植物化感作用的研究进展

植物化感作用的研究进展

最近，植物化感作用成为生态学研究的亮点之一。生态系统内,植被形成和演替的过程中、种子萌发和衰败的抑制,农业生产中的间作、套作、轮作、前后茬搭配、残茬处置或利用以及作物和杂草、病虫的关系等都存在化感作用。因此,研究化感作用对于作物增产、森林抚育、植物保护、生物防治、环境保护和促进农业可持续发展等方面有着十分重要的意义和广阔的应用前景。1分离粗提物的活性成分在自然状况下,植物化感物质主要通过4种途径进入环境。其收集方法因不同的研究对象和不同的化学性质而不同,对于粗提物还要用色谱法分离,检测各组分的活性,对其中的活性组分进一步分离,以得到纯品并进行结构鉴定。1.1物水抽提液对同一供体植物的影响可用水抽提液做培养液,对受体植物进生物测定。有以下几种方法:(1)将不同供体植物水抽提液分别放入培养基质中,观察它们对同一受体植物的作用,以检测供体植物有无化感作用以及比较它们之间化感作用的强弱。(2)观察同一植物水抽提液对不同植物种子萌发、幼苗生长的影响,以检测同一供体植物对不同植物的影响,从中筛选出对作物无害而对杂草有抑制作用的化感植物。(3)观察同一植物不同浓度水抽提液的化感作用。此法可观察抽提物浓度的影响,以此找出化感物质的最适作用浓度。(4)对同种植物不同器官(根、茎、叶、花)水抽提物的活性进行比较。同种植物不同器官的水抽提物往往表现出不同的活性。例如,蟛蜞菊叶和茎水抽提物的化感作用最强。胜红蓟茎对根长的抑制作用最强。(5)观察同种植物不同生育期水溶物对受体的影响。此法可看出化感植物在哪一生育期化感作用最强。例如,胜红蓟各器官水溶物对黄瓜的抑制作用是生殖生长期比营养生长期强,但是整株水溶物的抑制作用却是营养生长期比生殖生长期强。1.2根际区化感物质的分离、鉴定与生物活性的研究目前在国内外较广泛采用“根系分泌物连续收集系统”来收集根分泌物。采用专门设计的水培或砂培系统,用XAD-4树脂收集未受干扰的根分泌物,再用甲醇洗脱树脂中吸附的物质,进行生物测定和分离鉴定洗脱液。曾任森等用此法研究蟛蜞菊根分泌物,发现其对受体植物幼苗有明显抑制作用,其中对根生长的抑制作用强于对幼苗生长的抑制作用。水培试验研究根分泌物的化感效应。将长势一致的供体和受体幼苗同时移入2m×1.5m×0.2m的水培槽中,供体种在槽外面,每边2排,共4排;受体种在中间2排,40d,记录受体苗高、鲜重和叶面积与对照比较。文献用此法研究了番茄根分泌物的化感效应,结果其根分泌物对黄瓜的苗高及叶面积均有显著的抑制作用,而对生菜的作用则不明显。根际区化感物质的分离、鉴定与生物活性的研究。直接从田间取根际土壤和土壤溶液,分离、鉴定其中的化感物质并进行生物活性测定,以便研究农田土壤中化感物质及其来源、作用机制,用于指导作物生产。刘秀芬等在减压条件下,用带有多孔陶头的塑料管原位收集土壤溶液,在根际区土壤和土壤溶液中鉴定出50多种化合物。研究了其中三种化感物质苯甲酸、阿魏酸和以前未见报道的对-叔丁基苯甲酸,后者对玉米和小麦生长发育的抑制作用明显强于前两者。马瑞霞等研究了小麦根区土壤细菌、真菌所产生的化感物质对小麦、玉米根长的影响。韩丽梅等采用气相色谱-质谱技术鉴定了用无水乙醇浸提的结荚期重迎茬大豆根际土壤有机化合物,其中主要含有有机酸类、酯类、醇类、酮类、醛类、苯类、酚类、烃类及萘、呋喃类等;内含很多曾被报道的化感物质,它们可能与大豆重迎茬障碍有关。1.3种子萌发试验一般用水蒸汽蒸馏法提取植物的挥发性物质。在实验室中,将提取出来的挥发性物质放在密闭容器的底部或上部,或者直接将整株植物材料或叶片放在底部或上部,将无盖的放有受体植物种子的培养皿放在中间进行种子萌发试验。也有在温室或棚中进行盆栽试验的。骆世明等研究,柠檬桉的挥发油对受体植物有明显的抑制作用。周志红等发现番茄的挥发物对白菜苗高及根长有明显的抑制。孔垂华等发现胜红蓟的挥发物使所有受试植物的幼苗生长均受到显著抑制,而且挥发物对苗高的抑制强于对根长的抑制。并证实挥发油中的主要成份是早熟素I和早熟素II,认为胜红蓟化感作用的有效物质主要来源于其挥发物质。也即胜红蓟主要通过挥发释放化感物质。近期,随着仪器分析技术和手段的不断更新,有研究者采用顶空收集或固相微萃取等方法收集挥发性物质,用气相色谱或气质联用仪分离和分析其中的化学成分。1.4稻田土壤改良剂对水稻幼苗生长的影响许多研究结果表明,连作条件下土壤生态环境对植物生长有很大影响,尤以植物残体与病源微生物的分解产物对植物有致毒作用,并影响植物根系分泌物正常代谢,以致于发生自毒作用。番茄就具自毒作用,其根分泌物对自身的株高及鲜重均有明显的抑制作用。在台湾,单一种植双季稻,第二季产量多年来总是低于第一季,有时减产达25%。稻田土水提取液的实验表明:有水稻残株的稻田土对水稻幼苗具有毒性。从该土壤中分离出来P-香豆酸、P-羟基苯甲酸、丁香酸、香草酸、阿魏酸等毒性物质,其来源是浸没于水中的水稻残株。甘蔗也有自毒作用。甘蔗叶在土壤中分解后产生P-羟基苯甲酸、阿魏酸、香豆酸、丁香酸、香草酸、酒石酸、苹果酸、甲酸、草酸等,从而抑制甘蔗幼苗的生长。木麻黄自身分泌的化感物质显著抑制其幼苗的生长。大豆根系分泌物和大豆组织水浸液对“下茬”大豆苗的生长和某些生理活性均有显著影响。从根系分泌物和植株水浸液中均分离出了已知酚酸类化感物质香草酸、香草醛和对羟基苯甲酸。这类物质的影响对大豆连作障碍有直接关系。韩丽梅等也证明,大豆根茬腐解产生的有机化合物中有些是化感物质,其中某些组分抑制了大豆种子萌发和胚根生长。根茬腐解产物在大豆连作障碍中起一定作用,但其机理尚待进一步研究。1.5化感作用机理目前,已分离鉴定的化感物质几乎都是植物的次生代谢物质,一般分子量较小,结构较简单,大致分为:水溶性有机酸、直链醇、脂肪族醛和酮,简单不饱和内酯,长链脂肪酸和多炔,醌类,苯甲酸及其衍生物,肉桂酸及其衍生物,香豆素类,黄酮类,单宁,萜类,生物碱和氰醇等。其中最常见的是低分子量有机酸、酚类和萜类化合物。化感物质在自然界中并不是以孤立的方式单独起作用,它不仅受环境条件影响,而且还与其他化学成分相互作用,共同对生物生长产生影响。因此,研究多种成分的综合效应对于探讨化感作用的机理,配制天然药剂具有重要的指导意义。将同一化感植物体内的几种化感成分按不同组合、不同比例混合,观测它们的化感作用,以寻找化感物质在自然状况下的作用机制。大量研究表明,影响化感物质形成的因素主要有:遗传因素和生态环境条件因素,特别是气候条件往往是重要影响因素。但这方面的研究报道不多,有待加强。化感物质往往是植物在长期的进化过程中经自然选择保留下来用于防御及在生存竞争中取胜的武器。对其作用机理的研究还不是很透彻。最近,有一些报道指出:向日葵内酯抑制氧化磷酸化;咖啡酸引起大戟水分平衡和光合作用变化;倍半萜内酯引起质膜破裂和原生质溶解;芸香化感物质引起萝卜细胞结构变化。1.6化感作用的有效性化感作用存在与否以及化感作用的强弱会受到环境因子、生物因子及植物密度等因素的影响。如萜类的化感作用在干旱气候条件下尤为显著,在内陆和沙漠地区生长的植物,体内精油含量较多,其化感作用也比较强。胜红蓟的生长条件愈差,化感作用愈强。桉树林在干旱的条件下化感作用更强。对这种现象的解释是,环境条件愈恶劣,植物愈会分泌更多的化感物质来抑制周围其他植物的生长,以便自身获得较多的营养,从而在生存竞争中取胜。有些报道认为,植物密度过低时,化感作用的影响会增大,化感物质的有效性增大。其原因是平均每株植物所接受的化感物质的量比较多,受到的影响大。植物物种类型、群落结构、种群密度等对化感物质的敏感性差异很大。动物、微生物的作用也会影响化感作用。特别是土壤中的微生物对植物化感作用有直接或间接的影响。因此,植物根系分泌物在土壤中的化感作用是十分复杂的,常常伴随着微生物的作用。1.7对水稻幼苗生长的影响微生物与植物之间的化感作用研究的还比较少。最近,曾任森等研究了大型真菌彩色豆马勃与植物的化感作用,发现彩色豆马勃子实体的水、乙醇和丙酮抽提物对稗草和水稻幼苗生长有极显著的抑制作用。并分离得到两个化感物质:豆马勃内酯和麦角甾醇。祝心如等发现,三裂叶豚草水浸液抑制大豆根瘤的生长,使根瘤数目减少,体积缩小。胡江春等发现,土壤紫青霉菌分泌毒素对连作大豆全生长发育过程具危害作用,这是大豆连作减产的主要原因,也是大豆连作减产机理的核心之一。1.8化感作用的种类就高等植物来说,在化感作用方面已被研究过的有上百种之多,其中被证实有化感作用的有:(1)杂草类。(2)木本植物类。(3)作物和牧草类。(4)水生植物类。还有一些地衣、藻类、真菌和蕨类植物被研究过。2未来研究2.1实验室使用的标准目前,化感作用的生物检测体系还不规范和完善,不同的实验室可能会采用不同的标准,这就使结果无法比较。因此,建立一个操作简洁、快速,能批量筛选、针对性强以及检测结果可比性好的方法,便于国内外研究结果的交流。2.2化感作用的研究应得到重视。