植物化感作用的研究進展

植物化感作用的研究進展

最近，植物化感作用成為生態(tài)學(xué)研究的亮點之一。生態(tài)系統(tǒng)內(nèi),植被形成和演替的過程中、種子萌發(fā)和衰敗的抑制,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的間作、套作、輪作、前后茬搭配、殘茬處置或利用以及作物和雜草、病蟲的關(guān)系等都存在化感作用。因此,研究化感作用對于作物增產(chǎn)、森林撫育、植物保護、生物防治、環(huán)境保護和促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等方面有著十分重要的意義和廣闊的應(yīng)用前景。1分離粗提物的活性成分在自然狀況下,植物化感物質(zhì)主要通過4種途徑進入環(huán)境。其收集方法因不同的研究對象和不同的化學(xué)性質(zhì)而不同,對于粗提物還要用色譜法分離,檢測各組分的活性,對其中的活性組分進一步分離,以得到純品并進行結(jié)構(gòu)鑒定。1.1物水抽提液對同一供體植物的影響可用水抽提液做培養(yǎng)液,對受體植物進生物測定。有以下幾種方法:(1)將不同供體植物水抽提液分別放入培養(yǎng)基質(zhì)中,觀察它們對同一受體植物的作用,以檢測供體植物有無化感作用以及比較它們之間化感作用的強弱。(2)觀察同一植物水抽提液對不同植物種子萌發(fā)、幼苗生長的影響,以檢測同一供體植物對不同植物的影響,從中篩選出對作物無害而對雜草有抑制作用的化感植物。(3)觀察同一植物不同濃度水抽提液的化感作用。此法可觀察抽提物濃度的影響,以此找出化感物質(zhì)的最適作用濃度。(4)對同種植物不同器官(根、莖、葉、花)水抽提物的活性進行比較。同種植物不同器官的水抽提物往往表現(xiàn)出不同的活性。例如,蟛蜞菊葉和莖水抽提物的化感作用最強。勝紅薊莖對根長的抑制作用最強。(5)觀察同種植物不同生育期水溶物對受體的影響。此法可看出化感植物在哪一生育期化感作用最強。例如,勝紅薊各器官水溶物對黃瓜的抑制作用是生殖生長期比營養(yǎng)生長期強,但是整株水溶物的抑制作用卻是營養(yǎng)生長期比生殖生長期強。1.2根際區(qū)化感物質(zhì)的分離、鑒定與生物活性的研究目前在國內(nèi)外較廣泛采用“根系分泌物連續(xù)收集系統(tǒng)”來收集根分泌物。采用專門設(shè)計的水培或砂培系統(tǒng),用XAD-4樹脂收集未受干擾的根分泌物,再用甲醇洗脫樹脂中吸附的物質(zhì),進行生物測定和分離鑒定洗脫液。曾任森等用此法研究蟛蜞菊根分泌物,發(fā)現(xiàn)其對受體植物幼苗有明顯抑制作用,其中對根生長的抑制作用強于對幼苗生長的抑制作用。水培試驗研究根分泌物的化感效應(yīng)。將長勢一致的供體和受體幼苗同時移入2m×1.5m×0.2m的水培槽中,供體種在槽外面,每邊2排,共4排;受體種在中間2排,40d,記錄受體苗高、鮮重和葉面積與對照比較。文獻用此法研究了番茄根分泌物的化感效應(yīng),結(jié)果其根分泌物對黃瓜的苗高及葉面積均有顯著的抑制作用,而對生菜的作用則不明顯。根際區(qū)化感物質(zhì)的分離、鑒定與生物活性的研究。直接從田間取根際土壤和土壤溶液,分離、鑒定其中的化感物質(zhì)并進行生物活性測定,以便研究農(nóng)田土壤中化感物質(zhì)及其來源、作用機制,用于指導(dǎo)作物生產(chǎn)。劉秀芬等在減壓條件下,用帶有多孔陶頭的塑料管原位收集土壤溶液,在根際區(qū)土壤和土壤溶液中鑒定出50多種化合物。研究了其中三種化感物質(zhì)苯甲酸、阿魏酸和以前未見報道的對-叔丁基苯甲酸,后者對玉米和小麥生長發(fā)育的抑制作用明顯強于前兩者。馬瑞霞等研究了小麥根區(qū)土壤細菌、真菌所產(chǎn)生的化感物質(zhì)對小麥、玉米根長的影響。韓麗梅等采用氣相色譜-質(zhì)譜技術(shù)鑒定了用無水乙醇浸提的結(jié)莢期重迎茬大豆根際土壤有機化合物,其中主要含有有機酸類、酯類、醇類、酮類、醛類、苯類、酚類、烴類及萘、呋喃類等;內(nèi)含很多曾被報道的化感物質(zhì),它們可能與大豆重迎茬障礙有關(guān)。1.3種子萌發(fā)試驗一般用水蒸汽蒸餾法提取植物的揮發(fā)性物質(zhì)。在實驗室中,將提取出來的揮發(fā)性物質(zhì)放在密閉容器的底部或上部,或者直接將整株植物材料或葉片放在底部或上部,將無蓋的放有受體植物種子的培養(yǎng)皿放在中間進行種子萌發(fā)試驗。也有在溫室或棚中進行盆栽試驗的。駱世明等研究,檸檬桉的揮發(fā)油對受體植物有明顯的抑制作用。周志紅等發(fā)現(xiàn)番茄的揮發(fā)物對白菜苗高及根長有明顯的抑制?？状谷A等發(fā)現(xiàn)勝紅薊的揮發(fā)物使所有受試植物的幼苗生長均受到顯著抑制,而且揮發(fā)物對苗高的抑制強于對根長的抑制。并證實揮發(fā)油中的主要成份是早熟素I和早熟素II,認為勝紅薊化感作用的有效物質(zhì)主要來源于其揮發(fā)物質(zhì)。也即勝紅薊主要通過揮發(fā)釋放化感物質(zhì)。近期,隨著儀器分析技術(shù)和手段的不斷更新,有研究者采用頂空收集或固相微萃取等方法收集揮發(fā)性物質(zhì),用氣相色譜或氣質(zhì)聯(lián)用儀分離和分析其中的化學(xué)成分。1.4稻田土壤改良劑對水稻幼苗生長的影響許多研究結(jié)果表明,連作條件下土壤生態(tài)環(huán)境對植物生長有很大影響,尤以植物殘體與病源微生物的分解產(chǎn)物對植物有致毒作用,并影響植物根系分泌物正常代謝,以致于發(fā)生自毒作用。番茄就具自毒作用,其根分泌物對自身的株高及鮮重均有明顯的抑制作用。在臺灣,單一種植雙季稻,第二季產(chǎn)量多年來總是低于第一季,有時減產(chǎn)達25%。稻田土水提取液的實驗表明:有水稻殘株的稻田土對水稻幼苗具有毒性。從該土壤中分離出來P-香豆酸、P-羥基苯甲酸、丁香酸、香草酸、阿魏酸等毒性物質(zhì),其來源是浸沒于水中的水稻殘株。甘蔗也有自毒作用。甘蔗葉在土壤中分解后產(chǎn)生P-羥基苯甲酸、阿魏酸、香豆酸、丁香酸、香草酸、酒石酸、蘋果酸、甲酸、草酸等,從而抑制甘蔗幼苗的生長。木麻黃自身分泌的化感物質(zhì)顯著抑制其幼苗的生長。大豆根系分泌物和大豆組織水浸液對“下茬”大豆苗的生長和某些生理活性均有顯著影響。從根系分泌物和植株水浸液中均分離出了已知酚酸類化感物質(zhì)香草酸、香草醛和對羥基苯甲酸。這類物質(zhì)的影響對大豆連作障礙有直接關(guān)系。韓麗梅等也證明,大豆根茬腐解產(chǎn)生的有機化合物中有些是化感物質(zhì),其中某些組分抑制了大豆種子萌發(fā)和胚根生長。根茬腐解產(chǎn)物在大豆連作障礙中起一定作用,但其機理尚待進一步研究。1.5化感作用機理目前,已分離鑒定的化感物質(zhì)幾乎都是植物的次生代謝物質(zhì),一般分子量較小,結(jié)構(gòu)較簡單,大致分為:水溶性有機酸、直鏈醇、脂肪族醛和酮,簡單不飽和內(nèi)酯,長鏈脂肪酸和多炔,醌類,苯甲酸及其衍生物,肉桂酸及其衍生物,香豆素類,黃酮類,單寧,萜類,生物堿和氰醇等。其中最常見的是低分子量有機酸、酚類和萜類化合物?；形镔|(zhì)在自然界中并不是以孤立的方式單獨起作用,它不僅受環(huán)境條件影響,而且還與其他化學(xué)成分相互作用,共同對生物生長產(chǎn)生影響。因此,研究多種成分的綜合效應(yīng)對于探討化感作用的機理,配制天然藥劑具有重要的指導(dǎo)意義。將同一化感植物體內(nèi)的幾種化感成分按不同組合、不同比例混合,觀測它們的化感作用,以尋找化感物質(zhì)在自然狀況下的作用機制。大量研究表明,影響化感物質(zhì)形成的因素主要有:遺傳因素和生態(tài)環(huán)境條件因素,特別是氣候條件往往是重要影響因素。但這方面的研究報道不多,有待加強。化感物質(zhì)往往是植物在長期的進化過程中經(jīng)自然選擇保留下來用于防御及在生存競爭中取勝的武器。對其作用機理的研究還不是很透徹。最近,有一些報道指出:向日葵內(nèi)酯抑制氧化磷酸化;咖啡酸引起大戟水分平衡和光合作用變化;倍半萜內(nèi)酯引起質(zhì)膜破裂和原生質(zhì)溶解;蕓香化感物質(zhì)引起蘿卜細胞結(jié)構(gòu)變化。1.6化感作用的有效性化感作用存在與否以及化感作用的強弱會受到環(huán)境因子、生物因子及植物密度等因素的影響。如萜類的化感作用在干旱氣候條件下尤為顯著,在內(nèi)陸和沙漠地區(qū)生長的植物,體內(nèi)精油含量較多,其化感作用也比較強。勝紅薊的生長條件愈差,化感作用愈強。桉樹林在干旱的條件下化感作用更強。對這種現(xiàn)象的解釋是,環(huán)境條件愈惡劣,植物愈會分泌更多的化感物質(zhì)來抑制周圍其他植物的生長,以便自身獲得較多的營養(yǎng),從而在生存競爭中取勝。有些報道認為,植物密度過低時,化感作用的影響會增大,化感物質(zhì)的有效性增大。其原因是平均每株植物所接受的化感物質(zhì)的量比較多,受到的影響大。植物物種類型、群落結(jié)構(gòu)、種群密度等對化感物質(zhì)的敏感性差異很大。動物、微生物的作用也會影響化感作用。特別是土壤中的微生物對植物化感作用有直接或間接的影響。因此,植物根系分泌物在土壤中的化感作用是十分復(fù)雜的,常常伴隨著微生物的作用。1.7對水稻幼苗生長的影響微生物與植物之間的化感作用研究的還比較少。最近,曾任森等研究了大型真菌彩色豆馬勃與植物的化感作用,發(fā)現(xiàn)彩色豆馬勃子實體的水、乙醇和丙酮抽提物對稗草和水稻幼苗生長有極顯著的抑制作用。并分離得到兩個化感物質(zhì):豆馬勃內(nèi)酯和麥角甾醇。祝心如等發(fā)現(xiàn),三裂葉豚草水浸液抑制大豆根瘤的生長,使根瘤數(shù)目減少,體積縮小。胡江春等發(fā)現(xiàn),土壤紫青霉菌分泌毒素對連作大豆全生長發(fā)育過程具危害作用,這是大豆連作減產(chǎn)的主要原因,也是大豆連作減產(chǎn)機理的核心之一。1.8化感作用的種類就高等植物來說,在化感作用方面已被研究過的有上百種之多,其中被證實有化感作用的有:(1)雜草類。(2)木本植物類。(3)作物和牧草類。(4)水生植物類。還有一些地衣、藻類、真菌和蕨類植物被研究過。2未來研究2.1實驗室使用的標準目前,化感作用的生物檢測體系還不規(guī)范和完善,不同的實驗室可能會采用不同的標準,這就使結(jié)果無法比較。因此,建立一個操作簡潔、快速,能批量篩選、針對性強以及檢測結(jié)果可比性好的方法,便于國內(nèi)外研究結(jié)果的交流。2.2化感作用的研究應(yīng)得到重視。