禾本科植物化感作用的研究现状和发展前景1

(2008-06-09 19:20:22) 

摘  要：近年来有关禾本科植物化感作用的研究较多，但主要集中在水稻、小麦等作物上。本文将从禾本科化感作用的现象、化感物质、研究方法、化感作用的机制、遗传性状及研究中应注意的问题等方面进行概述，并探讨今后禾本科植物化感作用的发展前景。

关键词：化感作用；禾本科植物；研究现状；前景展望

利用植物的化感作用控制农田杂草技术被视为21世纪发展可持续农业的生物工程技术之一。植物化感作用(Allelopathy)是指一种活体植物(供体)产生并通过挥发(Volatilization)、淋溶(Leaching)、分泌(Exudates)和分解(Decomposition)等方式向环境释放某些化学物质而影响周围其它植物(受体)的生长和发育的化学生态学现象[1]。具有化感作用的物质称为化感物质(Allelochemical)。当化感物质释放到环境时，对同种或不同种的植物群落中相同等级的植物或不同水平的植物、同时期生长的或晚期生长的植物产生抑制或刺激植物生长的作用。广义的化感作用还包括植物对周围微生物的作用，以及由于植物残株的腐解而带来的一系列影响[2]。近年来众多科学家对水稻、小麦、白三叶、毛竹等禾本科植物有深入研究，由于研究手段的不断改善和多学科间的通力合作，使化感作用研究不断走向深入，并取得可喜的成绩。

1 禾本科植物的化感现象 

禾本科植物的化感现象通常表现为禾本科植物活体或残体向环境中释放次生代谢物质对自身或其他生物产生作用,它既表现出有利的一面又表现出有害的一面。

有利的一面如作物对杂草产生抑制作用。作物在生长过程中直接通过根分泌或水淋溶的方式释放对杂草种子萌发和生长产生抑制的化感物质，或通过作物残体在微生物作用下产生毒性物质，达到对杂草的抑制作用[3]。

自毒作用是作物化感现象所表现出的有害的一面,它是指作物的活体植株、残株或残茬的水溶物不仅仅只对其他植物的生长产生影响，有时还抑制自身的种子萌发和幼苗的生长。这一作用在作物生产中主要表现为作物连作造成的产量下降。这种自毒作用受温度、光照、土壤湿度、土壤肥力以及排水条件等环境因素的影响。

2 禾本科植物的化感物质

化感物质的分析研究是化感作用研究中一个重要方面,化感物质的分离鉴定不仅可以帮助人们揭示化感作用的机理,而且在进一步的育种研究中,正确的化感物质将可以作为基因定位的标记。

2.1 禾本科植物中所含的化感物质种类

⑴ 酚酸类化感物质  禾本科植物组织中的总的酚类物质含量与其化感效应呈正相关。酚酸类化合物含有多种物质如阿魏酸(frolic acid)、香草酸(vanilla acid)、丁香酸(syringes acid)、对羟基苯甲酸(p-Hydroxybenzoic acid)和对香豆酸(p-comedic acid)等[4-7]。酚酸类化感物质包括一些简单的苯酚类物质,它们的分子结构中至少含有一个羟基直接连接到苯环上,苯羟基的存在使得该类化感物质的水溶性增强,易被淋溶,有利于自然条件下化感作用的发挥。

⑵ 异羟肟酸  异羟肟酸(4-羟基-1 ,4-苯并恶唑-3-酮)是禾谷类作物产生的一类主要的化感物质,异羟肟酸中含量最丰富的是DIMBOA,一些被测品种的根和叶片中都含DIMBOA。此外,DIMBOA的脱甲氧基衍生物DIBOA也是禾本科植物主要的化感物质之一[8]。有研究表明,DIMBOA和DIBOA在抗虫、抑草、抗微生物和抗真菌等方面都起到重要的作用[9] 。禾本科植物中化感物质还包括其他物质，表1、2列举了水稻和小麦化感物质的种类。

表1　水稻化感物质的种类

表2 小麦化感物质的种类

禾本科植物的化感作用是通过向环境中释放化感物质而实现的,化感物质存在于植株的不同组织中。但是,并不是植株中所有化感物质都能产生化感作用,只有那些能够通过有效途径释放到环境中的化感物质才能对其自身和其它植物产生化感抑制作用。禾本科植物化感物质向环境中释放的主要途径有：①淋溶和挥发；②根部分泌；③植物残体在土壤中分(降)解；④种子萌发和花粉传播。

2.3 化感物质的分离和鉴定

根据现有的研究报道,认为植物化感物质多数属于次生代谢物。主要有苯丙烷(phenyl propones)、乙酸类(acetogenins)、萜类(threnodies)、类固醇(steroids)和生物碱(alkaloids)五大类[31]，多数是通过莽草酸途径或异戍二烯途径产生的。目前已知的植物次生物质已超过40万种[32]。但是其中只有那些通过自然途径进入环境并对周围植物发生作用的才是化感作用物质。然而禾本科植物的化感物质因物种或品种的不同，其化学机构也可能有别。因此，需要进行化感物质的分离与鉴定。目前常用的化感物质分离方法有萃取法、重结晶法、柱色谱法、硅酸柱层析法、Sephardim LH—20柱层析法、硅酸薄膜层析法、微晶纤维膜层析法、高压液相色谱法(HPLC)和色相色谱—质谱联用分析法(GCöM S) [33]。对主要化感物质分子结构的鉴定方法有原子吸收法、红外光谱法、柱磁共振谱法、质谱法、气相色谱法等。然而，在化感物质分离与鉴定过程中还存在两个难点：①自然化感物质的收集或提取，特别是在田间条件下如何鉴别真正对受体植物起作用的化合物是根系分泌物还是经过土壤生物分解后的降解物；②分离到的化感物质繁多，确认哪些化合物在化感作用中起主导作用是个难点，因为是否起主导作用并不能取决于该化合物量的多少。许多学者研究认为化感物质对受体植物的抑制作用是各种化合物联合作用的结果，因此如何判断这种综合效应也是个技术难点。Dilday等在利用高压液相色谱仪(HPLC)筛选鉴定水稻化感作用种质资源时发现，化感作用较强的水稻，其叶片提取物的吸收波峰及其逗留时间往往相似[34]，这就启发我们今后应借鉴地鉴定地道药材的化学指纹法来综合分离鉴定化感作用潜力及其综合特性。

3 禾本科植物化感作用的研究方法

建立一套简易而科学的研究方法是化感作用研究能否取得成效的关键，综观世界范围内研究化感作用所采用的方法主要有以下几种:

⑴ 水浸提生物测试法

这一方法是目前被普遍采用的方法，其优点是简便易行，适合用于在实验室内大量筛选化感作用种质资源[35]。然而采用这种方法，必须注意提取液的处理浓度和渗透压问题。不少研究者在实际应用中往往忽视了这一点，以致有人对此提出质疑。即对受体植物生长和发育的抑制作用，究竟是由于化感物质的直接作用引起的还是由于处理浓度过大以致受体细胞的反渗透而导致的？而且具有化感作用的植物引起植株淋溶、根系分泌、残体分解和气体发挥所释放的化感物质往往与运用这种离体植株人工浸提所获得的物质有着本质上的区别。为此，国际上许多同行提出了修正后的研究方法。

⑵ 植物箱生物测试法

这一方法是日本学者Fu jii于1990年提出的[36]。该方法是利用活体植株在一个半透膜圈套中生长(内含蒸馏水)，而其根系分泌物向外(175%琼脂培养基)自由扩散，形成分泌物浓度随其距离成梯度递减的现象。这样可以通过测定周围受体植物胚根生长状况来评判供体植物的化感作用潜力。该方法克服了水浸提法的弊端，已被国际上许多研究者所采用。

⑶ 迟播共培法

其做法是预先播30粒供体种子于培养皿中，并把种子排成相互平行的两行，每行15粒，播种前种子需经215%次氯酸钠溶液消毒10min；播种后，每皿用710g不含任何养分的珍珠岩(Perlite)覆盖种子，用于固定根系，之后把它移入一个直径较大的烧杯中，每个烧杯装有30ml蒸馏水，并通过一狭长的过滤纸作为两个不同容器的过桥板，烧杯中的水分通过滤纸的吸潮作用，自动地移入培养皿中，以保证种子覆盖物湿润通气，之后用一张透明塑料菁膜把烧杯口密封保存于室内；4d后再给每个烧杯加入20ml蒸馏水；培养7d后，在每个培养皿中播20粒经过消毒后的无菌受体植物种子(如稗草等)，均匀地播于两行供体水稻种子之间，与此同时再加入30ml蒸馏水于烧杯中；14d后，对供体植物进行适当调整，使之排列均匀以减少体体植物与受体植物之间对光资源的竞争，之后移入生产房内继续培养3d(每天光照12h，光强不低于3000Lux，温度在29—33℃)；于第17d洗去珍珠岩测定受体植物的根长，并以不具化感作用种子作对照，评断化感作用潜力。

⑷ 化感—竞争分离法

在室内的测试方法中Fu jii的植物根箱法[37]和Olofsdotter的迟播共培法[38]都已经考虑到排除竞争的问题。而在田间试验如何通过合理设计分离资源竞争与化感作用现象,长期以来未能得到很好解决。近年来，美国学者Weidenhamer提出一种盆栽组合设计的化感—竞争分离法[39]。该方法采用具有化感作用潜力的禾本科植物和不具化感作用的禾本科植物品种为共体，分别播种于盆钵中，受体稗草混播其中。每盆供体植株的密度保持一致，而对受体稗草分别设计几组不同密度。生长一定时间后，与不具化感作用植株混播的受体稗草单株干重随其种植密度增加而降低，这显然是资源竞争的结果；而与具有化感作用潜力的植株品种混播生长的受体稗草，由于化感作用的影响，当受体稗草种植密度小时，单株分享到化感物质必然就多，其生长受到抑制也大，反之则小，这样受体稗草单株茎干重随其密度增大而增大，产生了与资源竞争曲线偏离的现象。偏离越大，表明其化感作用潜力越强。然而，由于供体植株与对照品种的基因型存在差异，往往表现在资源竞争能力上有差别，这就势必影响到试验结果的准确性。因此采用近等基因系具有化感作用的供体植株和不具有化感作用的对照品种，成功地分离了资源竞争和化感作用的现象[40-41]。

⑸ 琼脂混粉法

就是将植物组织的粉末混合在0.5%琼脂溶液中后制成含粉培养基，而后在其上栽植已发芽的供试植物，如生菜、小麦及杂草等，这种方法具有不用提取就可以大通量测定的特点，灵敏度高，操作简便，测定时间短，重复性好[42]。

4 禾本科植物化感作用机制

⑴ 抑制杂草种子发芽　化感物质最重要的作用机理是抑制杂草种子的发芽，从而减缓或破坏杂草的生长发育[43-44]。禾本科植物化感物质通过抑制杂草种子萌发所需要的关键酶类，影响杂草的发芽生长。禾本科植物化感物质中具不同结构的内脂抑制淀粉酶活性，绿原酸、咖啡酸、儿茶酚等化感物质也抑制种子萌发的关键酶——磷酸化酶，单宁抑制过氧化物酶、纤维素酶，使种子萌发受抑制[45]。

⑵ 破坏膜功能　化感物质降低受体杂草幼苗生长中的超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)的活性，从而使杂草体内活性氧增多，启动膜质过氧化，从而破坏膜的结构，改变受体植物膜功能，增加膜透性，最终导致植物生长受阻这是水稻化感作用的作用机制之一[46-47]。

⑶ 影响植物生长调节系统　化感物质提高受体杂草中吲哚乙酸氧化酶(IAAoase)的活性, 降低了吲哚乙酸水平，从而改变激素水平或影响激素平衡，破坏受体杂草的生长调节系统，使细胞和生长受阻，达到抑制幼苗生长的目的[48-49]。

⑷ 影响植物的光合作用　水稻化感物质酚类化合物抑制杂草ATP酶的活性，使受体叶片叶绿素含量明显降低，随之影响光合作用中光能的吸收和传递，抑制杂草生长[50]。

⑸ 影响呼吸作用  化感物质通过抑制质膜的ATP酶的水解作用而降低呼吸作用[51],肉桂酸及其衍生物能有效抑制ATP酶活性，从而影响受体杂草的呼吸作用，某些单萜或倍半萜类化合物在作用浓度较低时就能影响植物的呼吸链和ATP合成[52]。

⑹ 影响杂草对养分和水分的吸收  化感物质使受体杂草的膜受到破坏，破坏膜的完整性，影响杂草对营养物质的吸收。酚酸类化感物质使质膜去极化，改变质膜的透性，使大量离子从根内渗出[53]。酚酸类化感物质抑制根部对矿质元素的吸收[54-55]。

综合以上分析可以看出，水稻化感物质通过影响色素积累、激素水平而影响光合作用和生长调节系统，通过改变膜功能而影响受体杂草的生长发育水稻化感机制还有待进一步研究，从而使人们对化感作用有更全面的理解，促进化感作用的研究。

（接“禾本科植物化感作用的研究现状和发展前景2”）