水生高等植物化感作用研究进展

水生高等植物化感作用研究进展

1传统化感作用的定义在过去的几十年里，由于人类的生产和生活活动，大量污染物进入水生态系统，导致水体富营养化和毒性藻类。其中,淡水水体大都形成有毒蓝藻水华,近海水体大都形成有毒甲藻赤潮。水生高等植物在稳定水系生物结构,提高水体自净能力等方面具有重要作用。水生高等植物不但能吸收水体中过剩的营养物质,提供营养物质输出渠道,而且一些种类能够分泌化感物质,破坏藻类正常的生理代谢功能,迫使藻类死亡,提高水体透明度。这些化感物质主要为水生植物的次级代谢产物,生态安全性高。“化感作用”一词,最早由Molisch于1937年提出,用于描述植物通过释放抑制性物质来抑制与其共同栖息地的其它植物生长的一种自然现象。1984年,Rice重新定义了化感作用,即植物与植物之间,包括植物与微生物之间的相互促进或相互抑制作用。1949年,Hasler等人首次发现了水生植物对藻类的克制效应。传统化感作用研究主要存在于陆地生态系统,导致水体化学物质的分离鉴定严重滞后。由于水体中化学物质的广泛分布以及水体流动性,使得从水体中分离化学物质更加困难。近几年,由于抑藻化学物质的不断分离鉴定,通过植物化感作用来控制藻类生长的研究倍受关注,但这些化学物质是否均为化感物质?还有待继续考究。2和光能的利用水生高等植物分为四大类:挺水植物,漂浮植物,浮叶植物和沉水植物。由于其生活环境和生长习性的不同,这四类植物抑藻效应亦有区别。水生植物和浮游藻类在营养物质和光能的利用上是竞争者,而且某些水生植物根系还能分泌出化感物质,破坏藻类正常的生理代谢功能,迫使其死亡,达到抑制藻类生长的作用。与淡水水域相比,由于生物与非生物因素的影响,海岸附近具有较少的高等植物分布。其中大叶藻(Zosteramarina)在海草群落中经常占据优势,Hanison发现其新鲜叶片以及干叶片的提取物具有抑藻作用,其抑藻物质可能为苯酚类。而在咸水域中生长良好的流苏菜(RRuppiamaritima)也具有抑藻作用,其化感物质为二帖类。2.1化感抑藻功能常见的挺水植物,如宽叶香蒲(Typhalaotifolia),石菖蒲(Acorustatarinowii),两栖寥(PolygonumphibiumL.),芦苇(PhragmitescommunisTrin)等不但能通过对水流的阻力来减小风浪扰动,使悬浮物质沉降,而且还具有化感抑藻作用。Della等人从宽叶香蒲中分离出具有抑藻活性的次级代谢产物甾醇,脂肪酸类。李锋民,胡洪营等在国际上首次从大型挺水植物芦中分离并鉴定出化感物质,2-甲基乙酰乙酸乙酯。已报道的具有抑藻活性的挺水植物还包括广泛分布于湿地的灯心草(Juncusefisus)。Della等人从灯心草中分离出具有抑藻活性物质9,10-双氢菲类,苯丙基甘油酯。2002年,他们在J.acutus中也分离出了这类物质,说明此类物质在灯心草属中广泛分布。2.2水浮莲化合物来源漂浮植物在缓慢流动水体中生长良好,能够免受风与波浪的袭击。许多具有克藻效应的水生植物均为常见的漂浮植物如水浮莲(Pistia.stratiotes),满江红(Azollaimbircata),浮萍(LemnaminorLinn.),紫萍(Spirodelapolyrhiza),凤眼莲(Eichhorniacrassipes)。其中已从凤眼莲与水浮莲分离鉴定出化感物质。在凤眼莲分布占据优势的富营养与亚富营养湖泊以及河道中,由于营养、光的竞争以及化感作用,浮游藻类密度较低。1990年,孙文浩等从凤眼莲根系中分离并鉴定出抑藻物质N-苯基-2-萘胺等化学物质。水浮莲是另外一种在内陆水生态系统中迅速扩增引发生态问题的植物。1991年,Aliotta等人从水浮莲中分离出脂溶性抑藻物质,主要包括亚油酸,γ-亚油酸,(12R,9Z,13E,15Z)-12-羟基-9,13,15-十八碳三烯酸,α-细辛醚,24S-醚基-4,22-胆甾二烯-3,6-二酮等。浮叶眼子菜(Potamogetonnatans),既具有浮水叶片部分也具有沉水叶片部分,Cangiano等人已证明其能够产生几种双帖类物质,抑制藻类的生长。2.3化感作用物质水生态系统中,许多沉水植物如穗花狐尾藻(MyriophyllumspicatumL.),水盾草(Cabombacaroliniana),金鱼藻(Ceratophyllumdemersum),大茨藻(Najasmarina),马蹄莲(Zantedeschiaaethiopica),水剑叶(Stratiotesaloides),黑藻(Hydrillaverticillata),马来眼子菜(Potamogetonmalaianus),苦草(Vallisneriaratans)等,与藻类之间相互作用复杂,包括空间竞争,营养竞争,分泌化感物质和改变周围的水体环境。其中已从穗花狐尾藻,水剑叶,金鱼藻,苦草中分离出化感物质。沉水植物分泌的化感物质主要包括多酚类,有机酸类,类黄酮,不饱和酯类以及含硫化合物。金鱼藻,穗花狐尾藻,苦草广泛分布于内陆水生态系统中,具有强烈的化感抑藻作用,在水环境治理方面拥有广阔的应用前景。1994年Jasser提出金鱼藻能够抑制浮游植物的生长,同年Wium-Andersen等人从金鱼藻脂溶性提取物中分离出抑藻物质含硫化合物。2008年,徐洁等人研究了金鱼藻与铜绿微囊藻混合培养时,金鱼藻分泌的化感物质。与铜绿微囊藻单独培养相比,检测出15种不同于铜绿微囊藻释放的化合物,其中N-苯基2-萘胺、脱氢枞酸甲酯和脱氢枞酸乙酯,对藻类具有化感作用。2000年,Gross从穗花狐尾藻中分离出具有抑藻活性的五倍子酸,鞣花酸,丹宁酸等多酚类物质。2002年,Leu等人从穗花狐尾藻分离出抑藻类物质特里马素Ⅱ。Aliotta从橄榄油磨坊污水里分离出的多酚类物质具有抑藻活性,进一步证明水体中多酚类物质为化感物质的可能性。2006年,鲜啟鸣等人从苦草提取物中分离出儿种有效抑制铜绿微囊藻的物质,包括:二氢猕猴桃醇酸内酯,4-氧代-β-紫罗酮,3-羟基-5,6-环氧-β-紫罗酮,萜内酯,6-羟基-3-氧代-α-紫罗酮等。水剑叶广泛分布于南美洲,2007年,Gross从中分离出的化感物质能够有效抑制蓝藻的生长,这类物质为微脂溶性,很有可能为非多酚类物质。水体中化感物质发挥作用需具有一定水溶性与一定脂溶性。水溶性能够使其有效溶于水体,脂溶性能够保证其不被迅速稀释扩散,聚集产生有效浓度。所以,水体中的化感物质很有可能为两性。而有些水生植物能够同时分泌水溶性物质与脂溶性物质,脂溶性物质在水体以微体的形式存在。这两类物质分别作用于藻类的不同生理部位,水溶性物质以水为介质运输到靶位,脂溶性物质通过细胞接触直接作用。高等水生植物产生的化感物质大都具有部分水溶性,多为酚类,萜类,生物碱类物质,还包括具有特殊羟基的脂肪酸,甾醇类。3影响水生生物等环境因素的环境因素3.1低氮胁迫对穗花合作果营养物质胁迫主要通过两种途径来提高化感作用的效率:一是水生高等植物在营养胁迫环境中易于诱导产生化感物质或增加化感物质产生量。2003年,Gross通过研究经不同氮源处理的穗花狐尾藻的多酚以及特里马素Ⅱ释放量的变化情况后发现,经低氮处理诱导,特里马素Ⅱ的释放量增加。二是受抑藻类可能在营养胁迫环境中对化感物质更为敏感。2005年,Fistaroll等人通过研究三毛金藻(Prymnesiumparvum)对营养胁迫条件下培养的威氏海链藻(Thalassiosiraweissflogii)的化感抑制作用,发现在氮以及磷缺陷条件下培养的威氏海链藻,与正常培养条件下相比,受抑较明显。而且在氮胁迫条件下受抑最明显,其次为磷胁迫。这表明营养环境能够影响受抑藻类对化感物质的敏感性。3.2光照对穗花配置尾藻总酚和马素iii释放量的影响不同光照强度培养下的高等水生植物,其化感物质释放量有所变化。2003年,Gross通过研究在不同光照强度下穗花狐尾藻总酚以及特里马素II的释放量发现,低光照条件下,特里马素II的释放量增加。光还能够引发水体化感物质发生变化,其中包括:氧化,裂解,聚合。至于光周期能否调节高等水生植物的抑藻作用,还尚未见报道。3.3气体及脂肪酸微生物对化感作用的影响缘自对化感物质数量和种类的影响。酚酸类物质能够抑制微生物产生气体与脂肪酸,并且可减少微生物对其生长介质的消耗。虽然微生物不存在与藻类竞争光与营养物质,但微生物通过分解化感物质来加强其附生。Gross通过获得穗花狐尾藻无菌苗,发现与自然条件相比,其提取物对蓝藻抑制作用较强,表明有微生物的降解发生。4水生高等植物化感物质的作用机制4.1化感作用系统化感物质对藻类光合作用的影响主要表现为叶绿素a含量的降低与光合作用过程的阻断。有些水生高等植物产生的化感物质能够破坏藻类的叶绿素,减少藻类的同化产物,从而抑制藻类的生长。凤眼莲根系附着的藻细胞中叶绿素a的含量明显下降,而其降解产物脱镁叶绿素a酸酯的含量升高,这说明了化感物质可能促进了叶绿素a的降解。海洋系统中大叶藻的水溶性提取物,降低了附生硅藻的初级生产力。1983年,Wium-Andersen等人证明金鱼藻分泌的含硫化合物能够有效降低藻类初级生产力。化感物质能够与光合电子传递链的特定位点相结合,从而阻断光合作用的发生。Leu等人从穗花狐尾藻分离出的抑藻物质特里马素Ⅱ,它能够有效抑制几种丝状蓝藻的PSII活性。最近研究显示,不同种类的化感物质通过作用于光合系统的不同部位来影响藻类的光合作用。2008年,吴程,常学秀等通过研究粉绿狐尾藻分泌的化感物质在铜绿微囊藻光合系统上的作用靶位点,发现藻胆蛋白(尤其是APC)比Chla更为敏感,说明藻胆蛋白是穗花狐尾藻化感物质抑制铜绿微囊藻的关键靶点。4.2东北部酚类物质分离化感物质主要影响浮游藻类胞外酶与胞内酶的活性。藻类通过释放胞外酶从水体中获取营养物质。胞外酶的破坏能够改变浮游藻类的竞争性,进而影响其生存环境。2002年,Leu等人从穗花狐尾藻分离出的特里马素Ⅱ及其它酚酸类物质,能够有效抑制微藻产生的碱性磷酸酶并且混合酚酸类物质对酶活性的抑制作用较单一酚酸效果强烈。2008年,胡洪营发现从芦苇中分离出来的抑藻活性组分能够降低藻细胞中超氧化物酶(SOD)与过氧化物酶的(POD)活性,引起某些脂类的过氧化。4.3黑藻氧化物检测化感物质能够引起藻细胞亚显微结构的变化。2002年,Pollio等人通过研究α-细辛醚对两种绿藻亚显微结构的影响表明,添加α-细辛醚24小时与72小时后,细胞壁结构发生变化,线粒体片层增多以及出现电子密度大颗粒沉积。黑藻分泌物可使铜绿微囊藻细胞质壁脱离、类囊体片层结构松散杂乱,且损伤作用随时间延长而加剧。2007年,李锋民,胡洪营等通过研究2-甲基乙酰乙酸乙酯对藻细胞膜和亚显微结构的影响,发现2-甲基乙酰乙酸乙酯使蛋白核小球藻和铜绿微囊藻细胞壁脱落,细胞膜破裂,细胞内含物渗出,细胞内片层结构解体,细胞核和线粒体结构损坏。5问题和视角5.1植物群落组织萃取水生植物化感物质的提取方法包括两种:植物组织萃取与种植水浓缩。植物组织萃取为检测不同种水生植物以及同种植物不同季节潜在的化感作用差异性提供可能。植物组织萃取方法能够检测环境胁迫对化感作用的影响。但室内试验不能证明实地化感作用的发生,而且化感物质在水体中含量很低,因此从水体中分离并鉴定有效化感物质相当困难。5.2水生态系统生物化感物质结构的技术鉴定难植物组织提取物或种植水经SPE(固相萃取)富集,洗脱后,据化感物质物理性质与化学性质不同,经色谱,红外,质谱,核磁共振等技术来分级分离鉴定有效化感物质。化感物质结构的鉴定一直以来是化感研究领域的难点。与陆地系统分离的化感物质相比,水生态系统中分离的化感物质多数情况含量很低,而且大多数化感物质分子量较大,物质之间分子量成数量级差异。导致使用核磁共振等技术分析较困难。所以,新的有效的分析技术有待开发。5.3物质的影响有关化感物质抑藻作用机制研究尚处于初步阶段。从目前报道看,化感物质主要影响藻类的光合作用,细胞膜完整性,酶的活性,呼吸作用以及亚显微结构的变化。目前,化感作用机理主要采用植物种植水或植物粗提物来研究,对于单种化感物质抑藻机制及其作用的靶位点研究甚少。5.4其