老参地土壤中的酚酸类化合物对4种作物的化感作用△

焦晓林，杨家学，高微微

(中国医学科学院 北京协和医学院 药用植物研究所，北京 100193)

·中药农业·

老参地土壤中的酚酸类化合物对4种作物的化感作用△

焦晓林，杨家学，高微微*

(中国医学科学院 北京协和医学院 药用植物研究所，北京 100193)

目的：探讨种植过西洋参的老参地土壤中积累的酚酸类化感物质对其他作物的影响，为选择合适的后茬作物提供依据。方法：以田间实测的酚酸种类和含量为依据，对比老参地土壤中9种混合酚酸(总酚酸)对小麦、玉米、萝卜、紫花苜蓿4种作物种胚萌发及生长的作用，并与其中含量最高的p-香豆酸进行比较。结果：总酚酸在接近老参地田间浓度的实验浓度下(0.55～2.2 mg·mL-1)，仅对小麦、紫花苜蓿的发芽率有弱的抑制作用，对其他作物均无影响(P>0.05)；对4种作物的胚根、胚芽的生长均有抑制作用，2.2 mg·mL-1浓度下分别比对照降低62%～92%、27%～58%(P<0.05)。根据IC50值，总酚酸对4种作物胚根的毒力依次为：紫花苜蓿>萝卜>玉米>小麦；对胚芽的毒力依次为：萝卜>紫花苜蓿>小麦>玉米。对比总酚酸与p-香豆酸的毒力发现，总酚酸对萝卜和玉米胚根的毒力低于p-香豆酸，而对紫花苜蓿胚根、萝卜胚芽的毒力高于p-香豆酸。结论：老参地土壤中存在的酚酸类化合物对萝卜、紫花苜蓿等直根系作物毒力较强，对小麦、玉米毒性相对较弱，轮作应优先考虑禾本科须根系作物。

老参地；总酚酸；p-香豆酸；后茬作物；化感作用

西洋参PanaxquinquefoliumL.为五加科人参属多年生栽培药材，在田间生产中连作障碍问题突出[1]。近年来研究发现老参地土壤中存留的酚酸类自毒物质是引起西洋参连作障碍的重要原因之一[2]，西洋参根提取物及种植土壤中存在的9种酚酸均可显著抑制自身胚根的生长[3-4]。种植过一茬(一般4年)西洋参的农田，由于严重的连作障碍使得后茬只能改种其他作物，土壤中残留的酚酸对后茬作物是否产生影响尚属未知。目前在酚酸生态作用的研究中，对单一酚酸的报道较多，对多种酚酸共同作用的研究相对较少[5-6]。老参地9种化感酚酸中主要为p-香豆酸(相对含量为63%)[3]，在田间总酚酸与p-香豆酸对同种作物或不同作物的作用是否有差异尚不清楚。本实验在前期研究的基础上，根据老参地土壤中实际的酚酸含量设定总酚酸和p-香豆酸的浓度范围，对小麦、玉米、萝卜、紫花苜蓿4种作物进行生物测定，旨在明确老参地中酚酸对后茬作物的影响，为老参地后茬作物的合理选择提供理论参考。同时，对比总酚酸与p-香豆酸的作用差异，以期为化感物质复合作用的评价提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 供试材料

实验所用小麦、玉米种子由中国农业大学种子站提供。萝卜(清脆)、紫花苜蓿(四季旺)购自中国农业科学院。

1.2 酚酸溶液的浓度设置

参照本实验室前期对西洋参种植土壤的检测结果[3，7]，设计9种化感酚酸的相对含量分别为：p-香豆酸63%，p-羟基苯甲酸7%，香草酸2%，丁香酸4%，香草醛4%，阿魏酸9%，水杨酸6%，苯甲酸4%；肉桂酸0.1%。以9种酚酸的相加值为总酚酸，得到总酚酸在土壤中的含量一般在0.2～0.7 mg·g-1之间，p-香豆酸为0.1～0.4 mg·g-1[3]，按照土壤最大持水量25%计算，总酚酸在土壤溶液中的浓度为0.8～2.8 mg·mL-1，p-香豆酸为0.4～1.6 mg·mL-1，依此本实验设置总酚酸的浓度梯度为0.275、0.55、1.1、2.2、4.4 mg·mL-1，p-香豆酸的浓度梯度为0.016、0.16、0.4、0.8、1.6 mg·mL-1。

1.3 生物测定

采用培养皿法进行，每皿铺灭菌滤纸2张，加2 mL甲醇溶解酚酸，挥干甲醇后加入5 mL无菌水，使总酚酸在无菌水中的最终浓度为0.275、0.55、1.1、2.2、4.4 mg·mL-1，p-香豆酸的最终浓度为0.016、0.16、0.4、0.8、1.6 mg·mL-1，以蒸馏水作为对照。种子用5%次氯酸钠溶液进行表面消毒后放置于培养皿中，小麦、萝卜、紫花苜蓿种子20粒/皿，玉米种子10粒/皿，每处理设5皿重复。25 ℃恒温培养7 d，记录种子发芽数，计算发芽率，其受抑制率=(1-处理组发芽率/对照组发芽率)×100%；用直尺测量4种作物的的芽长；直根系作物测量胚根长，须根系作物测量须根长(以最长须根计)和须根数。

1.4 毒力对比

以总酚酸或p-香豆酸浓度的对数为X，对作物的抑制率为Y，利用SPSS13.0软件做线性回归分析，当P<0.05时判定Y与X具备线性关系，拟合线性回归方程和相关系数，并计算半数抑制浓度(IC50)值。参照文献报道的方法[8-10]，根据IC50值衡量总酚酸或p-香豆酸的毒力大小，IC50值越大表示毒力越小。

1.5 数据分析

利用SPSS13.0软件进行方差分析，同一作物发芽率、胚根长度、胚芽长度的数据均具有方差齐性，进一步对处理组与对照组的数据进行Dunnett-t检验，P<0.05时用星号表示差异显著；用Excel软件作图。

2 结果与分析

2.1 总酚酸和p-香豆酸对4种作物发芽率的影响

总酚酸对4种植物的种子萌发的作用不相同，0.275 mg·mL-1浓度下对4种植物的种子萌发无显著作用(P<0.05)；0.55～2.2 mg·mL-1的实验浓度接近田间土壤的浓度范围(0.8～2.8 mg·mL-1)，该浓度范围内总酚酸抑制紫花苜蓿、小麦种子的萌发，0.55 mg·mL-1浓度下显著降低小麦的发芽率，抑制率为9%；实验浓度为4.4 mg·mL-1时完全抑制紫花苜蓿种子萌发，抑制率达到100%(P<0.05，图1)。

0.016～1.6 mg·mL-1p-香豆酸对小麦发芽的抑制作用高于其他作物，但只有达到1.6 mg·mL-1时与对照差异显著(P<0.05)。对紫花苜蓿、玉米的种子萌发基本无影响，对萝卜种子的萌发略有促进，但与对照相比均未达显著差异水平(P>0.05，图1)。

注：抑制率=(1-处理组发芽率/对照组发芽率)×100%，负值表示受促进；*表示处理组与对照组的发芽率差异显著(P<0.05)。图1 不同浓度(mg·mL-1)总酚酸和p-香豆酸对4种作物发芽率的作用

2.2 总酚酸对4种作物的作用

0.275 mg·mL-1总酚酸显著抑制萝卜、紫花苜蓿、玉米的胚根伸长(P<0.05)，对小麦无显著作用(P>0.05)；实验浓度为0.55～2.2 mg·mL-1时接近田间土壤的浓度范围(0.8～2.8 mg·mL-1)，此浓度下总酚酸对4种作物的胚根伸长都表现为显著抑制(P<0.05)，并表现出一定的浓度效应，在2.2 mg·mL-1浓度下对萝卜、紫花苜蓿、小麦、玉米胚根长的抑制率分别为84%、92%、62%、91%(P<0.05)；浓度达到4.4 mg·mL-1时抑制作用进一步加强(P<0.05，表1)。总酚酸浓度低于1.1 mg·mL-1时对小麦、玉米须根数影响较小；浓度提高到2.2 mg·mL-1以上时，显著促进小麦须根的发生，但降低玉米的须根数(P<0.05，表1)。

总酚酸在0.275 mg·mL-1浓度下显著抑制萝卜的胚芽生长(P<0.05)，对紫花苜蓿、小麦和玉米无显著作用(P>0.05)；达到0.55～2.2 mg·mL-1对4种作物种子的胚芽生长均产生抑制作用，并表现出一定的浓度效应，总酚酸浓度达到2.2 mg·mL-1时，对萝卜、紫花苜蓿、小麦、玉米胚芽长的抑制率分别为58%、42%、38%、27%，且与对照差异显著(P<0.05)；4.4 mg·mL-1浓度下抑制作用进一步加强(P<0.05，表2)。

表1 总酚酸对4种作物胚根生长的作用

注：*表示处理组数据与对照差异显著(P<0.05)

表2 总酚酸对4种作物胚芽生长的作用

注：*表示处理组数据与对照差异显著(P<0.05)

2.3 p-香豆酸对4种作物的作用

0.016～0.16 mg·mL-1p-香豆酸对4种作物的胚根伸长都表现出抑制；实验浓度0.4～1.6 mg·mL-1与p-香豆酸在田间土壤中的浓度相同，该浓度范围内显著抑制4种作物的胚根伸长(P<0.05)，且具有一定的浓度效应。在1.6 mg·mL-1浓度下对萝卜、紫花苜蓿、小麦、玉米胚根生长的抑制率分别为84%、73%、68%、90%(P<0.05)。本实验5个添加浓度下p-香豆酸对小麦的须根数基本没有影响，但在0.8 mg·mL-1浓度以上显著降低玉米的须根数量(P<0.05，表3)。

0.016 mg·mL-1p-香豆酸对4种作物的胚芽生长均无显著作用(P>0.05)；浓度达到0.16 mg·mL-1时显著抑制萝卜的胚芽生长(P<0.05)；在0.4～1.6 mg·mL-1浓度下对4种作物的胚芽伸长均表现为抑制作用，且具有一定的浓度效应，浓度为1.6 mg·mL-1时对萝卜、紫花苜蓿、小麦、玉米的胚芽生长抑制率分别为55%、32%、52%、31%(P<0.05，表4)。

表3 p-香豆酸对4种作物胚根生长的作用

注：*表示处理组数据与对照差异显著(P<0.05)

表4 p-香豆酸对4种作物胚芽生长的作用

注：*表示处理组数据与对照差异显著(P<0.05)

2.4 总酚酸和p-香豆酸对4种作物的毒力对比

对比总酚酸和p-香豆酸的作用发现，总酚酸对萝卜和玉米胚根的IC50值大于p-香豆酸，表明其对胚根生长的抑制毒力低于p-香豆酸；而对紫花苜蓿胚根、萝卜胚芽的IC50值小于p-香豆酸，表明其毒力高于p-香豆酸(表5)。

通过IC50对比，发现总酚酸对胚根的毒力大于胚芽。对4种作物胚根的毒力顺序为：紫花苜蓿>萝卜>玉米>小麦；对胚芽的毒力顺序为：萝卜>紫花苜蓿>小麦>玉米，说明老参地土壤中的酚酸类化感物质对禾本科的小麦、玉米等须根系作物毒性相对较小(表5)。

表5 酚酸抑制4种作物胚根、胚芽生长的毒力回归方程及IC50

表5(续)

注：X为总酚酸或p-香豆酸的浓度对数值；Y为抑制率(%)；-表示Y与X不具备线性关系(P>0.05)；#表示IC50值大于总酚酸的最高实验浓度4.4 mg·mL-1

3 讨论

本实验选用的4种作物中，小麦、玉米是我国北方地区的主要粮食作物，紫花苜蓿在农业生产上常用于改土肥田、固氮增产[11]，萝卜含有芥子油苷成分，降解形成的异硫氰酸盐可以抑制植物病原菌，减少病害的发生[12]，可用于老参地恢复。4种作物中萝卜、紫花苜蓿为直根系，小麦、玉米为须根系，综合结果表明，总酚酸的实验浓度为0.55～2.2 mg·mL-1时接近田间土壤中自然含量(0.8～2.8 mg·mL-1)，此浓度范围内对2种直根系作物的毒力较强，对2种须根系作物的毒性相对较弱。有文献报道，化感物质对不同受体植物的作用强度不同[13-14]，可能与受体植物对不良环境的耐受程度和适应性不同有关。游佩进等[15]报道三七连作土壤抑制萝卜、莴苣种胚胚根的生长，对白菜无显著作用。刘宝东等[16]报道老参地土壤水浸液对直根系作物白菜、黄豆胚根生长的抑制强度大于对须根系作物玉米。本实验结果对于实际生产中老参地后茬作物的选择有参考价值，出于对酚酸化感作用的考虑，老参地的利用宜优先考虑种植小麦、玉米等须根系作物，最大限度减少酚酸类化感物质的不利影响。在实际生产中，北京地区的老参地后茬作物一般为小麦、玉米，均长势良好。

植物生长环境中共存的酚酸类物质的化感作用是所有酚酸综合作用的结果，对比本实验中总酚酸与p-香豆酸对4种作物种胚生长的抑制结果，发现对于不同的受体作物，两者的毒力差异不同，原因可能是由于总酚酸中的9种酚酸单体对不同作物表现出不同的复合效应，如拮抗、协同或加合[17，18]。已有文献报道，酚酸类化感物质的复合效应与作用对象的种类有关，Rasmussen等[19]报道0.8 mg·mL-1p-香豆酸和0.97 mg·mL-1阿魏酸混合后对高粱种子的发芽率有协同抑制作用；Blum等[20]研究p-香豆酸、阿魏酸、香草酸两两混合后对黄瓜叶片展开的影响，发现p-香豆酸/阿魏酸混合、香草酸/阿魏酸混合后均表现为拮抗作用。由于植物的化感作用还受土壤肥力、气候因子、水分、病虫害的影响[21]，导致室内生物测定与田间实际情况存在一定差异，田间土壤中酚酸类物质对作物的实际作用还需通过进一步试验进行验证。

[1] 崔德深，高镇生.西洋参[M].北京：科学出版社，1990：20-21.

[2] 简在友，王文全，孟丽，等.人参属药用植物连作障碍研究进展[J].中国现代中药，2008，10(6)：3-5.

[3] He CN，Gao WW，Yang JX，et al.Identification of autotoxic compounds from fibrous roots ofPanaxquinquefoliumL.[J].Plant Soil，2009，318(1-2)：63-72.

[4] Bi XB，Yang JX，Gao WW.Autotoxicity of phenolic compounds from the soil of American ginseng(PanaxquinquefoliumL.)[J].Allelopathy J，2010，25：115-122.

[5] Yan J，Bi HH，Liu YZ，et al.Phenolic Compounds fromMerremiaumbellatasubsp.orientalis and their allelopathic effects on arabidopsis seed germination[J].Molecules，2010，15(11)：8241-8250.

[6] Kole RK，Karmakar PR，Poi R，et al.Allelopathic inhibition of teak leaf extract：a potential pre-emergent herbicide[J].J Crop Weed，2011，7(1)：101-109.

[7] 杨家学.西洋参酚酸类化合物的化感作用及影响因子[D].北京协和医学院，2008：71-78；87-95.

[8] Liu H，Wang J，Zhao J，et al.Isoquinoline alkaloids fromMacleayacordataactive against plant microbial pathogens[J].Nat Prod Commun，2009，4(11)：1557-1560.

[9] Camacho MDR，Phillipson JD，Croft S L，et al.Screening of plant extracts for antiprotozoal and cytotoxic activities[J].J Ethnopharmacol，2003，89(2-3)：185-191.

[10] 孙力，李红健，于鲁海，等.驱虫斑鸠菊抗肿瘤化学成分的初步研究[J].中国现代中药，2011，13(12)：26-28.

[11] 卢欣石.中国苜蓿产业化前景分析.草业与西部大开发[M].北京：农业出版社.2001，36-40.

[12] Brader G，Mikkelsen MD，Halkier BA，et al.Altering glucosinolate profiles modulates disease resistance in plants[J].Plant J，2006，46(5)：758-767.

[13] 凌冰，张茂新，孔垂华，等.飞机草挥发油的化学组成及其对植物、真菌和昆虫生长的影响[J].应用生态学报，2003，14(5)：744-746.

[14] 张博，赵庆芳，郭鹏辉，等.甘肃省重要中草药的化感作用初探[J].安徽农业科学，2008，36(2)：601-604.

[15] 游佩进，张媛，王文全，等.三七连作土壤对几种蔬菜种子及幼苗的化感作用[J].中国现代中药，2009，11(5)：12-13；20.

[16] 刘宝东，王跃.参后土理化性质变化及浸提液对作物种子萌发的影响[J].北方园艺，2010，(22)：151-154.

[17] Chaves N，Sosa T，Alías JC，et al.Identification and effects of interaction phytotoxic compounds from exudate ofCistusladaniferleaves[J].J Chem Ecol，2001，27(3)，611-621.

[18] Reigosa MJ，Souto XC，Gonz′lez L.Effect of phenolic compounds on the germination of six weeds species[J].Plant Growth Regul，1999，28(2)：83-88.

[19] Rasmussen JA，Einhellig FA.Synergistic inhibitory effects ofp-coumaric and ferulic acids on germination and growth of grain sorghum[J].J Chem Ecol，1977，3(2)：197-205.

[20] Blum U，Gerig TM，Weed SB.Effects of mixtures of phenolic acids on leaf area expansion of cucumber seedlings grown in different pH portsmouth A1soil materials[J].J Chem Ecol，1989，15(10)：2413-2423.

[21] 孔垂华，胡飞.植物化感(相生相克)作用及其应用[M].北京：中国农业出版社，2001：168-182.

AllelopathicEffectsofPhenolicCompoundsfromAmericanGinsengCultivatedSoilonFourCrops

JIAOXiaolin，YANGJiaxue，GAOWeiwei*

(InstituteofMedicinalPlantDevelopment，ChineseAcademyofMedicalSciencesandPekingUnionMedicalCollege，Beijing100193，China)

Objective：To investigate the effects of phenolic compounds，the allelochemicals accumulated in American ginseng(PanaxquinquefoliumL.)cultivated soil，on the growth of four crops，and screen suitable rotation crops.Methods：According to our previous research results，nine phenolic compounds at their field natural concentrations(0.275～4.4 mg·mL-1) were mixed as total phenolic compounds(TP).p-Coumaric acid，which was 60%～70% in TP，was also dissolved into solution at 0.016～1.6 mg·mL-1.The effects of T Pandp-coumaric acid on the embryo germination and growth of four crops，including wheat，maize，radish and alfalfa were measured.Results：TP reduced the germination rates of wheat and alfalfa but did not affect other two crops(P>0.05)at concentration of 0.55～2.2 mg·mL-1，which was close to the phenolic contents in American ginseng cultivated soil.All the growths of radical and shoot of the four crops were inhibited by 0.55～2.2 mg·mL-1TP，and decreased by 62%～92% and 27%～58% in 2.2 mg·mL-1TP treatment compared to control(P<0.05).According to IC50values calculation，the toxicities of TP on radical growths of four crops followed the order：alfalfa > radish > maize > wheat，while the toxicities on shoot growths followed the order：radish > alfalfa > wheat > maize.The toxicities of TP on radical growths of radish and maize were lower than those ofp-coumaric acid，while the toxicities of TP on radical growth of alfalfa and shoot growth of maize were higher than those ofp-coumaric acid.Conclusion：Phenolic compounds existed in American ginseng cultivated soil showed more toxic on tap root crops(radish and alfalfa)than fibrous root crops(wheat and maize).Therefore，gramineous fibrous root crops could be better choice as American ginseng rotation crops.

American ginseng cultivated soil；phenolic compounds mixture；p-coumaric acid；subsequent crop；allelopathic effect

2014-01-29)

国家自然科学基金项目(81303157)；北京市自然科学基金项目(6072025)；中医药行业科研专项(201407005)

*

高微微，研究员，研究方向：药用植物病理、中药资源生态；Tel：(010)57833423，E-mail：wwgao411@sina.com

10.13313/j.issn.1673-4890.2015.5.016