青蒿素对蔬菜种子发芽和幼苗生长的化感效应

白 祯，黄 玥，黄建国

(西南大学资源环境学院，北碚 400716)

黄花蒿又名青蒿(Artemisia annua L.)，为菊科1年生草本植物，已入药2000多年，具有清热解毒的功效，是中医常用中草药之一。20世纪70年代，我国科学家从黄花蒿中分离出青蒿素，黄花蒿成为提取青蒿素的唯一原料药材［1］。目前，全世界有40% 左右的人口受到疟疾威胁［2］，青蒿素是世界卫生组织(WHO)推荐治疗疟疾的首选药物。

黄花蒿在生长过程中，通过根系分泌、降雨淋溶和枯枝落叶等多种途径向土壤释放化感物质——青蒿素。Karina等［3］报道，在种植黄花蒿的北欧土壤中，青蒿素平均含量为11.7 mg/kg;种植黄花蒿之后，肯尼亚土壤中青蒿素含量高达到25 mg/kg［4］;土壤溶液中青蒿素浓度可能是风干土壤的5倍以上［5］。研究表明，青蒿素及其前体可调节植物生长发育［6］，抑制多种杂草的根芽和地上部生长［7-8］。当土壤中的青蒿素浓度达到6—24 mg/kg时，抑制小麦、玉米、莴苣、萝卜、油菜、甘蓝等多种作物的种子发芽和幼苗生长［9-11］。在重庆市黄花蒿种植区，后茬作物小麦、油菜、青菜也有明显的减产现象［12-13］。在土壤和水体中，当青蒿素的浓度达到12 mg/kg时，对蚯蚓和绿藻产生毒害作用［14］，导致土壤肥力和水体生产力降低。因此，集约化种植黄花蒿之后，存在于土壤和水体中的青蒿素可能具有广泛的生态危害［8，14-15］。

植物释放的化感物质对周围其它植物产生有利或有害作用，使之处于生存竞争的优势地位，有利于扩大自己的生存空间和种群数量［16］。研究化感作用可了解生态系统中植物群落的发生、发展和演替规律，调控植物的种群结构和生长发育，减轻化感危害［17］。我国黄花蒿种质资源丰富，种植面积和产量占全世界的90%以上。重庆市是我国黄花蒿的主产区，种植面积和产量约占全国的80%［14］。菜豆、豇豆、大白菜和小白菜是当地的主要蔬菜，前两者与黄花蒿同季节，后两者是黄花蒿的后季节蔬菜，均不同程度地表现出生长抑制和减产现象。为了弄清黄花蒿对蔬菜生产的化感机理，减轻化感危害，提高土地整体生产水平，论文作者以上述四种蔬菜为对象，研究了青蒿素对种子萌发和幼苗生长的影响。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试蔬菜分别为菜豆(Phaseolus vulgaris L)、豇豆(Vigna sinensis L)、大白菜(Brassica pikenensis)和小白菜(Brassica chinensis)，品种依次为芸丰623、之豇19、华良早五号和四季快熟25d，购于重庆市北碚区种子门市部。供试青蒿素购于酉阳富民青蒿科技有限公司，纯度98.7%。

1.2 试验方法

取健康、饱满、均匀一致的供试蔬菜种子用 0.5%H2O2消毒 10 min，无菌水洗净。配制 0、6、12、24、48 mg/L的青蒿素溶液。考虑到配制高浓度的青蒿素母液需要少量的乙醇助溶，故不含青蒿素的溶液包括纯水(对照1)和0.01%乙醇溶液(对照2，相当于青蒿素母液稀释后的最大乙醇浓度)。然后，在25℃的条件下，分别用不同浓度的青蒿素溶液浸种至露白，取菜豆和豇豆各20粒种子，均匀置于底部垫有双层滤纸的塑料圆盘中(直径×深度=15 cm×3 cm)，以消毒清洁的石英砂覆盖;大、小白菜则各取50粒种子均匀置于底部垫有一层滤纸、直径为9 cm的培养皿中。在25℃培养箱中用无菌水保持湿润，发芽至10d备测有关项目。

1.3 测定项目与方法

以芽长超过种子长度的1/2为标准，计算发芽率，并测定苗高和胚根长度。然后，取幼苗根系测定其活力，幼苗叶片测定叶绿素含量。为了解发芽过程中，种子的碳氮代谢状况，在浸种后48 h，分别测定种子的呼吸强度，游离氨基酸和可溶性糖含量。

用TD-HX01呼吸作用测定仪测定种子呼吸强度，TTC法测定根系活力;乙醇-丙酮混合提取分光光度法测定叶绿素，茚三酮比色法测定游离氨基酸，蒽酮-硫酸法测定可溶性糖含量。

1.4 数据处理方法

利用Excel进行基本数据计算，DPS6.5软件进行统计分析，LSD多重比较法进行差异显著性检验，显著水平为 P=0.05。

2 结果与分析

2.1 青蒿素对蔬菜种子发芽性状的影响

表1可见，0.01%的乙醇溶液浸种对蔬菜种子的发芽性状，如发芽率、苗高和胚根长度均无显著影响。但是，青蒿素显著抑制蔬菜种子发芽和幼苗生长，抑制作用随浓度增大而增强。用12 mg/L青蒿素溶液浸种，蔬菜种子的发芽率、苗高和胚根长度分别比纯水浸种降低了41.86%、20.72%和35.67%(菜豆)，48.75%、52.17%和 31.85%(豇豆)，38.82%、47.41%和 42.09%(大白菜)，25.15%、51.94%和 75.00%(小白菜)。

表1 青蒿素对菜豆和豇豆种子发芽性状的影响Table 1 Effect of artemisinin on seed germination characters of Phaseolus vulgaris L and Vigna sinensis L

值得注意的是，青蒿素对蔬菜种子发芽性状的影响因蔬菜品种和发芽指标不同而异。其中，豇豆种子发芽率和小白菜幼苗生长降幅最大。当青蒿素浓度为48 mg/L时，豇豆发芽率降低75.00%，小白菜苗高降低88.37%，胚根停止生长。

2.2 青蒿素对蔬菜幼苗叶绿素含量的影响

青蒿素对蔬菜幼苗叶绿素含量的影响因品种不同而异。菜豆和豇豆幼苗叶绿素含量随青蒿素浸种浓度的逐渐增加而提高，大、小白菜则显著降低。用48 mg/L青蒿素浸种，菜豆和豇豆分别比对照提高了56.10%和 35.58%，大、小白菜则降低了 53.97%和 96.36%(图 1)。

图1 青蒿素对幼苗叶绿素含量的影响Fig.1 Effect of artemisinin on chlorophyll contents in the leaves of young seedlings

2.3 青蒿素对蔬菜幼苗根系活力的影响

图2可见，用青蒿素浸种，随着浓度的提高，蔬菜幼苗根系活力降低，其降幅因蔬菜品种不同而异。其中，大、小白菜的降幅显著高于菜豆和豇豆。在青蒿素的浓度为48 mg/L时，菜豆、豇豆和大、小白菜的根系活力比对照分别降低了 7.76%、37.31%、62.62%和 100.00%。

2.4 青蒿素对蔬菜种子呼吸作用的影响

图3可见，低浓度青蒿素刺激蔬菜种子的呼吸作用。浸种浓度为6 mg/L，菜豆、豇豆和大、小白菜的呼吸强度分别比对照提高了80%、50%、17.65%和175.0%。但是，高浓度青蒿素抑制种子呼吸。浸种浓度为48 mg/L，它们的呼吸强度分别比对照降低了40%、33.3%、78.5%和25%。

2.5 青蒿素对蔬菜种子可溶性糖的影响

蔬菜种子中的可溶性糖含量随青蒿素浸种浓度的提高而增加。当青蒿素浓度为48 mg/L时，菜豆、豇豆和大、小白菜中可溶性糖含量分别比对照提高 18.09%、43.08%、148.61%和 53.43%(图 4)。

2.6 青蒿素对蔬菜种子游离氨基酸的影响

图2 青蒿素对幼苗根系活力的影响Fig.2 Effect of artemisinin on root activities in the leaves of young seedlings

总体上，用青蒿素浸种提高种子中游离氨基酸含量。大白菜种子中的游离氨基酸含量波动较大。用浓度为0—12 mg/L的青蒿素浸种，小白菜种子中的游离氨基酸含量有所降低;当青蒿素的浓度为24 mg/L时，则比对照提高了45.99%。随着青蒿素浸种浓度的提高，菜豆和豇豆种子中的游离氨基酸含量持续增加，当青蒿素浓度为48 mg/L时，比对照分别提高了37.22%和39.05%(图4)。

图3 青蒿素浸种对种子呼吸作用的影响Fig.3 Effect of artemisinin on seed respiration when soaking seeds

图4 青蒿素浸种对白菜种子可溶性糖的影响Fig.4 Effect of artemisinin on soluble sugars in cabbage seeds

3 讨论

化感作用普遍存在于自然界中。植物利用化感作用抑制其它植物生长，使自身处于生存竞争的优势地位。番茄根系的分泌物甚至抑制自身生长［18］，胡卢巴分泌的化感物质7-羟基香豆素抑制黄瓜根细胞伸长，大葱根尖细胞的有丝分裂，致使根系的纵向生长速率降低，但促进根系的横向扩展［19-20］。青蒿素抑制同季菜豆和豇豆种子的发芽和幼苗生长，有利于扩大生存空间;对后季大、小白菜的抑制作用可减少土壤养分消耗，保证来年的养分需要和生长发育。值得注意的是，化感作用对受体作物生长的影响具有明显的浓度效应和种间差异［21-23］，青蒿素对抑制蔬菜种子发芽率和幼苗生长的化感作用均随浓度的提高而增强，其中豇豆种子发芽率和小白菜幼苗生长对青蒿素最为敏感，类似广藿香根系分泌物对萝卜生长的影响［24］。因此，在黄花蒿—蔬菜种植系统中，选择对青蒿素相对不敏感的豇豆和大白菜，一定程度上可提高土地利用率和农业整体生产水平。

在植物体内，叶绿素含量与植物氮素营养密切相关。菜豆和豇豆幼苗叶片中叶绿素含量随青蒿素浸种浓度的增加而提高，大、小白菜则显著降低。在逆境条件下，植物生长受到抑制，植株养分含量表现出“浓缩/稀释效应”，叶绿素含量显著增加或降低［25］。因此，用青蒿素浸种，叶绿素含量的增减实际上是抑制幼苗生长的生理表现。此外，根系活力是根系代谢强度的综合反应，与养分吸收能力密切相关［26］。青蒿素导致幼苗根系活力降低，可能干扰了根系的物质能量代谢，不利于田间植株吸收土壤养分。

大量的研究表明，植物产生的化感物质影响受体植物体内的酶活性，干扰相应的物质能量代谢或信号转导［27］。青蒿素对蔬菜种子的呼吸作用表现出低促高抑的浓度效应，类似云雾山铁杆蒿茎叶浸提液对百里香种子的影响［28］。小麦秸秆水浸提液能放出萜类化合物，低浓度促进黄瓜幼苗生长，高浓度则产生抑制作用［29］。在种子萌发过程中，胚乳中储存的淀粉和蛋白质经水解酶的作用形成低分子的糖类和氨基酸，再经合成作用构建植物体。用青蒿素浸种，蔬菜种子中的可溶性糖和游离氨基酸含量增加，但幼苗生长受到抑制，说明青蒿素对种子水解酶活性的影响不大，但抑制生物合成，导致代谢紊乱，妨碍幼苗生长甚至死亡。

总之，青蒿素抑制供试蔬菜的种子发芽、幼苗生长和根系活力，并表现出明显的浓度效应和种间差异。青蒿素可能降低种子碳氮代谢过程中合成反应，导致幼苗不能正常生长。

图5 青蒿素浸种对白菜种子游离氨基酸的影响Fig.5 Effect of artemisinin on free amino acids in cabbage seeds

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