑制作用較單一酚酸效果強烈。2008年,胡洪營發(fā)現從蘆葦中分離出來的抑藻活性組分能夠降低藻細胞中超氧化物酶(SOD)與過氧化物酶的(POD)活性,引起某些脂類的過氧化。4.3黑藻氧化物檢測化感物質能夠引起藻細胞亞顯微結構的變化。2002年,Pollio等人通過研究α-細辛醚對兩種綠藻亞顯微結構的影響表明,添加α-細辛醚24小時與72小時后,細胞壁結構發(fā)生變化,線粒體片層增多以及出現電子密度大顆粒沉積。黑藻分泌物可使銅綠微囊藻細胞質壁脫離、類囊體片層結構松散雜亂,且損傷作用隨時間延長而加劇。2007年,李鋒民,胡洪營等通過研究2-甲基乙酰乙酸乙酯對藻細胞膜和亞顯微結構的影響,發(fā)現2-甲基乙酰乙酸乙酯使蛋白核小球藻和銅綠微囊藻細胞壁脫落,細胞膜破裂,細胞內含物滲出,細胞內片層結構解體,細胞核和線粒體結構損壞。5問題和視角5.1植物群落組織萃取水生植物化感物質的提取方法包括兩種:植物組織萃取與種植水濃縮。植物組織萃取為檢測不同種水生植物以及同種植物不同季節(jié)潛在的化感作用差異性提供可能。植物組織萃取方法能夠檢測環(huán)境脅迫對化感作用的影響。但室內試驗不能證明實地化感作用的發(fā)生,而且化感物質在水體中含量很低,因此從水體中分離并鑒定有效化感物質相當困難。5.2水生態(tài)系統(tǒng)生物化感物質結構的技術鑒定難植物組織提取物或種植水經SPE(固相萃取)富集,洗脫后,據化感物質物理性質與化學性質不同,經色譜,紅外,質譜,核磁共振等技術來分級分離鑒定有效化感物質。化感物質結構的鑒定一直以來是化感研究領域的難點。與陸地系統(tǒng)分離的化感物質相比,水生態(tài)系統(tǒng)中分離的化感物質多數情況含量很低,而且大多數化感物質分子量較大,物質之間分子量成數量級差異。導致使用核磁共振等技術分析較困難。所以,新的有效的分析技術有待開發(fā)。5.3物質的影響有關化感物質抑藻作用機制研究尚處于初步階段。從目前報道看,化感物質主要影響藻類的光合作用,細胞膜完整性,酶的活性,呼吸作用以及亞顯微結構的變化。目前,化感作用機理主要采用植物種植水或植物粗提物來研究,對于單種化感物質抑藻機制及其作用的靶位點研究甚少。5.4其