老參地土壤中的酚酸類化合物對4種作物的化感作用△

焦曉林，楊家學(xué)，高微微

(中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 藥用植物研究所，北京 100193)

·中藥農(nóng)業(yè)·

老參地土壤中的酚酸類化合物對4種作物的化感作用△

焦曉林，楊家學(xué)，高微微*

(中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 藥用植物研究所，北京 100193)

目的：探討種植過西洋參的老參地土壤中積累的酚酸類化感物質(zhì)對其他作物的影響，為選擇合適的后茬作物提供依據(jù)。方法：以田間實測的酚酸種類和含量為依據(jù)，對比老參地土壤中9種混合酚酸(總酚酸)對小麥、玉米、蘿卜、紫花苜蓿4種作物種胚萌發(fā)及生長的作用，并與其中含量最高的p-香豆酸進行比較。結(jié)果：總酚酸在接近老參地田間濃度的實驗濃度下(0.55～2.2 mg·mL-1)，僅對小麥、紫花苜蓿的發(fā)芽率有弱的抑制作用，對其他作物均無影響(P>0.05)；對4種作物的胚根、胚芽的生長均有抑制作用，2.2 mg·mL-1濃度下分別比對照降低62%～92%、27%～58%(P<0.05)。根據(jù)IC50值，總酚酸對4種作物胚根的毒力依次為：紫花苜蓿>蘿卜>玉米>小麥；對胚芽的毒力依次為：蘿卜>紫花苜蓿>小麥>玉米。對比總酚酸與p-香豆酸的毒力發(fā)現(xiàn)，總酚酸對蘿卜和玉米胚根的毒力低于p-香豆酸，而對紫花苜蓿胚根、蘿卜胚芽的毒力高于p-香豆酸。結(jié)論：老參地土壤中存在的酚酸類化合物對蘿卜、紫花苜蓿等直根系作物毒力較強，對小麥、玉米毒性相對較弱，輪作應(yīng)優(yōu)先考慮禾本科須根系作物。

老參地；總酚酸；p-香豆酸；后茬作物；化感作用

西洋參PanaxquinquefoliumL.為五加科人參屬多年生栽培藥材，在田間生產(chǎn)中連作障礙問題突出[1]。近年來研究發(fā)現(xiàn)老參地土壤中存留的酚酸類自毒物質(zhì)是引起西洋參連作障礙的重要原因之一[2]，西洋參根提取物及種植土壤中存在的9種酚酸均可顯著抑制自身胚根的生長[3-4]。種植過一茬(一般4年)西洋參的農(nóng)田，由于嚴重的連作障礙使得后茬只能改種其他作物，土壤中殘留的酚酸對后茬作物是否產(chǎn)生影響尚屬未知。目前在酚酸生態(tài)作用的研究中，對單一酚酸的報道較多，對多種酚酸共同作用的研究相對較少[5-6]。老參地9種化感酚酸中主要為p-香豆酸(相對含量為63%)[3]，在田間總酚酸與p-香豆酸對同種作物或不同作物的作用是否有差異尚不清楚。本實驗在前期研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)老參地土壤中實際的酚酸含量設(shè)定總酚酸和p-香豆酸的濃度范圍，對小麥、玉米、蘿卜、紫花苜蓿4種作物進行生物測定，旨在明確老參地中酚酸對后茬作物的影響，為老參地后茬作物的合理選擇提供理論參考。同時，對比總酚酸與p-香豆酸的作用差異，以期為化感物質(zhì)復(fù)合作用的評價提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 供試材料

實驗所用小麥、玉米種子由中國農(nóng)業(yè)大學(xué)種子站提供。蘿卜(清脆)、紫花苜蓿(四季旺)購自中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院。

1.2 酚酸溶液的濃度設(shè)置

參照本實驗室前期對西洋參種植土壤的檢測結(jié)果[3，7]，設(shè)計9種化感酚酸的相對含量分別為：p-香豆酸63%，p-羥基苯甲酸7%，香草酸2%，丁香酸4%，香草醛4%，阿魏酸9%，水楊酸6%，苯甲酸4%；肉桂酸0.1%。以9種酚酸的相加值為總酚酸，得到總酚酸在土壤中的含量一般在0.2～0.7 mg·g-1之間，p-香豆酸為0.1～0.4 mg·g-1[3]，按照土壤最大持水量25%計算，總酚酸在土壤溶液中的濃度為0.8～2.8 mg·mL-1，p-香豆酸為0.4～1.6 mg·mL-1，依此本實驗設(shè)置總酚酸的濃度梯度為0.275、0.55、1.1、2.2、4.4 mg·mL-1，p-香豆酸的濃度梯度為0.016、0.16、0.4、0.8、1.6 mg·mL-1。

1.3 生物測定

采用培養(yǎng)皿法進行，每皿鋪滅菌濾紙2張，加2 mL甲醇溶解酚酸，揮干甲醇后加入5 mL無菌水，使總酚酸在無菌水中的最終濃度為0.275、0.55、1.1、2.2、4.4 mg·mL-1，p-香豆酸的最終濃度為0.016、0.16、0.4、0.8、1.6 mg·mL-1，以蒸餾水作為對照。種子用5%次氯酸鈉溶液進行表面消毒后放置于培養(yǎng)皿中，小麥、蘿卜、紫花苜蓿種子20粒/皿，玉米種子10粒/皿，每處理設(shè)5皿重復(fù)。25 ℃恒溫培養(yǎng)7 d，記錄種子發(fā)芽數(shù)，計算發(fā)芽率，其受抑制率=(1-處理組發(fā)芽率/對照組發(fā)芽率)×100%；用直尺測量4種作物的的芽長；直根系作物測量胚根長，須根系作物測量須根長(以最長須根計)和須根數(shù)。

1.4 毒力對比

以總酚酸或p-香豆酸濃度的對數(shù)為X，對作物的抑制率為Y，利用SPSS13.0軟件做線性回歸分析，當P<0.05時判定Y與X具備線性關(guān)系，擬合線性回歸方程和相關(guān)系數(shù)，并計算半數(shù)抑制濃度(IC50)值。參照文獻報道的方法[8-10]，根據(jù)IC50值衡量總酚酸或p-香豆酸的毒力大小，IC50值越大表示毒力越小。

1.5 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS13.0軟件進行方差分析，同一作物發(fā)芽率、胚根長度、胚芽長度的數(shù)據(jù)均具有方差齊性，進一步對處理組與對照組的數(shù)據(jù)進行Dunnett-t檢驗，P<0.05時用星號表示差異顯著；用Excel軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 總酚酸和p-香豆酸對4種作物發(fā)芽率的影響

總酚酸對4種植物的種子萌發(fā)的作用不相同，0.275 mg·mL-1濃度下對4種植物的種子萌發(fā)無顯著作用(P<0.05)；0.55～2.2 mg·mL-1的實驗濃度接近田間土壤的濃度范圍(0.8～2.8 mg·mL-1)，該濃度范圍內(nèi)總酚酸抑制紫花苜蓿、小麥種子的萌發(fā)，0.55 mg·mL-1濃度下顯著降低小麥的發(fā)芽率，抑制率為9%；實驗濃度為4.4 mg·mL-1時完全抑制紫花苜蓿種子萌發(fā)，抑制率達到100%(P<0.05，圖1)。

0.016～1.6 mg·mL-1p-香豆酸對小麥發(fā)芽的抑制作用高于其他作物，但只有達到1.6 mg·mL-1時與對照差異顯著(P<0.05)。對紫花苜蓿、玉米的種子萌發(fā)基本無影響，對蘿卜種子的萌發(fā)略有促進，但與對照相比均未達顯著差異水平(P>0.05，圖1)。

注：抑制率=(1-處理組發(fā)芽率/對照組發(fā)芽率)×100%，負值表示受促進；*表示處理組與對照組的發(fā)芽率差異顯著(P<0.05)。圖1 不同濃度(mg·mL-1)總酚酸和p-香豆酸對4種作物發(fā)芽率的作用

2.2 總酚酸對4種作物的作用

0.275 mg·mL-1總酚酸顯著抑制蘿卜、紫花苜蓿、玉米的胚根伸長(P<0.05)，對小麥無顯著作用(P>0.05)；實驗濃度為0.55～2.2 mg·mL-1時接近田間土壤的濃度范圍(0.8～2.8 mg·mL-1)，此濃度下總酚酸對4種作物的胚根伸長都表現(xiàn)為顯著抑制(P<0.05)，并表現(xiàn)出一定的濃度效應(yīng)，在2.2 mg·mL-1濃度下對蘿卜、紫花苜蓿、小麥、玉米胚根長的抑制率分別為84%、92%、62%、91%(P<0.05)；濃度達到4.4 mg·mL-1時抑制作用進一步加強(P<0.05，表1)?？偡铀釢舛鹊陀?.1 mg·mL-1時對小麥、玉米須根數(shù)影響較??；濃度提高到2.2 mg·mL-1以上時，顯著促進小麥須根的發(fā)生，但降低玉米的須根數(shù)(P<0.05，表1)。

總酚酸在0.275 mg·mL-1濃度下顯著抑制蘿卜的胚芽生長(P<0.05)，對紫花苜蓿、小麥和玉米無顯著作用(P>0.05)；達到0.55～2.2 mg·mL-1對4種作物種子的胚芽生長均產(chǎn)生抑制作用，并表現(xiàn)出一定的濃度效應(yīng)，總酚酸濃度達到2.2 mg·mL-1時，對蘿卜、紫花苜蓿、小麥、玉米胚芽長的抑制率分別為58%、42%、38%、27%，且與對照差異顯著(P<0.05)；4.4 mg·mL-1濃度下抑制作用進一步加強(P<0.05，表2)。

表1 總酚酸對4種作物胚根生長的作用

注：*表示處理組數(shù)據(jù)與對照差異顯著(P<0.05)

表2 總酚酸對4種作物胚芽生長的作用

注：*表示處理組數(shù)據(jù)與對照差異顯著(P<0.05)

2.3 p-香豆酸對4種作物的作用

0.016～0.16 mg·mL-1p-香豆酸對4種作物的胚根伸長都表現(xiàn)出抑制；實驗濃度0.4～1.6 mg·mL-1與p-香豆酸在田間土壤中的濃度相同，該濃度范圍內(nèi)顯著抑制4種作物的胚根伸長(P<0.05)，且具有一定的濃度效應(yīng)。在1.6 mg·mL-1濃度下對蘿卜、紫花苜蓿、小麥、玉米胚根生長的抑制率分別為84%、73%、68%、90%(P<0.05)。本實驗5個添加濃度下p-香豆酸對小麥的須根數(shù)基本沒有影響，但在0.8 mg·mL-1濃度以上顯著降低玉米的須根數(shù)量(P<0.05，表3)。

0.016 mg·mL-1p-香豆酸對4種作物的胚芽生長均無顯著作用(P>0.05)；濃度達到0.16 mg·mL-1時顯著抑制蘿卜的胚芽生長(P<0.05)；在0.4～1.6 mg·mL-1濃度下對4種作物的胚芽伸長均表現(xiàn)為抑制作用，且具有一定的濃度效應(yīng)，濃度為1.6 mg·mL-1時對蘿卜、紫花苜蓿、小麥、玉米的胚芽生長抑制率分別為55%、32%、52%、31%(P<0.05，表4)。

表3 p-香豆酸對4種作物胚根生長的作用

注：*表示處理組數(shù)據(jù)與對照差異顯著(P<0.05)

表4 p-香豆酸對4種作物胚芽生長的作用

注：*表示處理組數(shù)據(jù)與對照差異顯著(P<0.05)

2.4 總酚酸和p-香豆酸對4種作物的毒力對比

對比總酚酸和p-香豆酸的作用發(fā)現(xiàn)，總酚酸對蘿卜和玉米胚根的IC50值大于p-香豆酸，表明其對胚根生長的抑制毒力低于p-香豆酸；而對紫花苜蓿胚根、蘿卜胚芽的IC50值小于p-香豆酸，表明其毒力高于p-香豆酸(表5)。

通過IC50對比，發(fā)現(xiàn)總酚酸對胚根的毒力大于胚芽。對4種作物胚根的毒力順序為：紫花苜蓿>蘿卜>玉米>小麥；對胚芽的毒力順序為：蘿卜>紫花苜蓿>小麥>玉米，說明老參地土壤中的酚酸類化感物質(zhì)對禾本科的小麥、玉米等須根系作物毒性相對較小(表5)。

表5 酚酸抑制4種作物胚根、胚芽生長的毒力回歸方程及IC50

表5(續(xù))

注：X為總酚酸或p-香豆酸的濃度對數(shù)值；Y為抑制率(%)；-表示Y與X不具備線性關(guān)系(P>0.05)；#表示IC50值大于總酚酸的最高實驗濃度4.4 mg·mL-1

3 討論

本實驗選用的4種作物中，小麥、玉米是我國北方地區(qū)的主要糧食作物，紫花苜蓿在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上常用于改土肥田、固氮增產(chǎn)[11]，蘿卜含有芥子油苷成分，降解形成的異硫氰酸鹽可以抑制植物病原菌，減少病害的發(fā)生[12]，可用于老參地恢復(fù)。4種作物中蘿卜、紫花苜蓿為直根系，小麥、玉米為須根系，綜合結(jié)果表明，總酚酸的實驗濃度為0.55～2.2 mg·mL-1時接近田間土壤中自然含量(0.8～2.8 mg·mL-1)，此濃度范圍內(nèi)對2種直根系作物的毒力較強，對2種須根系作物的毒性相對較弱。有文獻報道，化感物質(zhì)對不同受體植物的作用強度不同[13-14]，可能與受體植物對不良環(huán)境的耐受程度和適應(yīng)性不同有關(guān)。游佩進等[15]報道三七連作土壤抑制蘿卜、萵苣種胚胚根的生長，對白菜無顯著作用。劉寶東等[16]報道老參地土壤水浸液對直根系作物白菜、黃豆胚根生長的抑制強度大于對須根系作物玉米。本實驗結(jié)果對于實際生產(chǎn)中老參地后茬作物的選擇有參考價值，出于對酚酸化感作用的考慮，老參地的利用宜優(yōu)先考慮種植小麥、玉米等須根系作物，最大限度減少酚酸類化感物質(zhì)的不利影響。在實際生產(chǎn)中，北京地區(qū)的老參地后茬作物一般為小麥、玉米，均長勢良好。

植物生長環(huán)境中共存的酚酸類物質(zhì)的化感作用是所有酚酸綜合作用的結(jié)果，對比本實驗中總酚酸與p-香豆酸對4種作物種胚生長的抑制結(jié)果，發(fā)現(xiàn)對于不同的受體作物，兩者的毒力差異不同，原因可能是由于總酚酸中的9種酚酸單體對不同作物表現(xiàn)出不同的復(fù)合效應(yīng)，如拮抗、協(xié)同或加合[17，18]。已有文獻報道，酚酸類化感物質(zhì)的復(fù)合效應(yīng)與作用對象的種類有關(guān)，Rasmussen等[19]報道0.8 mg·mL-1p-香豆酸和0.97 mg·mL-1阿魏酸混合后對高粱種子的發(fā)芽率有協(xié)同抑制作用；Blum等[20]研究p-香豆酸、阿魏酸、香草酸兩兩混合后對黃瓜葉片展開的影響，發(fā)現(xiàn)p-香豆酸/阿魏酸混合、香草酸/阿魏酸混合后均表現(xiàn)為拮抗作用。由于植物的化感作用還受土壤肥力、氣候因子、水分、病蟲害的影響[21]，導(dǎo)致室內(nèi)生物測定與田間實際情況存在一定差異，田間土壤中酚酸類物質(zhì)對作物的實際作用還需通過進一步試驗進行驗證。

[1] 崔德深，高鎮(zhèn)生.西洋參[M].北京：科學(xué)出版社，1990：20-21.

[2] 簡在友，王文全，孟麗，等.人參屬藥用植物連作障礙研究進展[J].中國現(xiàn)代中藥，2008，10(6)：3-5.

[3] He CN，Gao WW，Yang JX，et al.Identification of autotoxic compounds from fibrous roots ofPanaxquinquefoliumL.[J].Plant Soil，2009，318(1-2)：63-72.

[4] Bi XB，Yang JX，Gao WW.Autotoxicity of phenolic compounds from the soil of American ginseng(PanaxquinquefoliumL.)[J].Allelopathy J，2010，25：115-122.

[5] Yan J，Bi HH，Liu YZ，et al.Phenolic Compounds fromMerremiaumbellatasubsp.orientalis and their allelopathic effects on arabidopsis seed germination[J].Molecules，2010，15(11)：8241-8250.

[6] Kole RK，Karmakar PR，Poi R，et al.Allelopathic inhibition of teak leaf extract：a potential pre-emergent herbicide[J].J Crop Weed，2011，7(1)：101-109.

[7] 楊家學(xué).西洋參酚酸類化合物的化感作用及影響因子[D].北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院，2008：71-78；87-95.

[8] Liu H，Wang J，Zhao J，et al.Isoquinoline alkaloids fromMacleayacordataactive against plant microbial pathogens[J].Nat Prod Commun，2009，4(11)：1557-1560.

[9] Camacho MDR，Phillipson JD，Croft S L，et al.Screening of plant extracts for antiprotozoal and cytotoxic activities[J].J Ethnopharmacol，2003，89(2-3)：185-191.

[10] 孫力，李紅健，于魯海，等.驅(qū)蟲斑鳩菊抗腫瘤化學(xué)成分的初步研究[J].中國現(xiàn)代中藥，2011，13(12)：26-28.

[11] 盧欣石.中國苜蓿產(chǎn)業(yè)化前景分析.草業(yè)與西部大開發(fā)[M].北京：農(nóng)業(yè)出版社.2001，36-40.

[12] Brader G，Mikkelsen MD，Halkier BA，et al.Altering glucosinolate profiles modulates disease resistance in plants[J].Plant J，2006，46(5)：758-767.

[13] 凌冰，張茂新，孔垂華，等.飛機草揮發(fā)油的化學(xué)組成及其對植物、真菌和昆蟲生長的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2003，14(5)：744-746.

[14] 張博，趙慶芳，郭鵬輝，等.甘肅省重要中草藥的化感作用初探[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36(2)：601-604.

[15] 游佩進，張媛，王文全，等.三七連作土壤對幾種蔬菜種子及幼苗的化感作用[J].中國現(xiàn)代中藥，2009，11(5)：12-13；20.

[16] 劉寶東，王躍.參后土理化性質(zhì)變化及浸提液對作物種子萌發(fā)的影響[J].北方園藝，2010，(22)：151-154.

[17] Chaves N，Sosa T，Alías JC，et al.Identification and effects of interaction phytotoxic compounds from exudate ofCistusladaniferleaves[J].J Chem Ecol，2001，27(3)，611-621.

[18] Reigosa MJ，Souto XC，Gonz′lez L.Effect of phenolic compounds on the germination of six weeds species[J].Plant Growth Regul，1999，28(2)：83-88.

[19] Rasmussen JA，Einhellig FA.Synergistic inhibitory effects ofp-coumaric and ferulic acids on germination and growth of grain sorghum[J].J Chem Ecol，1977，3(2)：197-205.

[20] Blum U，Gerig TM，Weed SB.Effects of mixtures of phenolic acids on leaf area expansion of cucumber seedlings grown in different pH portsmouth A1soil materials[J].J Chem Ecol，1989，15(10)：2413-2423.

[21] 孔垂華，胡飛.植物化感(相生相克)作用及其應(yīng)用[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2001：168-182.

AllelopathicEffectsofPhenolicCompoundsfromAmericanGinsengCultivatedSoilonFourCrops

JIAOXiaolin，YANGJiaxue，GAOWeiwei*

(InstituteofMedicinalPlantDevelopment，ChineseAcademyofMedicalSciencesandPekingUnionMedicalCollege，Beijing100193，China)

Objective：To investigate the effects of phenolic compounds，the allelochemicals accumulated in American ginseng(PanaxquinquefoliumL.)cultivated soil，on the growth of four crops，and screen suitable rotation crops.Methods：According to our previous research results，nine phenolic compounds at their field natural concentrations(0.275～4.4 mg·mL-1) were mixed as total phenolic compounds(TP).p-Coumaric acid，which was 60%～70% in TP，was also dissolved into solution at 0.016～1.6 mg·mL-1.The effects of T Pandp-coumaric acid on the embryo germination and growth of four crops，including wheat，maize，radish and alfalfa were measured.Results：TP reduced the germination rates of wheat and alfalfa but did not affect other two crops(P>0.05)at concentration of 0.55～2.2 mg·mL-1，which was close to the phenolic contents in American ginseng cultivated soil.All the growths of radical and shoot of the four crops were inhibited by 0.55～2.2 mg·mL-1TP，and decreased by 62%～92% and 27%～58% in 2.2 mg·mL-1TP treatment compared to control(P<0.05).According to IC50values calculation，the toxicities of TP on radical growths of four crops followed the order：alfalfa > radish > maize > wheat，while the toxicities on shoot growths followed the order：radish > alfalfa > wheat > maize.The toxicities of TP on radical growths of radish and maize were lower than those ofp-coumaric acid，while the toxicities of TP on radical growth of alfalfa and shoot growth of maize were higher than those ofp-coumaric acid.Conclusion：Phenolic compounds existed in American ginseng cultivated soil showed more toxic on tap root crops(radish and alfalfa)than fibrous root crops(wheat and maize).Therefore，gramineous fibrous root crops could be better choice as American ginseng rotation crops.

American ginseng cultivated soil；phenolic compounds mixture；p-coumaric acid；subsequent crop；allelopathic effect

2014-01-29)

國家自然科學(xué)基金項目(81303157)；北京市自然科學(xué)基金項目(6072025)；中醫(yī)藥行業(yè)科研專項(201407005)

*

高微微，研究員，研究方向：藥用植物病理、中藥資源生態(tài)；Tel：(010)57833423，E-mail：wwgao411@sina.com

10.13313/j.issn.1673-4890.2015.5.016