青蒿素對植物化感效應(yīng)研究進(jìn)展

郭美薇，劉凡銘，呂建洲

（遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，大連 116081）

青蒿素，一種高度氧化的倍半萜，含有獨特的1，2，4-三惡烷環(huán)結(jié)構(gòu)，在青蒿（Artemisia carvifolia）的腺狀毛狀體中產(chǎn)生，是一種重要的抗瘧藥物［1]。1971年，中國化學(xué)家從植物的多葉部分中分離出青蒿物質(zhì)。植物生長調(diào)節(jié)劑（PGRs）是仿照植物激素的化學(xué)結(jié)構(gòu)人工合成的具有植物激素活性的物質(zhì)［2]。根據(jù)對植物莖尖的作用方式，植物生長調(diào)節(jié)劑分為：（1）植物生長促進(jìn)劑，可提高非生物脅迫的恢復(fù)力，打破種子休眠，增強(qiáng)抗旱性、耐溫性和氮肥利用率，促進(jìn)植物莖伸長和生長［3]；（2）植物生長抑制劑，可抑制頂端分生組織生長，使其細(xì)胞的核酸和蛋白質(zhì)合成受阻，細(xì)胞分裂慢［4]；（3）植物生長延緩劑，通過改變植物體內(nèi)內(nèi)源激素水平致使植物體節(jié)間縮短，誘導(dǎo)矮化，防止倒伏，促進(jìn)側(cè)芽萌發(fā)和生長，增加分蘗、促進(jìn)根系發(fā)育［5]。在加拿大，利用植物生長調(diào)節(jié)劑提高生長緩慢的植物和移植幼苗的復(fù)墾成功率，促進(jìn)土壤細(xì)菌群落（包括根霉）的繁殖，在環(huán)境壓力下促進(jìn)植物生長，并在氣候變化期間增強(qiáng)適應(yīng)性［6]。

植物化感作用的概念是由德國科學(xué)家Molish在1937年首先提出的?；凶饔檬且环N化學(xué)生態(tài)防御機(jī)制，通過釋放化學(xué)化合物對植物的生長或發(fā)育產(chǎn)生有利或不利的影響［7]。植物體釋放的對其他生物產(chǎn)生有害或有益影響的有機(jī)物被稱為化感物質(zhì)［8]，一般從植物生長發(fā)育進(jìn)程中通過降解、淋溶等方式釋放的次生代謝物質(zhì)進(jìn)入環(huán)境中。有研究表明，青蒿的脂溶性浸提物和水浸提物會抑制多種雜草的生長。Morvillo等認(rèn)為一年生艾草釋放的化感物質(zhì)（例如青蒿素）可能通過固氮共生體（Bradyrhizobium japonicum）直接或間接地影響作物，在除草劑的應(yīng)用下，黃花蒿和大豆之間的化感作用和競爭性相互作用被忽略［9]。筆者將青蒿素對植物生長的影響及其化感效應(yīng)研究成果進(jìn)行綜述，旨在利用化感活性物質(zhì)開發(fā)新一代植物生長調(diào)節(jié)劑，合理有效利用資源，為發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)提供理論依據(jù)。

1 青蒿素的合成

青蒿素從藥用植物黃花蒿（Artemisia annua Linn.）中分離得到，其分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，化學(xué)合成難度極大［10]。了解青蒿素的生物合成及限制因子對青蒿素的合成有重要作用。Kayani等［11]采用非轉(zhuǎn)基因（組織和細(xì)胞培養(yǎng)）和轉(zhuǎn)基因結(jié)合細(xì)胞、組織和整個轉(zhuǎn)基因組織培養(yǎng)來獲取青蒿素，并說明青蒿素是在葉片的毛狀體中自然產(chǎn)生的，但其生物合成并不局限于毛狀體。Salehi等［12]研究了青蒿素生物合成的限制因子，對5個不同青蒿品種葉片的毛囊腺狀體密度、葉片面積、青蒿素生物合成基因表達(dá)和參與毛囊形成的2個基因（Aa-TTG1和Aa-TFAR1）進(jìn)行研究，結(jié)果表明，沙漠地區(qū)每片葉毛節(jié)面積最大，Aa-ADS，Aa-AlDH1，Aa-CYP71AV1，Aa-TTG1和Aa-TFAR1基因表達(dá)量最高；青蒿素含量低的桃腺毛密度高，TTG1和TFAR1高表達(dá)，青蒿素生物合成低表達(dá)；無青蒿素含量的呼羅沙尼具有非常低的腺毛密度和基因表達(dá)。

2 青蒿素對植物生長的影響

2.1 影響青蒿素化感作用的因素和青蒿素釋放途徑

前人研究表明，一些植物不論環(huán)境如何，都要釋放化感物質(zhì)影響鄰近植物的生長。Aftab等［13]研究在黃花蒿葉片上施用水楊酸（SA）對青蒿素化感效應(yīng)的影響，結(jié)果表明，青蒿素的含量和產(chǎn)量受到SA的積極調(diào)控，與空白對照相比，施用1.00 mM SA的處理青蒿素含量及產(chǎn)量分別增加了25.8%和50.0%，化感效應(yīng)顯著增強(qiáng)。Domokos等［14]研究發(fā)現(xiàn)，一定量的叢枝菌根真菌（AMF）可增強(qiáng)青蒿素化感效應(yīng)，AMF和青蒿素的相互作用可顯著增加鮮、干植物的生物量。已有研究表明，化感物質(zhì)的濃度隨自身和環(huán)境條件的不同其釋放量有顯著差異。因此，研究青蒿素化感作用應(yīng)同時考慮化感物質(zhì)的數(shù)量及相互作用。植物通過適當(dāng)?shù)耐緩较蝮w外釋放化學(xué)物質(zhì)而影響鄰近植物的生長。青蒿素化感物質(zhì)是經(jīng)自然途徑進(jìn)入環(huán)境的化學(xué)物質(zhì)，主要途徑有：植物向體外釋放揮發(fā)物質(zhì)；雨霧從植物表面淋溶；植物從根部分泌；植物殘株或凋落物分解［15]。研究發(fā)現(xiàn)，植物根系分泌的青蒿素和殘株分解產(chǎn)生的化感作用比另兩個途徑重要，主要是這兩個途徑涉及到土壤和微生物的作用，很難分辨具體機(jī)制［16]。

2.2 青蒿素對土壤成分的影響

田間種植黃花蒿將產(chǎn)生大量的青蒿素，嚴(yán)重危害土壤，對土壤中微小的生物造成影響，并引起水環(huán)境的淋濾現(xiàn)象。研究表明，青蒿素可顯著降低土壤微生物生物量碳、氮和有活性的脫氫酶和脲酶，抑制一些細(xì)菌的生長、繁殖和新陳代謝［17]。Jessing等［18]采用超臨界流體萃?。⊿FE）和高效液相色譜法（HPLC）對砂質(zhì)、黏土和腐殖質(zhì)土壤樣品中青蒿素的提取進(jìn)行了研究，定量測定青蒿素的含量。Zeng等［19]研究了青蒿素對土壤中磷增溶細(xì)菌（PSB）的影響，結(jié)果表明，青蒿素濃度較低時，在土壤和培養(yǎng)液中顯著降低了除熒光假單胞菌外的PSB數(shù)量，這表明高青蒿素抑制細(xì)胞分裂或?qū)е翽SB死亡。與原始土壤相比，PSB接種顯著增加了Olsen P，而青蒿素的添加減少了土壤中的P形態(tài)。Li等［20]研究青蒿素對森林土壤中外生菌根真菌分離株的化感作用，在不同濃度的青蒿素培養(yǎng)液中比較Suillus subluteus（S.subluteus 12）和Suillus luteus（S.luteus 1，S.luteus 13，S.luteus 11），結(jié)果顯示，青蒿素明顯抑制了所研究真菌的生長，添加25 mg青蒿素，與對照組（不含青蒿素）相比，真菌生物量減少78.6%（S.luteus1）、96.7%（S.luteus13）、77.8%（S.luteus 11）和86.8%（S.subluteus 12）。

青蒿素在土壤中的植物毒性也表明青蒿素化感作用對植物生長有益，可使植物免受昆蟲和其他食草動物以及病原體和競爭植物物種的危害。

2.3 青蒿素對植物生長的影響

有研究表明，青蒿素可抑制植物種子萌發(fā)及幼苗生長。青蒿素影響細(xì)胞增殖、超微結(jié)構(gòu)、生化反應(yīng)、蛋白質(zhì)合成和基因表達(dá)等，最終導(dǎo)致受體生物生長停滯、損傷或死亡［21]。Lommen等［22]為了探究黃花蒿中青蒿素的產(chǎn)量形成過程，研究了兩個田間試驗中單個葉片發(fā)育期間青蒿素的積累，結(jié)果表明，在葉片的生命周期中，青蒿素總是存在且穩(wěn)定增加，直到衰老后葉片變成褐色時達(dá)到最大濃度。Yan等［23]研究了青蒿素對擬南芥（Arabidopsis thaliana）根向重力曲率和發(fā)育的影響，外源施用的青蒿素干擾根向重力反應(yīng)，抑制初生側(cè)根和根毛的形成，并防止側(cè)根和根毛伸長，青蒿素對根向重力和根系發(fā)育的影響在很大程度上取決于淀粉粒和生長素水平的降低，以及生長素再分布。白禎等［24]用不同濃度的青蒿素處理菜豆、豇豆、大白菜和小白菜，研究黃花蒿產(chǎn)生的化感物質(zhì)“青蒿素”對蔬菜種子發(fā)芽及幼苗生長的影響，結(jié)果顯示，用青蒿素浸種后，蔬菜幼苗的根系活力降低，抑制合成酶催化的生化反應(yīng)，對蔬菜種子發(fā)芽及幼苗生長起抑制作用，且濃度越高，抑制作用愈強(qiáng)。來慶捷等［25]采用室內(nèi)培養(yǎng)皿法，證明隨青蒿素濃度的升高，會降低小麥種子發(fā)芽率、苗高、根長、根鮮重和莖的鮮、干重，增加根干重和根冠比，且青蒿素濃度越高，小麥的根系活力和可溶性蛋白含量會越低，而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。孫婧迪等［26]用同樣方法考察青蒿素對大麥種子的影響，其結(jié)果與來慶捷等相同。張警方等［27]、李雪麗等［28]、劉小萌等［29]分別考察了青蒿素對綠豆、紅小豆以及豌豆生長的影響，結(jié)果顯示，作物的發(fā)芽指標(biāo)及株高、根長、鮮重、干重等均低于對照組，且對根的抑制作用比對莖的抑制更明顯。

大量研究表明，每種植物都有其獨特的適應(yīng)逆境的機(jī)制，當(dāng)周圍環(huán)境變化時，植物可通過對可溶性糖、可溶性蛋白和游離氨基酸的調(diào)節(jié)來提高適應(yīng)環(huán)境的能力，從而保持良好的生長狀態(tài)［30]；或通過對體內(nèi)幾種膜保護(hù)酶活性的調(diào)節(jié)，提升自身抵抗逆境的能力［8]。青蒿素化感作用抑制了植物的生長發(fā)育，會對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和土壤環(huán)境造成重大影響。

3 問題與展望

青蒿素作為一種新型的植物生長調(diào)節(jié)劑，對植物的部分理化性質(zhì)起抑制作用，對農(nóng)作物生長甚至生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重大影響，為進(jìn)一步開發(fā)新的無公害的植物除草劑提供了理論依據(jù)。雖然青蒿素普遍應(yīng)用于抗腫瘤、抗瘧疾、免疫調(diào)節(jié)等方面，但調(diào)節(jié)植物生長的作用也不容小覷。青蒿素在我國土壤中的含量、分布、降解及對土壤微生物化感效應(yīng)的研究相對較少，作用機(jī)制十分復(fù)雜，今后應(yīng)對植物的生長調(diào)節(jié)機(jī)制和青蒿素抑制植物生長的原因進(jìn)行多方面、多層次的研究。