阿魏酸对西瓜种子幼苗生长及生理生化的影响

徐小军，吴 莉，张桂兰

（1.中国农业科学院郑州果树研究所 郑州 450009； 2.中国科学院武汉植物园 武汉 430074）

西瓜是一种深受大众欢迎的夏季水果，近年来，我国西瓜的种植面积不断扩大，但由于我国耕地面积有限，同时西瓜的经济效益高，在部分地区形成了基地化、设施化的栽培模式，这种长期在同一地块上连续种植西瓜的习惯导致西瓜产量、品质下降及病害加剧，造成连作障碍。这种情况随着连作茬数的增加而不断加重，严重影响了西瓜的生产效益。连作障碍的一个重要原因是西瓜的自毒作用，即西瓜通过向环境中释放化感物质，影响后茬作物种子萌发和植物生长的现象。研究表明，西瓜中起自毒作用的化感物质主要包括植物分泌的有机酸、酚类和萜类化合物，其中有机酸，特别是酚酸是最主要的化感物质[1]。土壤中的化感物质影响了植物细胞的生理生化代谢[2-3]，改变了细胞的结构[4]，进而导致种子的生长、萌发特性改变。化感物质还能通过影响土壤微环境改变微生物的结构、组成和生理生化特性[5]，外源化感物质的添加甚至能直接加重病害[6]。

在西瓜中，不同组织中化感物质种类和含量不同，化感作用强度也不同[7]。阿魏酸是西瓜中分泌的最重要的酚酸类化感物质之一，能显著影响包括白藜、苜蓿等植物种子的萌发、幼苗的生长以及抗氧化酶的活性[8-9]。同时，阿魏酸也是一种重要的药用化合物，在动物细胞中具有强抗氧化、抗炎症的作用[10]，同时，阿魏酸在铜离子存在的条件下，能导致DNA断裂[11]。阿魏酸处理大豆后，则会导致木醛糖、蔗糖和果糖含量升高,葡萄糖含量降低[12]，以及木质素含量增加[13]，然而，阿魏酸对西瓜种子的影响机制，目前尚没有系统报道，笔者拟在前人工作的基础上，检测阿魏酸对西瓜幼苗不同部位生长及生理生化的影响，为深入探索阿魏酸对植物生长发育的影响机制奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料

供试材料为西瓜杂交种‘新优16’，购自新疆冰湖种业有限责任公司。阿魏酸以及其他分析用试剂均为分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司。

1.2 方法

1.2.1 种子发芽实验处理 挑选西瓜种子，手工去除包衣后用1%（ω）次氯酸钠溶液消毒5 min，之后用无菌水反复冲洗，用阿魏酸溶液（质量浓度分别为 0、100、200、400、600、800、1000 mg·L-1）浸种后，挑选大小一致的种子，常温下放置在铺有吸水纸的培养皿中，每皿10粒，每个处理设置4次重复。在培养皿中加入对应浓度的阿魏酸溶液2 ml，将培养皿放置在25℃、相对湿度75%的条件下培养。每隔2 d加入0.5 ml相应浓度的阿魏酸溶液，补足水分以保持吸水纸湿润，3 d更换一次吸水纸，保持培养皿清洁。培养7 d后取样，进行相关指标的检测。

1.2.2 种子萌发与生长指标的测定 以幼根长度达到5 mm作为发芽标准,每日观察并记录发芽种子数。萌发后4 d统计发芽势，7 d统计发芽率，并计算发芽指数及活力指数。7 d取样，将发芽的西瓜种子从下胚轴与根的连接处分成2部分，分别测定不同部分的鲜质量与干质量。按下面的公式计算西瓜种子的发芽势、发芽率、发芽指数（GI）和活力指数（VI）：

发芽势（%）=前4d种子发芽数/供试种子数×100；

发芽率（%）=前7d种子发芽数/供试种子数×100；

发芽指数（GI）=∑（Gt/Dt）；活力指数（VI）=GI×S；

式中，Gt为在t日的种子发芽数，Dt为发芽时间（天），S为幼苗的生长势（芽长度）。

1.2.3 种子生理生化指标测定 种子发芽7 d后，将其分为根部和茎部（包括下胚轴及其以上部位），测定各个部分的生理生化指标。超氧阴离子自由基、丙二醛（MDA）含量以及抗氧化保护酶类包括过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）等的活性均参照李合生的方法[14]进行。苯丙氨酸解氨酶的活性参照宾金华等的方法[15]进行，总酚含量利用福林酚法[16]测定。

1.2.4 数据处理 数据采用Excel 2011处理，不同处理之间的数据差异显著性分析利用SPSS 19.0软件进行。浓度间的差异显著性分析采用Duncan多重比较法，显著水平设定为P≤0.05。

2 结果与分析

2.1 阿魏酸对西瓜种子萌发和生长的影响

前人研究结果表明，酚酸类化感物质能显著降低西瓜种子的发芽率、发芽势和发芽指数。在本研究中，不同浓度阿魏酸处理后，西瓜种子的发芽势和发芽率均为100%。对照处理中，发芽指数为（20.00±0.58），当质量浓度为 100～1 000 mg·L-1阿魏酸处理后，发芽指数在（18.06±2.02）到（19.50±1.04）之间变化，且与对照相比没有显著差异（数据无显著差异，未显示）。阿魏酸显著改变了西瓜种子的活力指数和各部分的正常生长，且在100～1000 mg·L-1范围内，随着质量浓度的增大，西瓜种子生长受到的影响也越大（图1）。阿魏酸100 mg·L-1处理后，虽然种子的活力指数、根长、茎长受到显著抑制，但茎鲜质量与对照相比没有显著差异，茎干质量以及根干质量较对照稍有增加，根鲜质量则显著增加。说明低浓度阿魏酸能促进根部物质积累。这与前人报道的低浓度下化感物质能促进种子的萌发和生长相似，但在本研究中，低浓度阿魏酸主要促进根部代谢物质累积。随着阿魏酸处理浓度增高，植物生长显著受到抑制，且处理间存在显著差异，其中根部受到的影响最大，当浓度达到1 000 mg·L-1时，根长为对照的20%，茎长为对照的35%，根干质量为对照的64%，茎干质量略高于对照（表1）。

2.2 阿魏酸对西瓜幼苗抗氧化系统的影响

不同浓度的阿魏酸均能加快西瓜根和茎中超氧阴离子自由基的产生速率，且根中自由基的产生速率显著高于茎中（图2a），与此相对应，当阿魏酸质量浓度超过200 mg·L-1时，西瓜幼苗细胞膜质过氧化加剧，且细胞受到伤害的程度随着处理浓度的增加而加大。阿魏酸质量浓度为200 mg·L-1时，MDA积累与对照相比增加50%，当阿魏酸质量浓度达到1 000 mg·L-1时，MDA含量则增加了1倍左右，且根部MDA含量均高于茎部（图2b）。

图1 不同浓度阿魏酸处理7d后，发芽西瓜种子的表型（部分）

表1 阿魏酸对西瓜种子萌发和生长的影响

图2 阿魏酸对膜质过氧化（a）及超氧阴离子产生速率（b）的影响

MDA和超氧阴离子的产生是植物细胞受到氧化胁迫的显著特征，为了抵御受到的氧化胁迫，植物能利用抗氧化酶系统来清除自由基，降低膜的透性。西瓜种子经过阿魏酸处理后，根部和茎部CAT活性显著上升，当阿魏酸质量浓度达到1 000 mg·L-1时，CAT活性最高，与对照相比提高了5倍左右，根中的 CAT 活性比茎高（图 3a）。100～400 mg·L-1阿魏酸处理后，POD活性逐步升高，当超过600 mg·L-1时，则POD活性逐渐下降。与茎相比，根中POD活性随阿魏酸浓度上升快，下降也快（图3b）。与POD的变化类似，当阿魏酸质量浓度高于200 mg·L-1后，SOD活性逐渐下降，且根中SOD活性下降速率比茎更快（图3c）。以上结果表明，阿魏酸对西瓜幼苗的影响是系统性的，不但引起根的响应，也导致茎内酶系统发生改变，但同时也表明，对阿魏酸最敏感的器官是根。

图3 阿魏酸对西瓜幼苗抗氧化酶CAT（a）、POD（b）和SOD（c）酶活性的影响

2.3 阿魏酸对西瓜种子幼苗PAL活性和总酚含量的影响

阿魏酸不但能引起西瓜幼苗抗氧化系统的变化，而且能改变苯丙氨酸解氨酶（PAL）的活性，增加植物中总酚含量。质量浓度100～400 mg·L-1的阿魏酸处理后，西瓜幼苗根部和茎部PAL活性随着浓度的增高而逐渐增强，但当阿魏酸质量浓度高于600 mg·L-1后，PAL 活性急剧下降，1 000 mg·L-1阿魏酸处理后，PAL活性显著低于对照（图4a）。与此同时，西瓜幼苗茎部总酚物质含量与对照相比，随着处理浓度的增加仅略有增加，但西瓜幼苗根中总酚含量则显著增加，且在阿魏酸质量浓度0～1 000 mg·L-1的范围内，质量浓度越高，总酚含量越大（图 4b）。

图4 阿魏酸对西瓜种子幼苗PAL活性（a）及总酚含量（b）的影响

3 讨论

本研究结果表明，阿魏酸通过干扰正常的生理代谢，影响幼苗正常的生长发育。一般而言，低浓度化感物质促进植物生理生化代谢及生长，而高浓度化感物质则表现为抑制作用或没有作用[17-18]，在本研究中，阿魏酸质量浓度为100～1 000 mg·L-1时均显著抑制了根和上胚轴的伸长，未观察到促进作用，这可能由于本研究中阿魏酸质量浓度相对较高，也可能是由于阿魏酸与其他化感物质的作用机制不同而导致的。

不同浓度阿魏酸处理下，西瓜幼苗的生理生化响应不同。当阿魏酸质量浓度为100 mg·L-1时，根和茎的超氧阴离子含量增加，同时，抗氧化酶SOD、POD、CAT均显著增加，膜质过氧化程度没有显著的变化，说明此时植物已经开始启动细胞中的各种保护机制。但当阿魏酸质量浓度超过600 mg·L-1后，虽然CAT活性持续升高，但POD和SOD活性逐渐降低，说明在该质量浓度下，阿魏酸处理已造成不可逆伤害，导致植物的抗氧化系统无法提供保护。这与甜瓜在高浓度阿魏酸作用下的反应类似[19]。同时，不同的生化指标对阿魏酸的响应也存在显著差异，在抗氧化酶系统中，CAT反应最为敏感，并且在很大程度上与阿魏酸的使用浓度有密切关系，因此，可作为阿魏酸的生物测试指标之一。

阿魏酸严重影响根和茎的伸长，并降低根和茎的鲜质量以及根的干质量，其中胚根长度的变化幅度最大，同时，生理生化指标变化的结果也表明根部的变化更加剧烈，说明阿魏酸对胚根的影响更显著，这与前人利用有机酸化感物质研究其他植物的结果类似[20-22]。普遍认为，西瓜根是直接接触、吸收和感受化感物质的器官，更容易受到伤害，而地上部分主要靠根部吸收营养物质满足需要，只有当根受害达到一定程度，水分和养分不能正常供给时，地上部分才表现出受害症状。在本研究中，利用化感物质直接浸泡种子，根和茎都一直接触阿魏酸，在处理的这7 d中，营养的主要来源为子叶。阿魏酸显著降低了根和茎的鲜质量和根的干质量，但茎的干质量没有受到显著的影响，甚至略有增加（表1），说明在种子萌发生长过程中，阿魏酸可能影响了种子中营养物质的分配，优先供应上部叶片，这可能是导致植物根更易受影响的另一个重要原因。

水稻中的研究表明，苯丙氨酸解氨酶（PAL）是莽草酸途径和次生代谢途径的分支点，酚酸类物质在植物中是通过苯基丙酮途径合成的。化感物质合成的关键酶是PAL[23]，同时，化感物质的合成也受POD的调控[24]，在本研究中，阿魏酸在较低浓度下（＜600 mg·L-1）显著提高了 PAL 活性，也显著提高了POD活性，从而增加西瓜根系中酚酸类物质含量，并将化感物质分泌出来，导致自毒化感物质的种类增多，浓度增大，进一步抑制根的生长与伸长。