酚酸類物質(zhì)在植物-土壤-環(huán)境中的作用

劉曉麗，趙 娜，賈鈺瑩*，肖萬(wàn)欣

（1.遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110161；2.朝陽(yáng)市農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)保護(hù)站，遼寧朝陽(yáng)122000）

1 化感作用和酚酸類物質(zhì)

1.1 化感作用

化感作用是由德國(guó)植物生理學(xué)家Hans Molisch 提出的[1]，即由植物、微生物、病毒和真菌的次生代謝產(chǎn)生的化合物對(duì)農(nóng)業(yè)和生物生態(tài)系統(tǒng)（不包括哺乳動(dòng)物）的生長(zhǎng)和發(fā)展產(chǎn)生的積極和消極的影響[2]?；谢瘜W(xué)物質(zhì)可以在種間或種內(nèi)水平上起作用[3]，這些化合物到達(dá)周圍土壤的主要途徑是通過(guò)根系滲出[4]。它們由不同的化學(xué)家族組成，根據(jù)化學(xué)相似性可分為以下14 類：水溶性有機(jī)酸、直鏈醇、脂肪族醛和酮；簡(jiǎn)單的不飽和內(nèi)酯；長(zhǎng)鏈脂肪酸和聚乙炔；苯醌、蒽醌和復(fù)合醌；簡(jiǎn)單酚類、苯甲酸及其衍生物；肉桂酸及其衍生物；香豆素；類黃酮；單寧；萜類化合物和類固醇；氨基酸和多肽；生物堿和氰醇；硫化物、硫配糖體；嘌呤和核苷[5]。

1.2 酚酸類物質(zhì)

酚酸類化合物是一種以碳為基礎(chǔ)的次生代謝物，在植物中廣泛存在，在土壤-植物-環(huán)境相互作用中起著重要作用[6]。通常酚酸類化合物以混合物的形式產(chǎn)生化感作用，表現(xiàn)為抑制細(xì)胞分裂、伸長(zhǎng)和亞微觀結(jié)構(gòu)、改變膜透性和抑制植物養(yǎng)分吸收、植物光合作用和呼吸作用、各種酶的功能和活性、植物內(nèi)源激素的合成和蛋白質(zhì)的合成等[7-8]。小麥、玉米、骨碎補(bǔ)、銀杏、燈盞細(xì)辛和地黃等植物都含有一種或多種酚酸類物質(zhì)[9]。

2 酚酸類物質(zhì)對(duì)植物生理過(guò)程和生長(zhǎng)發(fā)育的影響

2.1 生理過(guò)程

2.1.1 光合作用和酶活性。酚酸類物質(zhì)中的阿魏酸能抑制光合速率，改變滲透壓，關(guān)閉氣孔，改變根系功能，如抑制水分利用和離子吸收，抑制葉片擴(kuò)張、根系伸長(zhǎng)和生物量積累。土壤中發(fā)現(xiàn)的其他酚酸，如對(duì)香豆酸和香草酸，也表現(xiàn)出與阿魏酸類似的化感作用。10～30 μmol/L 咖啡酸、香豆酸、阿魏酸、肉桂酸和香草酸抑制了大豆的光合作用和葉綠素含量，從而抑制大豆的生長(zhǎng)[10]。酚酸類物質(zhì)通過(guò)植物細(xì)胞膜進(jìn)入植物體內(nèi)，改變某些酶的活性和功能。綠原酸、咖啡酸、兒茶酚抑制磷酸化酶活性；肉桂酸及其衍生物，抑制ATP 酶的水解活性；單寧酸抑制過(guò)氧化物酶（POD）、過(guò)氧化氫酶（CAT）和纖維素酶的活性。酚酸類物質(zhì)也會(huì)影響苯丙氨酸解氨酶的活性[11]。1 mM 咖啡酸處理后，綠豆下胚軸扦插物蛋白酶活性顯著降低[12]。此外，水解酶、麥芽酶、磷脂酶和蛋白酶的活性也顯著降低。香草酸、對(duì)香豆酸、對(duì)羥基苯甲酸可抑制不同的糖酵解酶，從而降低了苗期新組織發(fā)育所需的凈ATP 和碳產(chǎn)量[13]。

2.1.2 蛋白質(zhì)與植物內(nèi)源激素的合成。阿魏酸和肉桂酸可以抑制蛋白質(zhì)的合成[14]。來(lái)自油菜的酚酸類物質(zhì)可以抑制氨基酸的運(yùn)輸和蛋白質(zhì)的合成，進(jìn)而抑制處理后的植株生長(zhǎng)。酚酸類物質(zhì)還可降低DNA 和RNA 的完整性[15]。酚酸類物質(zhì)還可以使植物激素的生理活性降低或失活，從而抑制了植物的正常生理過(guò)程。羥基苯甲酸、多酚和其他化合物影響吲哚乙酸和赤霉素的分解過(guò)程[14]。細(xì)胞懸浮培養(yǎng)研究表明，水楊酸抑制了梨中乙烯的合成[16]。

2.2 生長(zhǎng)發(fā)育

生菜種子和黃化幼苗（下胚軸長(zhǎng)約3 mm，根長(zhǎng)約5 mm）暴露于不同濃度的反式肉桂酸、咖啡酸、阿魏酸、綠原酸、脫落酸、鄰香豆素酸、間香豆素酸、對(duì)香豆素酸中，對(duì)幼苗的生長(zhǎng)和萌發(fā)均有明顯的抑制作用[17]。當(dāng)濃度＜10-3M 時(shí)，咖啡酸或阿魏酸可逆轉(zhuǎn)抑制作用（香豆素抑制萌發(fā)除外）。以S. faberi為指示種的培養(yǎng)皿試驗(yàn)表明，所測(cè)酚酸類物質(zhì)的化感潛力為：阿魏酸＞兒茶酚＞水楊酸＞咖啡酸。咖啡酸濃度即使高達(dá)27 mM，也不會(huì)影響S. faberi發(fā)芽[7]。通過(guò)綜合敏感指數(shù)可知，5 種酚酸類物質(zhì)對(duì)玉米幼苗抑制效應(yīng)大小順序?yàn)椋簩?duì)羥基苯甲酸＞香草酸＞阿魏酸＞對(duì)香豆酸＞丁香酸[9]，特別是當(dāng)溶液濃度超過(guò)1.0×10-4M 時(shí)，對(duì)玉米幼苗胚根伸長(zhǎng)抑制作用更為明顯，香豆酸或阿魏酸對(duì)雜交種的胚根生長(zhǎng)抑制作用不同，測(cè)試表明，玉米對(duì)酚酸毒性的敏感性可能具有雜種依賴性[18]。杉木凋落物、根系、鮮葉、枝等的水浸液及根樁分解產(chǎn)物中含有香草醛、對(duì)香豆酸、阿魏酸和對(duì)羥基苯甲酸等化感物質(zhì)，這些酚酸類物質(zhì)會(huì)影響杉木幼苗生長(zhǎng)[19]。香草醛的濃度達(dá)到10 mg/kg 時(shí)，杉木葉綠素總量明顯下降到對(duì)照的80%；濃度超過(guò)20 mg/kg 時(shí)，明顯抑制了杉木幼苗地徑與高生長(zhǎng)；濃度達(dá)到50 mg/kg 時(shí)，明顯影響地上部分枝葉的正常生長(zhǎng)發(fā)育[20]。

3 酚酸類物質(zhì)與植物-土壤養(yǎng)分互作

3.1 酚酸類物質(zhì)與植物養(yǎng)分互作

酚酸類物質(zhì)通過(guò)與蛋白質(zhì)形成復(fù)合物，延緩有機(jī)質(zhì)的分解和礦化，從而影響土壤養(yǎng)分的動(dòng)態(tài)變化[21]，通過(guò)增加根際土壤微生物活性和氮固定[22]，導(dǎo)致可被植物吸收的無(wú)機(jī)氮減少[23]。Bergmark 等發(fā)現(xiàn)，阿魏酸抑制了玉米的銨態(tài)氮和NO3-的吸收[24]。Abenavoli 等發(fā)現(xiàn)，肉桂酸、阿魏酸和對(duì)香豆酸抑制了玉米對(duì)硝酸鹽和質(zhì)膜H+-ATP 酶活性的凈吸收，而傘形花酮和咖啡酸對(duì)H+-ATP 酶活性沒(méi)有影響[25]。Pramanik 等從黃瓜根系分泌物中鑒定出苯甲酸及其衍生物、肉桂酸及其衍生物等，并證明這些物質(zhì)會(huì)阻礙黃瓜對(duì)養(yǎng)分的吸收[26]。苯丙烯酸和對(duì)羥基苯甲酸在50～250 μmol/L 濃度范圍內(nèi)，隨處理濃度的加大，抑制連作黃瓜根系對(duì)K+、NO3-、H2PO4-吸收的作用顯著，養(yǎng)分外滲速率加快，組織外滲相對(duì)電導(dǎo)率逐漸提高[27]。Yu 和Matsui 發(fā)現(xiàn)，作為黃瓜根系分泌物的主要成分，肉桂酸可以抑制營(yíng)養(yǎng)液中NO3-、SO42-、K+、Ca2+和Fe2+的離子攝取[28]。Li 等研究發(fā)現(xiàn)，禾本科植物與豆科植物間套作時(shí)，豆科植物如蠶豆根系會(huì)通過(guò)釋放有機(jī)酸和質(zhì)子來(lái)酸化土壤，活化土壤難溶性磷，從而促進(jìn)禾本科植物如玉米對(duì)磷的吸收利用[29]。

3.2 酚酸類物質(zhì)與土壤養(yǎng)分互作

3.2.1 硼，鈣，鎂，硫。礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)缺乏可引起化感物質(zhì)濃度的變化[30]。由于硼缺乏，向日葵葉片中的咖啡因和綠原酸顯著增加。在石灰性土壤中，煙草葉片中東莨菪苷含量增加，綠原酸含量降低。同樣，在缺鎂時(shí)，煙草葉片中東莨菪苷濃度升高，綠原酸含量降低。在缺鎂的莖中，東莨菪苷的濃度沒(méi)有變化，但在根中已經(jīng)下降。缺鎂的莖、根和葉片中，總綠原酸濃度均呈下降趨勢(shì)。采用微量硫溶液處理5 周后的向日葵植株，老葉、新葉、莖稈和根系總綠原酸濃度持續(xù)增加。在缺硫植物的老葉和根中，東莨菪苷的濃度也略有增加，而在莖中，東莨菪苷的濃度略有下降。

3.2.2 氮、磷、鉀。水稻的化感潛力隨著土壤氮素供應(yīng)的減少而增加[31]。在缺乏磷酸鹽的條件下，生長(zhǎng)的向日葵果實(shí)中，綠原酸同分異構(gòu)體的濃度大量增加。從缺磷植物的活的完整的根、干枯的根和根尖中濾出的酚酸類化合物比從充足的磷酸鹽中濾出的多。在缺氮、缺磷條件下，對(duì)香豆素和香草酸對(duì)大麥的生長(zhǎng)影響最大。這表明酚酸類毒性取決于營(yíng)養(yǎng)濃度；只有在低濃度時(shí)，酚酸才有一致和明顯的抑制作用。在缺鉀狀態(tài)下，煙草植株的根、莖、葉中總綠原酸的濃度降低。然而，在缺鉀的煙草植物中，葉片東莨菪苷的濃度幾乎增加了1 倍，在根和莖中，東莨菪苷的濃度較高[30]。

4 酚酸類物質(zhì)與土壤根際微生物的互作

土壤微生物可能改變植物間的化感作用[32]。一些微生物能產(chǎn)生影響植物生長(zhǎng)和功能表達(dá)的除草劑類化合物，其他的則利用酚酸作為碳源，中和土壤溶液中的化學(xué)物質(zhì)。有些微生物分解阿魏酸，產(chǎn)生咖啡因、原兒茶酸和香草酸等化合物，在適當(dāng)?shù)臈l件下，也表現(xiàn)出化感作用。相反，土壤中的酚酸會(huì)改變本地微生物群落。阿魏酸、對(duì)羥基苯甲酸、香草酸或咖啡酸伴隨耕作進(jìn)入土壤后，可刺激土壤呼吸、微生物生物量和淀粉酶活性。阿魏酸、對(duì)香豆素、對(duì)羥基苯甲酸或香草酸在非貧瘠土壤中的應(yīng)用，導(dǎo)致了細(xì)菌、纖維菌和放線菌種群密度的大量變化，刺激了特定的細(xì)菌種群。顯然，土壤的非生物特性在調(diào)節(jié)化感化合物的活性中起著重要的作用。然而，植物對(duì)酚酸的某些反應(yīng)取決于土壤的微生物特性，在非貧瘠土壤中進(jìn)行研究效果較好。相比之下，在實(shí)驗(yàn)室條件下，從田間土壤中分離出的某種細(xì)菌或真菌已經(jīng)降低了阿魏酸、對(duì)香豆酸和對(duì)羥基苯甲酸對(duì)植株的實(shí)際影響。

5 研究展望

5.1 化感物質(zhì)的取樣技術(shù)

在作物生產(chǎn)中，通過(guò)化感研究提高生物控制效率的方法現(xiàn)已得到廣泛承認(rèn)[33]。但是，要可再生、全面地探索原生土壤分泌物的代謝特征在技術(shù)上是困難的。更艱巨的是，在距離根系不同的時(shí)間和空間檢測(cè)代謝能力也有限。未來(lái)幾年，質(zhì)譜成像（MSI）技術(shù)將被更好地應(yīng)用到土壤根系分泌物取樣中，這種技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高分辨率的代謝物空間測(cè)繪，可能包括根系周圍的土壤剖面。

5.2 化感物質(zhì)的分析技術(shù)

化感作用的證據(jù)通常很難獲得，特別是當(dāng)一個(gè)人試圖將實(shí)驗(yàn)室研究推廣到大田時(shí)[34]。在田間，生物因素（如土壤微生物、競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的根系分泌物）和非生物因素（如溫度波動(dòng)、水脅迫）在實(shí)驗(yàn)室難以復(fù)制，可能會(huì)增強(qiáng)或減少化感作用。新的方法，如基因敲除技術(shù)，將在未來(lái)為化感作用提供更有力的證據(jù)。根系化學(xué)性狀的多樣性，即根系的代謝組，與地上部植株的代謝組學(xué)研究相比，迄今為止還沒(méi)有被充分研究[35]。根和根際代謝組學(xué)以及基因組學(xué)等相關(guān)分析技術(shù)會(huì)幫助闡明哪部分根系和哪種細(xì)胞類型用來(lái)合成和分泌哪種特殊代謝物的信息，以及特定代謝產(chǎn)物的分泌模式和相關(guān)的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白等次生代謝物合成的代謝途徑的起源和進(jìn)化的分子遺傳證據(jù)，更加系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)地下相互作用的“黑箱”。

5.3 化感物質(zhì)的應(yīng)用

農(nóng)作物和天然植被的酚類物質(zhì)含量不同，對(duì)雜草的抑制能力也不同，應(yīng)該利用這些植物對(duì)雜草的有害影響來(lái)增加作物產(chǎn)量。應(yīng)篩選含有有害酚類物質(zhì)的作物和天然植被，提高抑制雜草的能力。多種酚類化學(xué)物質(zhì)存在于植物的不同部位。酚類化感物質(zhì)將為新型合成農(nóng)藥（殺蟲(chóng)劑、殺線蟲(chóng)劑、殺菌劑、除草劑）的開(kāi)發(fā)提供了基本結(jié)構(gòu)或模板。

5.4 化感物質(zhì)的殘留效應(yīng)

除化感物質(zhì)的直接作用外，它們還可在土壤中持續(xù)存在，從而產(chǎn)生先前土壤占用者的遺留效應(yīng)[36]?！靶滦臀淦鳌奔僬f(shuō)的證據(jù)主要證明了入侵者的直接化感作用[37]，可是，關(guān)于化感殘留效應(yīng)的研究仍然相對(duì)較少，而這些遺留影響可能比直接化感影響更為重要，因?yàn)樗鼈兗词乖谒劳龌蜻w移之后也會(huì)影響其他物種，從而長(zhǎng)期潛在地影響群落結(jié)構(gòu)和整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)。因此，研究入侵物種化感殘留效應(yīng)以及和親緣關(guān)系密切的本地物種之間的化感效應(yīng)關(guān)系，應(yīng)為下一步研究重點(diǎn)。