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1、淮 阴 工 学 院文献检索大作业作作者者:学学院院:专专业业:题题目目:课课程程:潘启银潘启银学学 号：号：生化学院生化学院农学农学作物化感作用研究进展作物化感作用研究进展文献检索文献检索朱秀芳朱秀芳指导者：指导者：摘要：本文通过综述作物化感作用近期的研究进展。介绍了作物水抽提物、根分泌物、自毒作用、化感物质的研究动态,并阐述了作物化感作用及其机理、化感作用的研究方法,指出作物化感作用研究中存在的问题和研究方向。“化感作用”即相生相克，异株克生，他感，Allelopathy。化感作用是植物生态学新的分支学科生态生化学（Ecological Biochemistry）研究内容的一部分。植物化感作
2、用最开始的定义是指植物通过向环境释放特定的次生物质从而对邻近其它植物（含微生物及其自身）生长发育产生的有益和有害的影响。现在，植物化感作用研究事实上已扩展到以植物为中心的一切有机体及环境间通过化学物质为媒介的化学相互作用。关键词：化感作用;化感物质;作物;研究进展引言：植物在其生长发育过程中,通过茎叶挥发、茎叶淋溶、根系分泌以及植物残株的腐解等途径向环境中释放代谢产物(化学物质),对本身或另一种植物包括微生物产生促进或抑制作用,这种现象称为植物化感作用(简称化感作用)。1937 年德国人 Moliseh 首先提出化感作用(Alelopathy),并将其用于不同植物包括微生物之间的关系中。Whi
3、ttaker 和 Feeny 把植物分泌的这些化学物质称为化感物质(Allelo chemics)。化感作用在作物中广泛存在,随着化学特别是有机化学和植物生理生化、微生物学、生态学、土壤学、农学等学科的相互渗透,作物的化感作用研究在减少连作障碍危害、合理安排农作物耕作制度、开发环保型农药和作物生长调节剂等方面起着重要的作用。化感作用的研究越来越多的被人们所重视,作为多学科的交叉科学日臻成熟。1.1.化感物质化感物质1.1.1.1.化感物质的种类化感物质的种类 Rice 按照化学结构把化感物质分为 14 类，但目前普遍的化感物质分类主要是 4 类:酚类;萜类;糖和糖苷类;生物碱和非蛋白氨基酸。作
4、物的化感物质主要是次生代谢的产物,有自己独特的代谢途径,化感物质在作物体内累积的浓度主要由其生物合成、贮存、降解的速率决定,但也受植物内部的生长发育调节机制及外界环境胁迫的影响。化感物质是植物提高自1身保护和生存竞争能力、协调与环境关系的重要角色。Tang 等研究了 Bigaltnlimpograss 根系分泌物的化感作用,指出植物生长抑制剂主要是酚类化合物,并采用气相色谱质谱联用分离检测出了苯甲酸、苯乙酸、肉桂酸等16 种酚类化合物。Perez 在研究野燕麦化感作用时发现,对羟基苯甲酸、香草酸、香豆素等对春小麦胚根与胚芽生长有明显的抑制作用。黄瓜和大豆中的苯甲酸、香豆酸、香豆醛和对羟基苯甲酸
5、对幼苗的生长和吸收养分同样具有抑制作用。1.2.1.2.化感物质的提取、纯化和鉴定化感物质的提取、纯化和鉴定作物之间的化感作用是通过化感物质实现的,分析、鉴定这些化感物质,特别是对作物生长有直接作用的根际区的化感物质的研究具有重要意义。在自然状况下,作物化感物质主要通过根部分泌化感物质,地上部分淋溶、释放挥发性物质、植物残体或凋落物分解释放化感物质等途径进入环境。其收集方法因不同的研究对象和不同的化学性质而不同,对粗提物一般用色谱法分离,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。作物植株和土壤中的化感物质提取主要采用水蒸气蒸馏法、浸提法或腐解法、常温吸附法,一般主
6、要采用浸提法获得。水蒸气蒸馏的方法主要用于获得叶片或植株的挥发物。浸提剂主要为 H2O、NaOH、Na3PO4 和氯仿、甲醇、丙酮、乙醚、乙醇等,其中常温下的水提取最能表现自然状态,但这种方法常常造成浸提液中化感物质浓度水平过低或浸提不完全,从而影响对化感物质的进一步的分离鉴定。因此,常见的方法是将水与甲醇按一定比例配制成提取液。而根系分泌物则主要采用疏水性根渗出液连续收集法(CRETS)。利用砂培或水培,将营养液通过 XAD-4 树脂,收集根系分泌物,并用甲醇洗脱。这种研究根系分泌物种类和活性的方法已经得到广泛的认同,但XAD-4 树脂所吸附的有机物质为疏水性根系分泌物,一些可能具有化感作用
7、的可溶性低分子量有机物质等则有可能未被吸附。根际土壤化感物质的分离、鉴定与生物活性的研究一般采用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。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,对根际区土壤和土壤溶液进行 GC 和 GC-MS 分析,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,发现对-叔丁基苯甲酸具有很强的化感作用,其浓度大于 100 mg/L 时对玉米和稗草产生抑制作用,而小于 50 mg/L 时则产生促进作2用。化感物质的纯化主要采用萃取法、层析法和树脂法。萃取法是相对较为简单易行的
8、方法,但该方法很难提取出全部化感物质;层析法一般常用纸层析、柱层析、GC、HPLC 等方法分离纯化化感物质,在实际工作中纸层析、柱层析的方法常出现柱效低,分离不完全的现象。而 GC、HPLC 等方法虽然分离效果很好,但有化感物质制备量少的缺点。因此,将柱层析与 GC、HPLC 相结合的分离提纯方法应当是将来发展的方向;树脂法则是近期发展的一种方法,有交换法和吸附法两种,交换法利用阳离子或阴离子树脂吸附阴、阳离子,而使无极性或极性较弱的有机分子通过。吸附法则利用吸附树脂如XAD4 吸附含有化感物质的有机化合物,从而得到分离和纯化。化感物质鉴定广泛采用紫外、红外、核磁共振、质谱、X 射线荧光色谱等
9、先进的分析手段,通过这些方法鉴定各种化感物质中包含的功能团、分子量、结构及 C 和 H 原子在分子中的排列方式。目前采用较多的是通过 GC-MS 或 HPLC-MS 推测其化学结构并用已知标准样品来鉴定所得结果。到目前为止,已鉴定出的化感化学物包括萜烯类、醛酮类、醌类、丹宁类生物碱、有机酸等十多类化合物。1.3.1.3.化感物质的生物测定化感物质的生物测定化感物质的生物测定是利用生物材料检测化感物质的活性,并与已知物质的活性进行对比。生物测定的方法包括种子萌发、幼苗生长、盆栽试验、田间试验。种子萌发的测定方法以其简单、条件易控制成为最常用的生物测定方法,主要利用化感物质对种子发芽的抑制或促进作
10、用测定化感物质的生物活性。常用的检测指标为幼苗根长、幼苗干物质量或幼苗鲜物质量。生物测定还可用于观察同一植物不同浓度水抽提液的化感作用,检测不同供体植物水抽提液对同一受体植物的化感作用的强弱及同一植物水抽提液对不同植物的影响,从中筛选出对作物无害而对杂草有抑制作用的化感物质。此外,生物测定是一种估计生物样品植物毒性的有效方法。因此,筛选各类对化感作用更灵敏且易观察的生理指标,如膜透性,叶绿素荧光动力学参数变化,N、P、K 元素的吸收率的变化等,将是进一步研究的课题。2.2.化感作用的原理及表现形式化感作用的原理及表现形式2.2.1.1.化感物质的作用机制化感物质的作用机制化感作用首先是对膜的伤
11、害,通过细胞膜3上的靶位点,将化感物质胁迫的信息传送到细胞内,从而对激素、离子吸收等产生影响,而激素、离子吸收以及水分状况等变化必然引起植物细胞分裂、光合作用等的变化,从而对植物的生长产生抑制作用。已有研究结果表明,化感物质影响植物生长的途径主要有以下几个方面:增强或减弱膜的透性,使细胞生理活动和物质运输发生紊乱。例如在黄瓜中,根系分泌物和根提取物能够增加离子的溢出,同时发现这些化感物质能够增加黄瓜根中丙二醛含量;影响植物激素的含量、活性。研究结果表明植物激素水平受化感物质的强烈影响,黄瓜苗和番茄苗经根系分泌物处理后,脱落酸水平急剧升高;抑制或促进植物的呼吸作用,对植物的生长产生影响;对光合作
12、用产生影响。许多研究表明,化感物质可引起叶片中叶绿素含量的降低,并最终造成植物光合作用的下降;影响根对 K、Ca、P 等离子的吸收,使植物生长受到抑制。在酚酸类物质对离子吸收的影响方面的大量研究表明,根系分泌物和酚酸类物质抑制根系对离子的吸收,抑制程度受物质浓度和pH 影响,且抑制离子吸收的程度与根系同酚酸类物质的接触面大小呈线性相关;通过改变酶功能和活性抑制受体植物的生长。Politycka 指出,化感物质可影响黄瓜根系中苯丙氨酸解氨酶、苯基-葡糖基转移酶和葡糖苷酶的活性,且用化感物质处理能明显抑制根的生长;对蛋白质合成及基因表达的影响,抑制核酸运输及蛋白质的合成。这些研究表明化感作用首先是
13、对膜的伤害,通过细胞膜上的靶位点将化感物质胁迫信息传送到细胞内,对激素、离子吸收等产生影响,引起植物细胞分裂、光合作用等的变化,从而对植物的生长发育产生抑制作用。2.2.2.2.作物化感作用的表现形式作物化感作用的表现形式2.2.1.自毒作用自毒作用是指一些作物可通过地上部淋溶,根系分泌物和植株残茬等途径来释放一些物质对同茬或下茬同种或同科作物生长产生抑制的现象。自毒作用是一种发生在种内的生长抑制作用。连作条件下土壤生态环境对作物生长有很大的影响,尤其是作物残体与病原微生物的代谢产物对作物有致毒作用,并连同作物根系分泌的自毒物质一起影响植株代谢,最后导致自毒作用的发生。多种禾本科植物和豆科类植
14、物以及蔬菜作物中均存在明显自毒现象。其中研究较多的作物为水稻、大豆、黄瓜,Chon 研究发现水稻残茬及4秸秆在分解过程中能产生某些有毒物质,抑制水稻幼苗生长,温度为 20 25 摄氏度 时抑制作用最强,30 摄氏度 时抑制作用随时间推移显著下降,其结果降低水稻的有效分蘖数、有效穗数、千粒重及产量。根系分泌物中的酚酸类物质是存在于土壤中的典型化感物质,酚酸类物质可以使大豆光合作用下降,Pateron 将一些酚酸类物质加入霍格兰营养液中培养大豆,发现咖啡酸、肉桂酸、香豆酸、阿魏酸、五倍子酸和香草酸在 10-3 mol/L 时明显抑制大豆的生长,使光合作用显著下降。主要原因是抑制了卟啉的合成,或加速
15、了叶绿素的分解,从而降低了叶片的叶绿素含量,使叶子失绿,进而影响光合作用。近来,喻景权先后证实了豌豆、番茄、黄瓜、西瓜和甜瓜根系分泌物和残茬所引起的自毒作用,并从中分离出以肉桂酸为代表的多种自毒物质,这些物质通过影响离子吸收、水分吸收、光合作用、蛋白质和 DNA 合成等多种途径来影响植物生长。此外,营养不均衡、营养亏缺也可改变根系分泌物种类和数量,从而间接地影响植物生长。2.2.2.化感作用化感作用是指不同作物的茬口存在不同种类化感物质,对其他作物生长产生一定促进或抑制作用的现象。化感促进作用主要表现在豆科类作物残茬和秸秆分解物能促进禾本科、茄科作物生长。例如大豆残茬对玉米苗高和苗重有促进作用
16、,苜蓿秸秆覆盖可促进马铃薯、黄瓜、莴苣等几种作物生长。化感抑制现象更为普遍,残株腐解产生的苯甲酸、香草酸、香豆酸、阿魏酸和苯甲醛等物质,作物根系分泌的酚酸类物质以及脂肪酸等在根际环境中积累,可抑制其他作物生长。如番茄不仅有自毒作用,且植株挥发物和根系分泌物对黄瓜生长有明显抑制作用。化感作用可以是作物之间的影响,也可以是作物与杂草之间的作用。研究发现许多杂草及杂草残株能影响谷物生长。曾任森研究发现胜红蓟地上部、地下部和三叶鬼针草水提液对萝卜、水稻、黄瓜均表现不同程度化感抑制作用。在东北地区和长江中下游地区豚草和三叶裂豚草不仅与作物争夺生存空间,而且能挥发对玉米、小麦、大豆等作物种子萌发有较强抑制
17、作用的化感物质,抑制其根系生长发育。5结结 论论综上所述,国内作物化感作用研究正处于蓬勃发展的时期,尽管已经取得了一定成果,但在很多方面尚待研究,化感作用研究与生产实践的结合将是未来的发展趋势,以下这些方面的研究尤其应该得到重视:(1)加强对化感作用的机制、生态环境的研究,通过对不同作物化感作用机理的研究,找出不同作物化感作用机理上的异同点。(2)作物化感作用受到的外界影响因素很多,如遗传因子、植物生长周期和生长阶段、气候因子、动物和微生物侵袭、土壤结构及其理化性质等。因此,研究化感物质与影响因子的关系迫在眉睫。(3)分离、鉴定新的化感物质是另一个重要方向,但在已经确定的化感物质中,真正具有应
18、用价值的仍然很少。因此,在以后的研究中,鉴定新的化感物质并用已鉴定的化感物质为今后人工合成除草剂和生产调节剂提供线索是努力的方向。(4)培养抗病虫害、抑制杂草的化感新品种。并且推广到实际生产中去。利用传统的杂交以及现代基因工程等技术,可以将植物的化感基因引入到栽培品种中,获得具有化感特性的新品种。(5)加强对土壤中利用微生物分解化感物质的研究,特别要重视根际微生物对周围化感物质行为的研究。(6)目前化感作用的研究方法尚缺乏标准化,今后应确立一个适宜于比较和通用的研究方法。建立一套操作简单、检测快速、能够批量检测及检测结果可比性好的生物检测体系。此外,化感物质分离和鉴定分析手段也亟需提高。6参
19、考 文 献 1 祝心如.化学生态学的发展和研究领域 J.生态学报,1994,14(S):131-137.2 TANG C S,YOUNG CC.Collection and identification of allelopathiccompoundsfromtheundisturbedrootsystemofBigaltalimpograss(Hemarthria altissima)J.Plant Physiol,1982,69:155-160.3 WHITEHEAD D C,HAZEL D,HARTLEY R D.Bound phenoliccompounds inwheat extra
20、cts of soil,plant roots and leaf litter J.Soil Biol Biochem,1983,15(2):133-136.4 刘秀芬,马瑞霞,袁光林,等.根际区化感化学物质分离、鉴定与生物活性的研究 J.生态学报,1996,16(1):1-10.5 王峰,张琪,蔡崇法.生化化感物质的收集与分离 J.科技进步与对策,2000,17(12):198-199.6 周志红.植物化感作用的研究方法及影响因素 J.生态科学,1999,18(1):35-38.7 宋君.植物间的化感作用 J.生态学杂志,1990,9(6):43-47.8 YU J Q,YOSHIHISM
21、M.Extraction and identificat ion ofPhytotocdcitysubstancesaccumulatedinnutrientsolutionforhydroponic culture of tomato J.Soil Science and Plant Nutrition,1993,39(4):691-700.9 HEJI AM,EINHELLIG F A,RASNRUSEON J A.Effects of juglone ongrowth,photosynthesis,and respiration J.J Chem Ecol,1993,19(3):559-
22、568.7 10 BAZIRAMAKWNGA R,LEROUX G D,SIMAND R R.Effects of benzoic andcinnamic acia on growth,mineral cornposition and chlorophyll content ofsoy bean J.J Chem Eco1,1995,20:2821-2833.11 李寿田,周健民,王火焰,等.植物化感作用机理的研究进展 J.农村生态环境,2001,17(4):52-55.12 PATERON R P.Growth and specific nodule activity of soybeanduring application and recovery of leaf mousture stress J.PlantPhysiol,1997,64:551-556.13 周志红.番茄的化感作用研究 J.应用生态学报,1997,8(4):446-450.14 曾任森,骆世明.三叶鬼针草水提物化感作用与降水量的关系 J.华南农业大学学报,1995,16(4):69-72.8