植物化感作用的研究進(jìn)展

植物化感作用的研究進(jìn)展

最近，植物化感作用成為生態(tài)學(xué)研究的亮點(diǎn)之一。生態(tài)系統(tǒng)內(nèi),植被形成和演替的過(guò)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(chóng)的關(guān)系等都存在化感作用。因此,研究化感作用對(duì)于作物增產(chǎn)、森林撫育、植物保護(hù)、生物防治、環(huán)境保護(hù)和促進(jìn)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(guò)4種途徑進(jìn)入環(huán)境。其收集方法因不同的研究對(duì)象和不同的化學(xué)性質(zhì)而不同,對(duì)于粗提物還要用色譜法分離,檢測(cè)各組分的活性,對(duì)其中的活性組分進(jìn)一步分離,以得到純品并進(jìn)行結(jié)構(gòu)鑒定。1.1物水抽提液對(duì)同一供體植物的影響可用水抽提液做培養(yǎng)液,對(duì)受體植物進(jìn)生物測(cè)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(duì)同一受體植物的作用,以檢測(cè)供體植物有無(wú)化感作用以及比較它們之間化感作用的強(qiáng)弱。(2)觀察同一植物水抽提液對(duì)不同植物種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)的影響,以檢測(cè)同一供體植物對(duì)不同植物的影響,從中篩選出對(duì)作物無(wú)害而對(duì)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(duì)同種植物不同器官(根、莖、葉、花)水抽提物的活性進(jìn)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(qiáng)。勝紅薊莖對(duì)根長(zhǎng)的抑制作用最強(qiáng)。(5)觀察同種植物不同生育期水溶物對(duì)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(qiáng)。例如,勝紅薊各器官水溶物對(duì)黃瓜的抑制作用是生殖生長(zhǎng)期比營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期強(qiáng),但是整株水溶物的抑制作用卻是營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期比生殖生長(zhǎng)期強(qiáng)。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(guó)內(nèi)外較廣泛采用“根系分泌物連續(xù)收集系統(tǒng)”來(lái)收集根分泌物。采用專門設(shè)計(jì)的水培或砂培系統(tǒng),用XAD-4樹(shù)脂收集未受干擾的根分泌物,再用甲醇洗脫樹(shù)脂中吸附的物質(zhì),進(jìn)行生物測(cè)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(duì)受體植物幼苗有明顯抑制作用,其中對(duì)根生長(zhǎng)的抑制作用強(qiáng)于對(duì)幼苗生長(zhǎng)的抑制作用。水培試驗(yàn)研究根分泌物的化感效應(yīng)。將長(zhǎng)勢(shì)一致的供體和受體幼苗同時(shí)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(duì)照比較。文獻(xiàn)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(duì)黃瓜的苗高及葉面積均有顯著的抑制作用,而對(duì)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(jìn)行生物活性測(cè)定,以便研究農(nóng)田土壤中化感物質(zhì)及其來(lái)源、作用機(jī)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(jiàn)報(bào)道的對(duì)-叔丁基苯甲酸,后者對(duì)玉米和小麥生長(zhǎng)發(fā)育的抑制作用明顯強(qiáng)于前兩者。馬瑞霞等研究了小麥根區(qū)土壤細(xì)菌、真菌所產(chǎn)生的化感物質(zhì)對(duì)小麥、玉米根長(zhǎng)的影響。韓麗梅等采用氣相色譜-質(zhì)譜技術(shù)鑒定了用無(wú)水乙醇浸提的結(jié)莢期重迎茬大豆根際土壤有機(jī)化合物,其中主要含有有機(jī)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(bào)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(yàn)一般用水蒸汽蒸餾法提取植物的揮發(fā)性物質(zhì)。在實(shí)驗(yàn)室中,將提取出來(lái)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(wú)蓋的放有受體植物種子的培養(yǎng)皿放在中間進(jìn)行種子萌發(fā)試驗(yàn)。也有在溫室或棚中進(jìn)行盆栽試驗(yàn)的。駱世明等研究,檸檬桉的揮發(fā)油對(duì)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(duì)白菜苗高及根長(zhǎng)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(zhǎng)均受到顯著抑制,而且揮發(fā)物對(duì)苗高的抑制強(qiáng)于對(duì)根長(zhǎng)的抑制。并證實(shí)揮發(fā)油中的主要成份是早熟素I和早熟素II,認(rèn)為勝紅薊化感作用的有效物質(zhì)主要來(lái)源于其揮發(fā)物質(zhì)。也即勝紅薊主要通過(guò)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(duì)水稻幼苗生長(zhǎng)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(duì)植物生長(zhǎng)有很大影響,尤以植物殘?bào)w與病源微生物的分解產(chǎn)物對(duì)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(duì)自身的株高及鮮重均有明顯的抑制作用。在臺(tái)灣,單一種植雙季稻,第二季產(chǎn)量多年來(lái)總是低于第一季,有時(shí)減產(chǎn)達(dá)25%。稻田土水提取液的實(shí)驗(yàn)表明:有水稻殘株的稻田土對(duì)水稻幼苗具有毒性。從該土壤中分離出來(lái)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(lái)源是浸沒(méi)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(píng)果酸、甲酸、草酸等,從而抑制甘蔗幼苗的生長(zhǎng)。木麻黃自身分泌的化感物質(zhì)顯著抑制其幼苗的生長(zhǎng)。大豆根系分泌物和大豆組織水浸液對(duì)“下茬”大豆苗的生長(zhǎng)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(duì)羥基苯甲酸。這類物質(zhì)的影響對(duì)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(jī)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(zhǎng)。根茬腐解產(chǎn)物在大豆連作障礙中起一定作用,但其機(jī)理尚待進(jìn)一步研究。1.5化感作用機(jī)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(jiǎn)單,大致分為:水溶性有機(jī)酸、直鏈醇、脂肪族醛和酮,簡(jiǎn)單不飽和內(nèi)酯,長(zhǎng)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(jiàn)的是低分子量有機(jī)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(dú)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(duì)生物生長(zhǎng)產(chǎn)生影響。因此,研究多種成分的綜合效應(yīng)對(duì)于探討化感作用的機(jī)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(cè)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(jī)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(bào)道不多,有待加強(qiáng)?；形镔|(zhì)往往是植物在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中經(jīng)自然選擇保留下來(lái)用于防御及在生存競(jìng)爭(zhēng)中取勝的武器。對(duì)其作用機(jī)理的研究還不是很透徹。最近,有一些報(bào)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(xì)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(qiáng)弱會(huì)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(zhǎng)的植物,體內(nèi)精油含量較多,其化感作用也比較強(qiáng)。勝紅薊的生長(zhǎng)條件愈差,化感作用愈強(qiáng)。桉樹(shù)林在干旱的條件下化感作用更強(qiáng)。對(duì)這種現(xiàn)象的解釋是,環(huán)境條件愈惡劣,植物愈會(huì)分泌更多的化感物質(zhì)來(lái)抑制周圍其他植物的生長(zhǎng),以便自身獲得較多的營(yíng)養(yǎng),從而在生存競(jìng)爭(zhēng)中取勝。有些報(bào)道認(rèn)為,植物密度過(guò)低時(shí),化感作用的影響會(huì)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(duì)化感物質(zhì)的敏感性差異很大。動(dòng)物、微生物的作用也會(huì)影響化感作用。特別是土壤中的微生物對(duì)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(duì)水稻幼苗生長(zhǎng)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(shí)體的水、乙醇和丙酮抽提物對(duì)稗草和水稻幼苗生長(zhǎng)有極顯著的抑制作用。并分離得到兩個(gè)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(zhǎng),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(duì)連作大豆全生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)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(jī)理的核心之一。1.8化感作用的種類就高等植物來(lái)說(shuō),在化感作用方面已被研究過(guò)的有上百種之多,其中被證實(shí)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(guò)。2未來(lái)研究2.1實(shí)驗(yàn)室使用的標(biāo)準(zhǔn)目前,化感作用的生物檢測(cè)體系還不規(guī)范和完善,不同的實(shí)驗(yàn)室可能會(huì)采用不同的標(biāo)準(zhǔn),這就使結(jié)果無(wú)法比較。因此,建立一個(gè)操作簡(jiǎn)潔、快速,能批量篩選、針對(duì)性強(qiáng)以及檢測(cè)結(jié)果可比性好的方法,便于國(guó)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。