外來入侵植物小飛蓬化感作用機理研究的進(jìn)展

張海燕，羅 鑫,2，張 敏

(1.常州市環(huán)境監(jiān)測中心，江蘇 常州 213001；2.南通市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所，江蘇 南通 226000;3.江蘇大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

外來入侵植物小飛蓬化感作用機理研究的進(jìn)展

張海燕1，羅 鑫1,2，張 敏3

(1.常州市環(huán)境監(jiān)測中心，江蘇 常州 213001；2.南通市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所，江蘇 南通 226000;3.江蘇大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

入侵植物會損害環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)，影響生物的多樣性，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失.目前，雖然入侵植物的化感作用研究較多，但是很多缺乏對化感作用的深入研究.結(jié)合國內(nèi)外入侵植物的研究進(jìn)展，該研究闡述了小飛蓬的研究現(xiàn)狀、化感物質(zhì)的分離鑒定方法以及入侵機理研究的進(jìn)展.參24.

入侵植物；化感作用；小飛蓬

近年來，生物入侵已成為全球關(guān)注的熱門問題之一.生物入侵主要是指生物離開其原來生長地，經(jīng)自然(氣流、風(fēng)暴、海流等)或人為等途徑傳播到另一個生長環(huán)境中肆虐生長，損害入侵地的生態(tài)系統(tǒng)，影響生物多樣性，造成農(nóng)作物減產(chǎn)等嚴(yán)重后果.很多研究表明入侵植物影響伴生植物的生長與化感作用有關(guān)，入侵植物分泌的化感物質(zhì)經(jīng)過環(huán)境媒介進(jìn)入伴生植物體內(nèi)，通過參與生理生化過程從而影響伴生植物的生長發(fā)育.

小飛蓬〔ConyzaCanadensis(L.) Cronq.〕為菊科飛蓬屬越年生或一年生草本植物，原產(chǎn)北美洲，目前在我國分布廣泛，已成為一種常見入侵植物，現(xiàn)其已被列入國家環(huán)保局公布的入侵物種名單.通過揭示小飛蓬化感作用的主要有效成分及其入侵機理，從而實現(xiàn)對該雜草的可持續(xù)控制.同時小飛蓬化感物質(zhì)中具有生物活性的次生代謝產(chǎn)物可以開發(fā)植物源綠色除草劑，減少化學(xué)除草劑的使用，降低農(nóng)藥殘留，從而保護(hù)環(huán)境.小飛蓬作為一個成功的入侵種，具有許多入侵植物的顯著特征，對其入侵機理的研究有助于其它有害入侵植物的研究，豐富和發(fā)展入侵生態(tài)學(xué)理論，最終達(dá)到保護(hù)生態(tài)環(huán)境和豐富物種多樣性.

1 外來入侵植物化感作用研究的基本概況

入侵植物化感作用的研究很多采用入侵植物組織浸提液對受體植物進(jìn)行萌芽率、根和幼苗生長生物量的測定等，這些化感作用的研究水平相對較低[1-5]，如用甲醇從黃瓜里提取到的木脂素對水芹〔Oenanthejavanica(BI.) DC.〕和稗草〔Echinochloacrusgalli(L.) Beauv〕的幼根和幼苗生長有抑制作用[6].Vidotto[7]等利用豚草(AmbrosiaartemisiifoliaL.)凋落物和根的提取液對苜蓿(MedicagosativaL.)、大麥(HordeumvulgareL.)、番茄(LycopersiconesculentumMill.)等農(nóng)作物和稗草、龍葵(SolanumnigrumL.)、馬唐〔Digitariasanguinalis(L.) Scop.〕等雜草的萌芽和生長進(jìn)行研究，結(jié)果表明番茄和馬唐的生長受到最大的抑制作用，但是稗草的生長不受影響.反枝莧(AmaranthusretroflexusL.)、假海馬齒(TrianthemaportulacastrumL.)根和葉子浸出物對小麥的生長有抑制作用[8].這些結(jié)果對于揭示和證明外來入侵植物的化感作用是促進(jìn)種群擴張的原因很牽強.但是，近些年國內(nèi)外對外來入侵植物的研究逐步深入，對一些入侵植物的化感作用機理研究已經(jīng)較為成熟.入侵植物化感作用機理研究主要集中在對受體植物作用的生理生化機理、間接化感作用和分子水平上的化感作用機理.其中生理生化機理研究主要包括對受體植物生物膜系統(tǒng)、酶和激素水平的影響；對受體植物呼吸和化合作用的影響；對受體植物蛋白和核酸的影響；對受體植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)機理.Baris[9]等應(yīng)用活性氧熒光染色法標(biāo)記發(fā)現(xiàn)，受矢車菊(CentaureacyanusLinn.)根系化感物質(zhì)(—)—兒茶素處理10 s后，擬南芥〔Arabidopsisthaliana(Linn.) Heynh.〕根尖分生組織細(xì)胞內(nèi)出現(xiàn)了一股活性氧，在30s后擬南芥的分生組織出現(xiàn)了短暫的[Ca2+]cyt濃度的升高，最后導(dǎo)致細(xì)胞的死亡；在處理的1小時前后擬南芥956個基因復(fù)制成兩倍甚至更多.薇甘菊(MikaniamicranthaKunth)的化感物質(zhì)水提液可以顯著改變土壤微生物群落、提高土壤氮硝化速率和養(yǎng)分含量，說明化感物質(zhì)作為新式武器，可以改變土壤微生態(tài)環(huán)境以利于自身生長[10].

2 外來入侵植物小飛蓬化感物質(zhì)的提取、分離和鑒定

2.1 化感物質(zhì)的提取和分離

化感物質(zhì)分泌主要有地上部分揮發(fā)物、淋溶物、枯枝落葉淋溶和根系分泌四條路徑.揮發(fā)性化感物質(zhì)提取方法有水蒸氣蒸餾、直接采集溶劑提取和固體吸附法等[11].入侵植物揮發(fā)油的成分分析多數(shù)采用水蒸氣蒸餾的方法.對于地上淋溶或枯枝落葉化感物質(zhì)的提取，目前多采用溶劑提取法，該方法是利用合適的溶劑將有機物從待分離和結(jié)構(gòu)鑒定的樣品中提取出來.一般常用的溶劑有水和有機溶劑兩種，考慮到化感作用研究的生態(tài)學(xué)意義，很多研究采用水作為提取溶劑，因為用有機溶劑提取會破壞植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)，破壞酶和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，把本身不會分泌到土壤中的化學(xué)物質(zhì)提取出來.根際是一個很復(fù)雜的微環(huán)境，由于微生物的分解，土壤顆粒的吸附，植物的吸收，因此要收集根系所分泌的化感物質(zhì)十分困難.目前根系分泌物的收集主要有兩類方法，根滲出液循環(huán)培養(yǎng)法和固體培養(yǎng)法.根滲出液循環(huán)培養(yǎng)法其主要內(nèi)容是疏水性根滲出液連續(xù)收集法，用樹脂吸附砂培或水培中植物根部所釋放的疏水性物質(zhì)[12].固體培養(yǎng)法主要是收集植物生長根際的土壤，利用溶劑提取根部分泌到土壤中的化感物質(zhì).

目前，對于小飛蓬化感物質(zhì)的分析大多數(shù)采用水或有機溶劑對小飛蓬的地上部分進(jìn)行提取，Sonia[13]利用二氯甲烷從小飛蓬的地上部分分離出毛葉醇內(nèi)酯、母菊酯和母菊酸甲酯.楊莉[14]從小飛蓬揮發(fā)油中鑒定主要化感活性物質(zhì)是檸檬烯，水提液中主要化感活性物質(zhì)為苯甲酸類衍生物，如苯甲酸、苯乙酸、香草醛、香草酸、丁香醛、丁香酸等物質(zhì)；黃酮類物質(zhì)，如槲皮素和木犀草素.Lola[15]利用水提取的方法從小飛蓬的根際沙土中檢測到香草酸、丁香酸、香豆酸和阿魏酸等.

2.2 化感物質(zhì)的純化和結(jié)構(gòu)鑒定

小飛蓬分離純化多采用色譜法，如高速逆流色譜、硅膠柱分離、薄層色譜法、制備色譜和液相色譜等.在化感物質(zhì)的結(jié)構(gòu)鑒定方面，應(yīng)用紅外光譜、紫外光譜、質(zhì)譜和核磁共振譜等手段，來判斷未知物質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)的官能團(tuán)、分子量、氫原子個數(shù)、碳原子種類以及氫原子和碳原子在分子結(jié)構(gòu)中的相對位置關(guān)系等信息，最終確定其化學(xué)結(jié)構(gòu).目前，從小飛蓬中分離鑒定的化感物質(zhì)有萜類、酸、醇類、酚類、生物堿、生長激素、黃酮和甾類等[16].

3 外來入侵植物小飛蓬化感作用的機理研究

許多有關(guān)小飛蓬的研究主要集中在對其化學(xué)成分的藥用價值[17]、入侵現(xiàn)象的研究[18,19]以及對草甘膦的抗藥性研究[20].Pawlaczyk[21]等從小飛蓬中分離鑒定得到的多酚多聚糖可以作為一種更便宜，更安全的硫酸皮膚素的替代物，盡管它的抗凝血活性比肝磷脂低，但是抗血小板活性卻可以成為治療靜脈血栓患者的輔助劑.朱朝華[22]等以蘿卜、柱花草和莧菜等為受體植物，測定小飛蓬的水浸液對受體植物種子萌發(fā)和幼苗生長的化感作用.唐吉和[20]初步研究了小飛蓬對草甘膦抗藥性的生理生化機制機理,明確了小飛蓬對草甘膦抗藥性的產(chǎn)生與其作用靶標(biāo)酶 EPSPS 的活性以及對草甘膦的吸收與轉(zhuǎn)移存在密切的關(guān)系.

3.1 小飛蓬化感物質(zhì)的生理生化機理研究

化感物質(zhì)可以通過對酶和膜的功能、激素代謝、呼吸作用、光合作用、蛋白質(zhì)合成和基因表達(dá)的影響從而影響種子萌芽等生長過程.楊莉[13]研究發(fā)現(xiàn)加拿大蓬水提液影響了滯緩吸水階段蛋白酶活性，導(dǎo)致可溶性蛋白含量降低，多種代謝活動受阻；低濃度的化感物質(zhì)可促使 SOD 等保護(hù)酶活性升高，表明植物為免受逆境傷害做出了相應(yīng)的適應(yīng)性反應(yīng)，而高濃度化感物質(zhì)處理后,保護(hù)酶活性降低，丙二醛含量上升，說明產(chǎn)生的氧自由基己經(jīng)超出了SOD等酶的清除能力，植物受到了逆境傷害；加入外源激素后，受體幼根生長產(chǎn)生抑制或緩解的效果；小飛蓬利用光合作用對成熟植株產(chǎn)生化感作用的一種重要方式是改變受體光合產(chǎn)物的分配.

3.2 小飛蓬化感物質(zhì)的間接化感作用

間接化感作用指化感物質(zhì)首先對土壤微生物群落發(fā)生作用，然后對受體植物產(chǎn)生影響的間接作用.楊莉[13]研究發(fā)現(xiàn)小飛蓬揮發(fā)油對受試食源性細(xì)菌和真菌有良好的廣譜抗菌作用，其中對痢疾志賀氏菌、人參立枯病、人參黑斑病病原菌抑菌效果顯著；Queiroz[23]等對小飛蓬地上部分提取物進(jìn)行分離鑒定，得到的毛葉醇內(nèi)酯對萵苣(LactvacsaivaL.)、匍匐翦股穎(AgrostisgiganteanRoth) 的萌芽有抑制作用，母菊內(nèi)酯對草莓的三種刺孢盤屬具有殺菌作用，其殺菌活性可以跟商用殺真菌劑嘧菌酯和克菌丹相媲美.

3.3 分子水平上的化感作用機理

隨著分子生物學(xué)技術(shù)和理論的日趨成熟，從分子水平上揭示化感作用機理已逐漸成為國內(nèi)外研究的一個趨勢和熱點.陳麗萍等[24]運用蠶豆根尖微核技術(shù)研究加拿大蓬水浸提液的遺傳毒性，結(jié)果表明，加拿大蓬水浸提液干擾了細(xì)胞有絲分裂的正常進(jìn)行，蠶豆根尖細(xì)胞出現(xiàn)染色體橋、染色體斷片、染色體滯后、多極分裂等異常現(xiàn)象.

總的來說，對小飛蓬的化感作用研究主要是集中在揮發(fā)油或浸提液對受體植物的萌芽抑制作用以及對主效化感物質(zhì)的鑒定.小飛蓬入侵機理雖有少量研究涉及，但是研究的數(shù)量相對較少，且很多方面有待進(jìn)一步的拓展研究(如形態(tài)結(jié)構(gòu)的研究、分子水平上的機理研究)，跟研究比較成熟的外來入侵植物矢車菊、加拿大一枝黃花(SolidagocanadensisLinn.)等相比，還存在一定的差距.

4 結(jié) 論

目前對小飛蓬的化感作用多屬于現(xiàn)象性研究，入侵機理研究相對較少.不同化感物質(zhì)如酚類、萜類、黃酮類和生物堿等對受體植物的作用是自然狀態(tài)下的混合作用所表現(xiàn)的作用機理，對于多種化感物質(zhì)共同作用時是疊加還是拮抗效應(yīng)以及小飛蓬分泌的化感物質(zhì)對自身種群的影響未見研究報道.其次，小飛蓬浸提液對一些雜草的生長有化感抑制作用，如何將小飛蓬的化感物質(zhì)開發(fā)成無污染的植物源除草劑、抑菌劑，實現(xiàn)對小飛蓬的資源化利用，是小飛蓬未來的科學(xué)研究方向.

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Biography:ZHANG Hai-yan,female,born in 1983,M.S.,research in environmental ecology.

The Progress of Studies on the Allelopathy Mechanism of Alien Invasive Plant Conyza Canadensis (L.) Cronq.

ZHANG Hai-yan1, LUO xin1,2, ZHANG Min3

(1.Changzhou Environmental Monitoring Center,Changzhou 213001,China;2.Nantong products quality supervision and Inspection Institute,Nantong 226000,China;3.Schoo l of Chemistry& Chemical Engineering of Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China)

Alien invasive plants can damage the ecological environment system,have influence on the biological diversity and bring serious economic losses to the agricultural production.At present,there are many studies on the allelopathic effect of the invasive plants,but lack of deep research on the mechanism of allelopathy.Combined with the research progress of invasive plants at home and abroad,this paper introduce research actuality,methods of isolation,identification allelochemicals and the progress in the mechanism research of Conyza Canadensis.24refs.

invasive plants;allelopathy;Conyza Canadensis(L.) Cronq.

2015-06-25

江蘇省青年科技基金資助項目(編號：BK20140536)；南通市科技項目(編號：HS2013057)

張海燕(1983-)，女，江蘇泰州人，碩士，研究方向：環(huán)境生態(tài)學(xué).

2095-7300(2015)04-029-05

X173

A