青蒿素對小麥種子萌發(fā)及幼苗生長的影響

來慶捷，趙婉瑩，李雪麗，呂建洲

(遼寧師范大學生命科學學院，遼寧大連 116081)

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青蒿素對小麥種子萌發(fā)及幼苗生長的影響

來慶捷，趙婉瑩，李雪麗，呂建洲

(遼寧師范大學生命科學學院，遼寧大連 116081)

為了解青蒿素對小麥種子萌發(fā)和幼苗生長的影響，運用室內培養(yǎng)皿法，分析了不同濃度的青蒿素溶液浸種后小麥種子發(fā)芽率及幼苗高度、根長、整株鮮重、根和莖鮮重及干重、根系活力等指標的變化。結果表明，青蒿素對小麥種子萌發(fā)及幼苗生長有抑制作用，且濃度越高，抑制作用越顯著。與無菌水對照相比，青蒿素浸種處理顯著降低了小麥的種子發(fā)芽率、苗高、根長、根鮮重和莖的鮮、干重，增加了根干重和根冠比。小麥的根系活力和可溶性蛋白含量隨青蒿素濃度的增加而遞減，可溶性糖含量則隨之遞增，葉綠素含量則呈先升高后降低的趨勢，以20 mg·L-1處理含量最高。此外，青蒿素浸種處理對小麥幼苗各項指標的影響與15 mg·L-1多效唑相似。

青蒿素；小麥；種子萌發(fā)；幼苗生長

黃花蒿 (ArtemisiaannuaL.)又名臭蒿、青蒿，為菊科蒿屬(Artemisia)一年生草本植物[1]，在我國已有2 000余年的藥用歷史，其已知成分有青蒿素、青蒿酸、香豆酸、黃酮、異蒿酮、揮發(fā)油等[2-3]。20世紀70年代科學家從黃花蒿中分離出青蒿素，成為提取青蒿素的唯一原料藥材[4]。目前，青蒿素被WHO推薦為治療瘧疾的首選一線藥物，引起國內外醫(yī)學界的廣泛關注。1937年德國科學家Molisch首次提出化感作用，它是指自然界生物體通過釋放化學物質對其他生物產生有害或有益的影響[5]?；凶饔玫难芯繉r業(yè)栽培制度的建立和植物生長調節(jié)物質的開發(fā)應用等有著重要的意義，近年來受到世界各國科學家的重視，逐步形成了一個新的研究領域。黃建國等[6]報道，黃花蒿在生長過程中會向環(huán)境釋放青蒿素等化感物質，影響植物、動物和微生物的繁殖與生長。Chen等[7]研究發(fā)現(xiàn)，青蒿素及其生物合成前體可調節(jié)植物的生長。Duke 等[8]研究表明，青蒿素可抑制多種雜草的根芽和地上部生長。Dule等[9]的研究結果顯示，青蒿素在低濃度時可促進穿心蓮和甜菜的生長發(fā)育，高濃度則抑制生長。不同濃度青蒿素影響土壤微生物的數(shù)量[10]。當青蒿素在土壤中的濃度達到6～24 mg·L-1時，可抑制燕麥、黃瓜、蘿卜、油菜、甘藍等作物種子的發(fā)芽，并造成根系活力降低，使葉綠素不能合成，導致生長發(fā)育停滯直至死亡[11-12]；當青蒿素在土壤和水體中的濃度為12 mg·kg-1時，對蚯蚓和綠藻產生毒害作用，導致土壤肥力和水體生產力降低[13]。有關青蒿素對小麥的化感作用尚未見報道。本研究采用室內培養(yǎng)皿法，初步探討青蒿素對小麥種子萌發(fā)及幼苗生長的影響，以期開發(fā)一種高效、無毒、無污染的新型植物生長調節(jié)物質，為生物源植物生長調節(jié)劑的開發(fā)利用和作物環(huán)境友好栽培提供科學參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試植物為小麥(TriticumaestivumL.)，購于大連廣大種子有限公司。供試青蒿素購于陜西森弗天然制品有限公司，純度98%。供試多效唑(PP333)購于濟寧黑土地生物營養(yǎng)技術有限公司。上述材料使用前均于4 ℃黑暗條件密封保存。

1.2 試驗方法

挑選顆粒飽滿、大小均一的小麥種子，用質量分數(shù)10%次氯酸鈉溶液消毒10 min，再用蒸餾水沖洗5次。用丙酮助溶并配制0、10、20、30、40、50、60 mg·L-1的青蒿素溶液。試驗設置3組對照：無菌水(CK1)、0.01%丙酮溶液(CK2，相當于青蒿素母液稀釋后的最大丙酮濃度)、15 mg·L-1多效唑(CK3)。在25 ℃條件下用上述溶液浸種12 h，然后挑選30顆露白的種子置于皿底鋪好一層濾紙、直徑為9 cm的培養(yǎng)皿中，均勻鋪開，每個處理設置3個重復。每天補加適量無菌水使小麥種子在25 ℃、4 000 lx光照培養(yǎng)箱中正常生長，培養(yǎng)至第3天觀察種子發(fā)芽情況，7 d后統(tǒng)計發(fā)芽率，第10天測量其他生理生化指標。

1.3 測定指標與方法

以胚芽長為種子長度的一半為標準[14]，計算發(fā)芽率，并測定苗高和根長，電子天平稱量小麥幼苗根、莖的鮮重和干重，計算根冠比。取幼苗根系用TTC法測定根系活力，幼苗葉片用乙醇提取-分光光度法測定葉綠素含量，考馬斯亮藍G-250法測定可溶性蛋白含量，蒽酮比色法測定可溶性糖含量[15]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2014、GraphPad Prism 5、SPSS 2.0數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

2 結果與分析

2.1 青蒿素對小麥種子萌發(fā)及幼苗生長的影響

與CK1相比，0.01%丙酮對小麥種子萌發(fā)及幼苗生長無影響(表1)。青蒿素浸種處理后，隨其濃度的增加，小麥種子發(fā)芽率、苗高和根長呈降低趨勢，說明青蒿素浸種對小麥種子萌發(fā)及幼苗生長產生抑制作用，而且抑制作用的強度與其濃度密切相關。其中濃度為60 mg·L-1的青蒿素處理下小麥種子發(fā)芽率、苗高和根長較CK1分別降低了22.62%、32.50%和90.37%，種子萌發(fā)率和根長較CK3分別降低了24.46%、88.39%，而苗高增加了20.89%。

2.2 青蒿素對小麥幼苗鮮重、干重和根冠比的影響

與CK1相比，0.01%丙酮對小麥幼苗鮮重、干重和根冠比均無顯著影響(表2)。青蒿素浸種處理后幼苗根、莖鮮重顯著低于CK1；青蒿素濃度為50 mg·L-1時根鮮重降幅最大(46.58%)；濃度為40 mg·L-1時莖鮮重降幅最大(29.13%)。青蒿素濃度為10 mg·L-1時，根鮮重與CK3無顯著差異，而后隨其濃度的增加，根鮮重逐漸降低。青蒿素濃度為10、20 mg·L-1時，莖鮮重顯著高于CK3，其他濃度處理與CK3均無顯著差異。青蒿素浸種后幼苗根干重較CK1升高，莖干重降低，而根、莖干重與CK3無顯著差異。青蒿素處理后幼苗的根冠比均高于CK1，低于CK3，且根冠比隨著青蒿素濃度的增加而升高。

表1 青蒿素對小麥種子發(fā)芽率、苗高和根長的影響

同列數(shù)值后字母相同的表示處理間無顯著差異(LSD，P>0.05)。表2同。

The same letter following the values in the same column indicates no significant difference among the treatments at 0.05 level (LSD). The same as in table 2.

表2 青蒿素對小麥幼苗單株根和莖的干、鮮重及根冠比的影響

2.3 青蒿素對小麥幼苗根系活力的影響

從圖1可以看出，青蒿素浸種后，隨著其濃度的升高，小麥幼苗根系活力逐漸降低，較CK1下降29.24%～69.88%。青蒿素濃度為10、20 mg·L-1時，小麥幼苗根系活力較多效唑(PP333)處理分別增加了19.21%和2.96%，其他濃度處理降低了3.45%～49.26%。

2.4 青蒿素對小麥幼苗葉綠素含量的影響

小麥幼苗的總葉綠素含量隨青蒿素濃度的增加呈先升高后降低的趨勢(圖2)。在10～50 mg·L-1青蒿素濃度下小麥幼苗葉綠素含量較CK1分別增加37.50%、65.28%、26.39%、12.50%和2.78%，青蒿素濃度濃度為60 mg·L-1時降低了20.83%。青蒿素濃度為10、20 mg·L-1時葉綠素含量較多效唑(PP333)處理增加了2.06%和22.00%，其他濃度處理分別降低了6.19%～41.24%。

2.5 青蒿素對小麥幼苗可溶性蛋白含量的影響

青蒿素浸種后小麥幼苗的可溶性蛋白含量顯著降低(圖3)，10～60 mg·L-1青蒿素濃度處理較CK1分別降低6.89%、15.86%、16.40%、23.79%、32.22%和32.76%。青蒿素濃度為10、20 和30 mg·L-1時可溶性蛋白含量較多效唑(PP333)處理增加了17.30%、5.99%和5.31%，其他濃度處理分別降低了3.99%～15.29%。

圖柱上字母相同表示處理間無顯著差異(LSD，P>0.05)。下圖同。

The same letter above columns indicates no significant difference among the treatments at 0.05 level (LSD). The same as in figure 2-4.

圖1 青蒿素對小麥根系活力的影響

Fig.1 Effect of artemisinin on root activity in wheat root

圖2 青蒿素對小麥葉片葉綠素含量的影響

2.6 青蒿素對小麥幼苗可溶性糖含量的影響

青蒿素浸種后小麥的可溶性糖含量顯著升高(圖4)，10～60 mg·L-1青蒿素濃度處理較CK1分別增加了15.03%、22.93%、25.99%、29.04%、46.88%和65.09%，較多效唑(PP333)處理分別降低了34.04%、29.51%、27.76%、26.00%、15.78%和5.33%。

3 討 論

青蒿素浸種處理對小麥種子萌發(fā)及幼苗生長有顯著的抑制作用，且隨其濃度的增加，抑制作用增強，這與Lyden 等[16]、白 禎等[17]實驗結果相符。本試驗結果表明，青蒿素溶液對小麥種子的發(fā)芽率、苗高和根長有顯著的抑制作用，且對根的抑制作用更顯著。此外，經(jīng)青蒿素浸種處理后小麥幼苗的根冠比顯著高于無菌水對照，說明青蒿素對地上部生長的影響較大。在植物體內，葉綠素含量的高低在一定程度上反映了植物光合作用及有機物合成的能力[18-19]。本試驗中小麥葉綠素含量隨青蒿素浸種濃度的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，說明青蒿素對小麥葉綠素含量影響存在濃度效應。根系活力是指根系吸收和代謝能力的強弱，其大小與植物的生命活動緊密相關[20]。本試驗結果表明，青蒿素浸種后，隨其濃度的增加，小麥的根系活力逐漸降低，這會降低幼苗對養(yǎng)分、水分的吸收能力，進而導致生長發(fā)育受阻。在逆境環(huán)境下的植物的水解作用會增強，合成作用會減弱[21-22]。可溶性糖是種子在萌發(fā)過程中經(jīng)水解酶的作用形成的低分子糖類。本試驗中小麥可溶性糖含量隨青蒿素濃度增加而增加，幼苗生長受到抑制，推測青蒿素增加種子水解酶活性，但同時又抑制合成酶催化的生化反應，從而抑制小麥的生長。同時，隨青蒿素濃度的增加，可溶性蛋白含量呈下降趨勢，推測小麥幼苗在青蒿素脅迫的環(huán)境中生長受到抑制是由于植物體內的水解作用增強，將可溶性蛋白降解為氨基酸，這種代謝失調最終對植物產生傷害。經(jīng)適宜濃度的青蒿素浸種處理后，小麥幼苗的苗高、根冠比、根系活力、葉綠素含量、可溶性蛋白含量等指標的影響均與多效唑處理相似，推測適宜濃度的青蒿素可用作植物生長調節(jié)劑來調節(jié)植物的生長。雖然青蒿素可用于小麥種子萌發(fā)及幼苗生長的調節(jié)，但其對植物的生長調節(jié)機制還需進行多方面、多層次的研究。其次，對于小麥的田間試驗及對其他植物的作用效果如何，還有待于進一步研究。

圖3 青蒿素對小麥可溶性蛋白含量的影響

圖4 青蒿素對小麥可溶性糖含量的影響

[1]慕小倩,馬 燕,王 碩,等.黃花蒿化感作用機理的初步研究[J].西北植物學報,2005,25(5):1025.

MU X Q,MA Y,WANG S,etal.Preliminar study of allelopathy mechanism ofArtemisiaannua[J].ActaBotanicaBoreali-OccidentaliaSinica,2005,25(5):1025.

[2]郭鴻儒,沈慧敏,楊順義,等.黃花蒿化感物質對受體燕麥化感作用機理的初步研究[J].甘肅農業(yè)大學學報,2008,2(1):102.

GUO H R,SHEN H M,YANG S Y,etal.Effect of extraction ofArtemisiaannuaon activity of some enzymes inAvenafata[J].JournalofGansuAgriculturalUniversity,2008,2(1):102.

[3]高志梅,李擁軍,谷文祥.青蒿化感作用的初步研究[J].華南農業(yè)大學學報,2007,28(1):122.

GAO Z M,LI Y J,GU W X.Preliminary studies on the allelopathic effects ofArtemisiaannua[J].JournalofSouthChinaAgriculturalUniversity,2007,28 (1):122.

[4]LU S S,WU L O,YANG Z Q.Progress of research on artemisinin in combination with other anti-malarial drugs [J].JournalofPathogenBiology,2009,4(3):232.

[5]RICE E L.Alleiopathy(2nd ed) [M].London:Academic Press,1984:1-2.

[6]黃建國.黃花蒿的化感效應[J].山地農業(yè)生物學報,2015,34(4):1.

HUANG J G.Review of the allelopathic effects ofArtemisiaannua[J].JournalofMountainAgricultureandBiology,2015,34(4):1.

[7]CHEN P K,LEATHER G R.Plant growth regulatory activities of artemisinin and its related compounds [J].ChemicalEcology,1990,16(6):1867.

[8]DUKE S D,VAUGHN K C,CROOM Z M,etal.Artemis-inin,acon-stituento annual worm wood(Artemisiaannua) isaseIective phytotoxin [J].WeedScience,1992,35:499.

[9]DULE S O,VAUGHN K C,CROOM E M,etal.Artemiainin’a constituen of annual wormwood(Artemisiaannua),is a selective phytotoxin [J].WeedScience,1987,35:499.

[10]劉 飛,伍曉莉,崔廣林,等.青蒿根際微生物數(shù)量動態(tài)及其與青蒿素含量的關系研究[J].時珍圍醫(yī)國藥,2010,21(1):37.

LU F,WU X L,CUI G L.etal.Relationship dynamics ofArtemisiaannuarhizosphere microorganisms and artemisinin content [J].LishizhenMedicineandMadicaResearch,2010,21(1):37.

[11]趙紅梅,楊順義,郭鴻儒,等.黃花蒿對4種受體植物的化感作用研究[J].西北植物學報,2007,27(11):2292.

ZHAO H M,YANG S Y,GUO H R,etal.Allelopathy ofArtemisiaannuaon 4 receptor plants [J].ActaBotanicaBoreali-OccidentaliaSinica,2007,27(11):2292.

[12]何 軍,王三根,丁 偉.青蒿浸提物對小麥化感作用的初步研究[J].西南農業(yè)大學學報(自然科學版),2004,26(3):281.

HE J,WANG S G,DING W.Study on allelopathic effects of alcohol extracts fromArtemisiaannuaL.[J].JournalofSouthwestAgriculturalUniversity(NaturalScience),2004,26(3):281.

[13]黃 玥,袁 玲.青蒿素的化感效應及機理研究進展[J].貴州農業(yè)科學,2011,39(6):111.

HUANG Y,YUAN L.Advances of allelopathic effect of artemisinin and related mechanisms [J].GuizhouAgriculturalSciences,2011,39(6):111.

[14]ZEHHAR N,INGOUFF M,BOUYA D,etal.Possible involvement of gibberellins and ethylene inOrobancheramosagermination [J].WeedResearch,2003,42(6):464.

[15]王學奎.植物生理生化實驗原理和技術[M].北京.高等教育出版社,2006:190-192.

WANG X K. Principles and Techniques of Plant Physiology and Biochemistry [M].Beijing:Higher Education Press,2006:190-192.

[16]LYDEN J,TEASDALE J R,CHEN P K.Allelopathic activity of annual wormwood(Artemisiaannua) and the role of artemisinin [J].WeedScience,1997,30(3):1.

[17]白 禎,黃 玥,黃建國.青蒿素對蔬菜種子發(fā)芽和幼苗生長的化感效應[J].生態(tài)學報,2013,33(23):7576.

BAI Z,HUANG Y,HUANG J G.Allelopathic effects of artemisinin on seed germination and seedling growth of vegetables [J].ActaEcologicaSinica,2013,33(23):7576.

[18]JIAO Y,GE C M,MENG Q H,etal.Dihydroartemisinin is an inhibitor of ovarian cancer cell growth [J].ActaPharmacologicaSinica,2007,28(7):104.

[19]FINAURINI S,BASILICO N,CORBETT Y.Dihydroartemisinin inhibits the human erythroid cell differentiation by altering the cell cycle [J].Toxicology,2012,300(1):57.

[20]李朝蘇,劉 鵬,蔡妙珍,等.蕎麥對酸鋁脅迫生理響應的研究[J].水土保持學報,2005,19(3):105.

LI C S,LIU P,CAI M Z,etal.Physiological response of buckwheat to acid-aluminum stress in growth [J].JournalofSoilandWaterConservation,2005,19(3):105.

[21]JIANG W,HUANG Y,WANG J P,etal.The synergistic anticancer effect of artesunate combined with allicin in osteosarcoma cell lineinvitroandinvivo[J].AsianPacificJournalofCancerPreventionApjcp,2013,14(8):4615.

[22]GüZIN K,SALIH M,LOKMAN A,etal.Genotoxic effects of catmint (NepetameyeriBenth.) essential oils on some weed and crop plants.[J].Toxicology&IndustrialHealth,2013,29(6):504.

Effects of Artemisinin on Seed Germination and Seedling Growth of Wheat

LAI Qingjie,ZHAO Wanying,LI Xueli,Lü Jianzhou

(Department of Life Science, Liaoning Normal University, Dalian，Liaoning 116081,China)

The effects of different concentrations of artemisinin on germination,morphological and physiological characteristics of wheat seeds were discussed by using indoor Petri dish method. The results showed that artemisinin presented the inhibition ability on the seed germination and seedling growth of wheat,and the inhibition ability showed more significant under higher concentration. Compared with the control group(sterile water),the seed germination rate,seedling height, root length, fresh weight and stem dry weight were significantly reduced under artemisinin soaking treatments,but the dry weight of root as well as root-shoot ratio were increased. With the increase of concentration of artemisinin, root activity and content of soluble protein of seedling were decreased, but the content of soluble sugar was increased, and the chlorophyll content was increased first and then tended to decrease, and the peak appeared at the artemisinin value of 20 mg·L-1. In addition, after soaking the seeds with artemisinin solutions,the effect on the indicators of wheat seedlings was similar to that of PP333 (15 mg·L-1).

Artemisinin;TriticumaestivumL.; Seed germination; Seedling growth

時間：2016-10-08

2016-04-18

2016-05-31

大連市科技計劃項目(2015B11NC077)

E-mail：626190046@qq.com

呂建洲 (E-mail:jianzhoulv@126.com)

S512.1；S311

A

1009-1041(2016)10-1386-05

網(wǎng)絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20161008.0932.028.html