碳化玉米芯缓解邻苯二甲酸对番茄幼苗生长和酶活性的抑制作用

李亮亮 李天来 张恩平 陈 彬 刘文娥 吴正超

（沈阳农业大学，辽宁沈阳 110161）

酚类物质是自毒物质中的一大类，以往的研究表明酚类物质对作物和蔬菜的影响主要表现在抑制幼苗生长、光合作用、离子吸收、脂膜透性增加、保护酶活性降低等（Cruz-Ortega et al.，2002；Amarjeet et al.，2005）。周志红等（1997）研究了番茄根系分泌物、植株浸提液及挥发物质的化感作用，表明番茄具有自毒性。Yu和 Matsui（1997）证实了豌豆、番茄、黄瓜、西瓜和甜瓜根系分泌物和残茬所引起的自毒作用，并从中分离出以肉桂酸为代表的多种自毒物质。目前，施用有机物被认为是一种防止连作障碍的简便易行的方法（Polymenakou &Stephanou，2005）。活性炭具有较大的表面积，被认为对抑制物质具有较强的吸附能力，而且对土壤养分的影响较小（Callaway & Aschehoug，2000）。因此，在温室和田间试验中被广泛应用（Kulmatiski & Beard，2006）。Yu等（1993）通过向番茄营养液中添加活性炭来消除番茄的自毒作用。邻苯二甲酸作为番茄的一种重要的自毒物质，对番茄种子萌发、植株生长具有较强的抑制作用（姚军，2007；Zhang et al.，2009）。因此，本试验采用珍珠岩栽培，研究邻苯二甲酸对番茄幼苗的自毒作用以及添加碳化玉米芯后番茄幼苗在生长发育中生理生化指标的变化，探讨邻苯二甲酸对番茄幼苗的自毒作用以及碳化玉米芯是否能够缓解邻苯二甲酸对番茄幼苗的伤害，为进一步揭示邻苯二甲酸的作用机制提供新的资料和依据，为制定适于生产应用、防止番茄自毒作用的措施提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于 2009年 4～6月在沈阳农业大学园艺试验基地塑料大棚及实验室进行。供试番茄（Lycopersicon esculentumMill.）品种为辽园多丽。活性炭是购于化学试剂商店的高纯度粉状活性炭。碳化玉米芯来自沈阳农业大学稻作所，经酸洗、碱洗和水洗净化后烘干备用。试验所用药品均为分析纯。

1.2 试验方法

将预先挑选好的番茄种子播于穴盘中，植株长至四叶一心时，将优良壮苗移栽到盛有珍珠岩的10 cm×10 cm的塑料钵内。采用表1的处理进行室内培养。

根据周志红等（1998）对番茄植株中几种化学成分的化感效应研究认为，酚酸类抑制作用的临界浓度为0.5 mmol·L-1，因此本试验采用0.25 mmol·L-1和2.5 mmol·L-1两个浓度来研究邻苯二甲酸对番茄幼苗的作用。

表1 试验设计

每处理定植10株，3次重复，随机排列。前期每天每钵浇灌100 mL培养液，后期浇灌150 mL，每处理浇灌培养液的量保持一致，其他栽培管理与生产相同。

生长指标测定：处理后20 d，测定幼苗根鲜质量、叶片鲜质量、地上部鲜质量及根长。地上部及地下部鲜质量采用称重法测定；根长采用钢卷尺测量。

光合作用相关指标和叶绿素含量测定：处理后20 d，选择晴天上午，用Li-6400型便携式光合作用测定系统，温度为30 ℃，空气相对湿度为50 %～70 %，采用开放式气路测定番茄幼苗功能叶片（第6片叶）的净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）、细胞间隙CO2浓度（Ci）。叶绿素含量的测定按Arnon（1949）的方法。

保护酶活性及丙二醛含量测定：POD、SOD活性测定按照李合生（2003）的方法，CAT活性测定按照Aebi（1984）的方法，丙二醛（MDA）含量测定采用硫代巴比妥酸法（Hodges et al.，1999）。

1.3 数据处理

试验数据的处理采用 Excel 软件完成，采用 SPSS11.5 统计分析软件对数据进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 碳化玉米芯缓解邻苯二甲酸对幼苗生物量及叶绿素的抑制作用

从表2可以看出，处理后第20天时，高浓度的邻苯二甲酸（B处理）对番茄幼苗的生物量有较大的抑制效果，与对照相比除了叶绿素a的差异不显著外，其他各项指标均显著低于对照，尤其以地上部鲜质量和叶鲜质量变化显著，减少了70 %左右。低浓度的邻苯二甲酸（A处理）与对照差异不显著。加入碳化玉米芯的C处理与加入活性炭的D处理的结果相似，与B处理相比，除叶绿素a外各项指标均有提高，表明碳化玉米芯与活性炭一样具有缓解、降低番茄自毒作用的效果。

表2 不同处理对番茄幼苗生物量及叶绿素含量的影响

2.2 碳化玉米芯缓解邻苯二甲酸对幼苗光合作用的抑制作用

由表3的结果可知，处理后第20天时，A处理胞间 CO2浓度、蒸腾速率与对照差异不显著。B处理的净光合速率、气孔导度和胞间CO2浓度、蒸腾速率与对照相比均显著下降。这说明高浓度的邻苯二甲酸处理引起番茄幼苗的气孔关闭，CO2进入受阻，抑制幼苗的生长。加入碳化玉米芯的C处理与加入活性炭的D处理的各项指标均低于对照，但与B处理相比均有提高，且在净光合速率、气孔导度、蒸腾速率上差异达显著水平。

2.3 碳化玉米芯缓解邻苯二甲酸对保护酶活性和膜质过氧化的抑制作用

番茄从花芽分化到开花需30 d左右，以往的研究认为酚酸物质处理初期对植物幼苗的保护酶活性影响较大（吴凤芝 等，2002；石振 等，2008），因此本试验将取样的时间点定为处理后 2、5、10、20 d。

表3 不同处理对番茄幼苗光合作用的影响

2.3.1 对POD活性的影响 由图1可知，对照POD活性一直处于比较平缓的趋势，不同浓度的邻苯二甲酸在处理后10 d促进了番茄幼苗根系POD的活性。但是在处理后20 d活性明显降低，并且B处理下降幅度最大（图1-a）。对于叶片中POD活性的变化，在处理后10 d不同浓度的邻苯二甲酸均提高了叶片POD的活性，在处理后10 d，高浓度的邻苯二甲酸B处理表现为显著的抑制作用，而低浓度邻苯二甲酸A处理表现出促进作用，POD活性明显高于对照（图1-b）。在根系和叶片中C处理与D处理之间差异均不显著，C处理与B处理变化规律相似，但C处理的POD活性的变化幅度显著低于B处理。表明碳化玉米芯缓解了邻苯二甲酸对番茄幼苗的抑制作用。

图1 不同处理对番茄幼苗POD活性的影响

2.3.2 对SOD活性的影响 从图2中可以看出对照SOD活性处于平稳的状态，不同浓度的邻苯二甲酸处理与对照相比在处理第5、10天对根系的SOD活性有显著的促进作用，而以B处理最明显。之后则表现出明显的抑制作用，B处理在处理第20天时SOD活性显著低于对照。C处理与D处理之间差异不显著，与B处理有类似的变化趋势，但SOD活性的变化幅度则有所降低，而且在处理后20 d，活性与对照相当（图2-a）。与对照相比，各处理对叶片SOD活性的影响均不显著（图2-b）。

图2 不同处理对番茄幼苗SOD活性的影响

2.3.3 对CAT活性的影响 由图3可以看出根系中CAT活性在处理第5天，不同浓度的邻苯二甲酸都促进了番茄幼苗根系的CAT活性，处理后5 d，高浓度邻苯二甲酸的B处理转为抑制作用，在处理第20天，B处理的CAT活性仅为对照的50 %左右。而低浓度邻苯二甲酸的A处理与对照差异不显著（图 3-a）。不同浓度的邻苯二甲酸对番茄幼苗叶片 CAT活性的影响在处理第2、5天时并不显著，在处理第10、20天时，B处理的CAT活性明显低于对照。C处理与D处理之间差异不显著，且两者与对照差异亦不显著（图3-b），与B处理相比较，能明显缓解高浓度邻苯二甲酸的抑制作用。

图3 不同处理对番茄幼苗CAT活性的影响

2.3.4 对膜质过氧化的影响 由图4可知，番茄幼苗的根系和叶片中对照的MDA含量一直保持在较低水平，且变化很小。B处理对番茄幼苗MDA含量的增加有较大的影响，并随着生长发育的进程而逐渐升高，在处理后20 d时根系和叶片中MDA含量分别为对照的2.8倍和2.6倍。C处理与D处理差异不显著，与B处理的变化趋势相似，但MDA含量明显低于B处理。

图4 不同处理对番茄幼苗MDA含量的影响

3 结论与讨论

酚类物质等化感物质通过降低植物叶片的光合作用、叶绿素含量和气孔导度等生理指标抑制邻近植物或下茬植物的生长发育（Sannigrahi & Chakrabortty，2005）。本试验结果表明高浓度的邻苯二甲酸处理引起幼苗的光合速率、气孔导度和蒸腾速率下降，同时也降低番茄幼苗生物量和叶绿素b的含量。其原因可能是自毒物质会抑制光合作用中的电子传递、循环和非循环光合磷酸化，使叶片光合下降，气孔关闭，降低了番茄幼苗的光合速率和蒸腾速率（Calera et al.，1995）。此外，PSⅠ形成的 O2可以进入类囊体膜外的基质并通过酶促和非酶促的歧化反应和2H+生成H2O2，H2O2与O2反应形成的-OH导致脂质过氧化，促进叶绿素的降解（Misako& Shimizu，1985），从而使番茄幼苗光合作用强度降低，抑制了植株的生长。

不同的化感物质都会对POD、SOD、CAT活性及MDA含量产生一定的影响 （Cruz-Ortega et al.，2008）。本试验结果表明，在高浓度邻苯二甲酸作用下番茄幼苗根系的POD、SOD、CAT活性出现先增大后减小的现象，与对照相比，POD、SOD和CAT活性在处理后第20天时均低于对照。番茄幼苗体内保护酶活性的升高可能是其受到邻苯二甲酸的胁迫后，诱导了体内抗氧化能力的增加，在短时间内提高了番茄幼苗根系清除氧自由基的能力，随着处理时间的延长，当体内氧化产物累积到一定水平时，各种酶不能正常发挥作用，导致清除氧自由基的能力下降幅度增大，MDA含量逐渐升高。

加入碳化玉米芯和活性炭之后，均有效地缓解了邻苯二甲酸对番茄幼苗的伤害，在一定程度上维持了作物的光合作用，保证了番茄幼苗生物量的增长。其中的原因可能与活性炭和碳化玉米芯具有比较大的吸附作用有关。有报道表明（范顺利 等，1995），当酚类物质浓度较高时，非极性固体吸附剂如石墨、炭等吸附分子的状态为垂直取向，增大了吸附量。与活性炭相比，碳化玉米芯具有较大的价格优势。因此，在土壤中添加碳化玉米芯是解决酚酸物质对番茄的自毒作用、防止连作障碍的有效方法。

范顺利，孙寿家，佘健．1995．活性炭自水溶液中吸附酚的热力学与机理研究．化学学报，53（6）：526-531.

李合生．2003．植物生理生化实验原理与技术．哈尔滨：哈尔滨教育出版社：64-165．

石振，马凤鸣，李彩凤，张顺捷，侯静，李士龙．2008．外源酚酸类物质对大豆幼苗生长的影响．作物杂志，（3）：40-43．

吴凤芝，黄彩红，赵凤艳．2002．酚酸类物质对黄瓜幼苗生长及保护酶活性的影响．中国农业科学，35（7）：821-825．

姚军．2007．加工番茄化感物质的检测及生理特性研究〔硕士论文〕．乌鲁木齐：新疆农业大学．

周志红，骆世明，牟子平．1997．番茄化感作用的研究．应用生态学报，8（4）：446-450．

周志红，骆世明，牟子平．1998．番茄植株中几种化学成分的化感效应．华南农业大学学报，19（3）：56-60．

Aebi H. 1984. Catalase//Paker L．Methods in enzymology．Orlando，USA：Academic Press：121-126．

Amarjeet B，Mohini S，Sangeeta S．2005．Allelopathic effects ofParthenium hysterophoruson the chlorophyll，nitrogen，protein and ascorbic acid content ofLantana camara．Allelopathy Journal，15（2）：305-310．

Arnon D I．1949．Copper enzymes in isolated chloroplasts polyphenoloxidase inBeta vulgaris．Plant Physiology，24：1-15．

Calera M R，Anaya A L，Gavilanes-Ruiz M．1995．Effect of phytotoxic resin glycoside on activity of H+-ATPase from plasma membrane．Journal of Chemical Ecology，21：289-297．

Callaway R M，Aschehoug E T．2000．Invasive plants versus their new and old neighbors：a mechanism for exotic invasion．Science，290：521–523．

Cruz-Ortega R，Ayala-Crodero G，Anaya A L．2002．Allelochemical stress produced by the aqueous leachates ofCallicarpa acuminata：effect on roots of beans，maize and tomato．Physiologia Piantarum，116：20-27．

Cruz-Ortega R，Alvarez-Anorve M，Romero-Romero M T，Lara-Nunez A，Anaya A L．2008．Growth and oxidative damage effects ofSicyos deppeiweed on tomato．Allelopathy Journal，21（1）：83-94．

Hodges D M，Delong J M，Forney C F，Prange R K．1999．Improvig the thiobarbituric acid-reactive-substance assay for estimating lipid peroxidation in plant tissues containing anthocyanin and other interfering compounds．Planta，201：604-611．

Kulmatiski A，Beard K H．2006．Activated carbon as a restoration tool：potential for control of invasive plants in abandoned agricultural fields．Restoration Ecology，14：251–257.

Misako K，Shimizu S．1985．Chlorophyll metabolism in higher plants．VI．Involvement of peroxidase in chlorophyll degradation．Plant Cell Physiology，26：1291- 1301．

Polymenakou P N，Stephanou E G．2005．Effect of temperature and additional carbon sources on phenol degradation by an indigenous soil Pseudomonad．Biodegradation，16：403-413．

Sannigrahi A K，Chakrabortty S．2005．Allelopathic effects of weeds on germination and seedling growth of tomato．Allelopathy Journal，16（2）：289-294．

Yu J Q，Lee K S，Matsui Y．1993．Effects of the addition of activate carbon on the growth of tomato plants grown by hydroponics．Soil Science and Plant Nutrition，39：13 – 22．

Yu J Q，Matsui Y．1997．Effects of root exudates of cucumber and allelochemicals on ion uptake by cucumber seedling．Journal of Chemical Ecology，23（8）：817-827．

Zhang W B，Zhang S H，Zhang E P．2009．Effects of applied phthalic acid and phloroglucionol dihydrate on the root oxidative damage in tomato seedlings．Allelopathy Journal，23（2）：171-175．