西兰花茎叶腐解液对不同蔬菜幼苗的化感效应

2016-09-21 06:08张学鹏宁堂原张洁莹杨燕孙涛韩惠芳李增嘉
关键词:化感西兰花中性

张学鹏,宁堂原,张洁莹,杨燕,孙涛,韩惠芳,李增嘉

山东农业大学农学院/作物生物学国家重点实验室/农业部作物水分生理与抗旱种质改良作物重点实验室/山东省作物生物学重点实验室,山东泰安271018

西兰花茎叶腐解液对不同蔬菜幼苗的化感效应

张学鹏,宁堂原*,张洁莹,杨燕,孙涛,韩惠芳,李增嘉

山东农业大学农学院/作物生物学国家重点实验室/农业部作物水分生理与抗旱种质改良作物重点实验室/山东省作物生物学重点实验室,山东泰安271018

针对蔬菜田长期连作障碍的普遍发生,采用生物测定的方法,研究西兰花(Broccoli)茎叶腐解液酸性、碱性、中性组分对西兰花和青刀豆(Phaseolus vulgaris L.)幼苗生长的化感作用,以及幼苗丙二醛(MDA)、过氧化物岐化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)活性变化,并对其进行GC-MS鉴定。结果表明:西兰花茎叶腐解液中性、酸性物质对幼苗生物量、根冠比和抗氧化酶活力的抑制作用和对植株MDA的累积作用显著,并随浓度升高抑制作用和累积作用越强;且腐解液各组分对西兰花化感抑制作用显著高于青刀豆。GC-MS鉴定检测到腐解液中性组分中所含化感物较为复杂,各组分中邻苯二甲酸酯类化感物所占比例均较高,2,2'-亚甲基双-(1,1-二甲基乙基)-4-甲基苯酚、苯甲酸也具有较强的化感作用。可见西兰花茎叶腐解液对西兰花和青刀豆幼苗生长均具有一定的化感抑制作用,但腐解液各组分对西兰花自身化感抑制作用要远大于青刀豆,因此西兰花不适合连作,生产上可以通过西兰花-青刀豆轮作栽培来减缓西兰花连作障碍。

西兰花;腐解液;化感作用;GC-MS检测

化感作用作为连作障碍产生的重要因素之一,是指植物及微生物通过向环境中释放化学物质而产生对其它植物或微生物有益或有害的作用[1]。其产生的化学物质称为化感物质,其中植物种内的化感作用称为自毒作用[2]。化感物质的释放途径包括植株地上茎叶的淋溶、挥发及根系的分泌和腐解等,其中植株残茬腐解为化感物质产生的重要途径之一。据报道自然界中很多植物都能够分泌化感物质,如小麦[3](Triticum aestivum L.)、黄瓜[4](Cucumissativus L.)、水稻[5](Oryza glaberrima L.)、大蒜[6](Allium sativum L.)、辣椒[7](Capsicum annuum L.)、豌豆[8](Pisum sativum L.)等,迄今发现的化感物质以有机酸、酚类和萜类化合物最为多见。众多研究也表明作物秸秆残茬在腐解过程中自身产生或释放化感物质,对自身或周围作物产生直接或间接的相互排斥和促进的作用[9-11]。近年来,由于我国土地资源、农业生产科技水平等因素的限制,多处蔬菜田出现连作栽培,蔬菜植株残茬分解产生的自毒物在土壤中不断累积,使土壤环境恶化,导致菜田连作障碍逐年严重[12]。

西兰花是一种营养价值和经济效益较高的蔬菜,随着西兰花种植面积越来越大,由此产生的连作障碍也越来越频繁,而青刀豆是与西兰花同季节的当地经济效益较高的蔬菜之一。因此本文通过研究西兰花茎叶腐解液的不同组分对西兰花和青刀豆幼苗生长和幼苗衰老酶活性的影响以及对腐解液的不同组分进行GC-MS分析鉴定,明确西兰花残茬对西兰花和青刀豆的化感效应,为西兰花-青刀豆轮作减缓西兰花菜田连作障碍,提高西兰花菜田整体生产水平提供理论依据。

1 材料与方法

1.1腐解液组分对蔬菜幼苗生长的化感效应研究

1.1.1试验材料采集与腐解液的制备2012年,采集山东省莱阳市照旺庄试验田西兰花收获期茎叶,杀酶(105℃,0.5 h),放入烘箱中烘干(65℃)粉碎后备用。腐解液制备:取烘干粉碎的西兰花茎叶按1:1(W:V)加入蒸馏水拌匀,并加入少量根际土以接种微生物,35℃恒温保湿腐解40 d。用蒸馏水浸提腐解物(V:W=5:1),浸提时间为5 d,提取液经抽虑除去杂质后备用[13]。

1.1.2腐解液组分的制取腐解液组分的制备参照韩丽梅[14]的方法,西兰花茎叶腐解液1000m L,其中500m L用乙酸乙酯萃取其中酸性、中性、碱性有机物质。具体方法:首先用浓盐酸调溶液pH=3,用乙酸乙酯萃取3次(每次乙酸乙酯100m L),得有机相A,水相A;对于有机相A,用pH=9~10 的NaHCO3萃取溶液3次(每次100m L),得有机相B和水相B;对于有机相B,用pH=12的NaOH萃取3次,弃水相,留有机相C,蒸干(35℃),得中性组分(BsrNe);对于水相B,用浓盐酸调溶液pH=3,用乙酸乙酯萃取3次(每次乙酸乙酯100m L),弃水相,留有机相,蒸干(35℃),得酸性组分(BsrAc)。对于水相A,用NaOH调制溶液至pH=12,乙酸乙酯萃取3次(每次100m L),弃水相,留有机相,蒸干(35℃),得碱性组分(BsrAl)。

1.1.3生物检测方法将分离的西兰花茎叶腐解液中的酸性物质(Acidic substances)、碱性物质(Alkaline substances)和中性物质(Neutralsubstance)进行蔬菜幼苗的生物检测。分别按0 g·m L-1、25 g·L-1、50 g·L-1、75 g·L-1、100 g·L-1配成测试液。供试种子:西兰花、青刀豆。将均匀一致经用10%的次氯酸钠溶液消毒30min并用蒸馏水冲洗3遍的受体种子30粒,放入加入铺有2层定性滤纸的培养皿中(每培养皿加蒸馏水5m L),将培养皿置于人工气候箱中,培养温度为25℃,黑暗培养2~3 d,出芽后留取20棵发芽幼苗,再向培养皿内加入上述浓度腐解液组分溶液,光照12 h·d-1,光照强度108µmol·m-2·s-1,视培养皿湿度状况每天加1m L蒸馏水,一周后测定根重、茎叶重,每处理重复3次。

1.1.4蔬菜幼苗粗酶制备及测定项目粗酶提取:取1.1.3培养结束的幼苗鲜样,将1 g左右的叶片放在研钵,加入10m L浓度为0.05mol·L-1磷酸缓冲溶液(分2次)进行研磨8000 r·min-1的冷冻离心机下离心20min,上清液为粗酶液。吸取4m L酶液,冷藏备用[15]。SOD测定采用氮蓝四唑光化还原法,MDA测定采用比色法,POD测定采用愈创木法。

1.2腐解液组分有机化合物的GC-MS分析

分离后的有机化合物于30℃下减压浓缩至干,加100m L去离子水溶解,用乙酸乙酯按体积比1:1萃取3次,合并萃取液,30℃下减压浓缩至5m L,过0.45μm有机膜后用于GC-MS分析。色谱条件为Rtx-5MS色谱柱,30.0m×0.32mm毛细管柱,0.25μm滤膜;先在50℃保持2min,以6℃·min-1速度升温至250℃,保持10min;进样口温度230℃,载气He,流速2.4m L·min-1,进样量1μL。质谱条件为EI电离方式,电子能量70 eV,离子源温度200℃,扫描范围45~550 amu。通过谱图库NIST 08检索确定腐解液成分,采用峰面积归一法计算各成分相对含量。气相色谱—质谱仪(GC-MS-QP2010)以及处理峰值软件均来自Shimadzu公司。

1.3数据统计方法

M icrosoftExcel2003和DPS7.05软件对数据进行处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1腐解液组分对蔬菜幼苗生长的化感效应

2.1.1腐解液组分对幼苗鲜重和根冠比的化感效应由表1可知,从幼苗鲜重来看,随各组分浓度增大,幼苗鲜重减小,浓度100 g·L-1时,幼苗鲜重最小,说明高浓度抑制幼苗生长;腐解液组分中碱性物质处理的幼苗鲜重整体表现为大于用酸性物质和中性物质处理的幼苗,说明腐解液组分中酸性、中性物质抑制幼苗生物量形成比碱性物质对作用强;此外腐解液对西兰花幼苗的抑制作用要显著高于青刀豆。幼苗根冠比随浓度的增高而减小;酸性、中性物质处理的幼苗根冠比低于碱性物质处理的幼苗,说明酸性、中性物质对作物根的抑制作用大于对茎叶的抑制作用;西兰花幼苗的根冠比明显小于青刀豆幼苗,表明西兰花腐解液对西兰花幼苗的化感效应大于对青刀豆幼苗。

表1 腐解液组分及其浓度处理下幼苗茎叶鲜重和根冠比变化Table1Changesof theseeding freshweightand root-shootratio in differentdecomposed liquid componentsand concentrations

2.1.2腐解液组分对幼苗SOD活性及其化感效应由表2可看出,腐解液各组分低浓度腐解液处理对幼苗SOD酶活性均具有促进作用,随腐解液浓度增加,其对幼苗SOD酶活性产生抑制作用,且随浓度增加抑制作用越强烈;腐解液各组分对西兰花和青刀豆幼苗抑制作用均表现出酸性>碱性>中性,表明中性组分对幼苗SOD活性抑制作用较强;腐解液对西兰花幼苗SOD酶活性的抑制作用大于青刀豆幼苗,说明腐解液对西兰花幼苗有较强的抑制作用。

2.1.3腐解液组分对幼苗POD活性及其化感效应由表2可得,腐解液处理下的幼苗POD酶活性小于对照处理,随着腐解液浓度的增加,其对幼苗SOD酶活性产生的抑制作用越强烈;其中中性物质对西兰花和青刀豆幼苗POD酶活性的抑制作用均大于酸性、碱性物质,说明中性物质对植株的化感效应较为强烈;各处理对西兰花幼苗的POD酶活性显著低于青刀豆幼苗,表明西兰花茎叶腐解液对西兰花幼苗的化感抑制作用强烈。

2.1.4腐解液组分对幼苗MDA含量从表2中可发现,腐解液处理下幼苗的MDA含量随浓度的增大而逐渐积累,说明随着腐解液浓度的增加对幼苗膜系统破坏程度加大。中性物质处理下植株幼苗MDA含量高于其他处理,说明中性物质对幼苗抑制强。低浓度酸性物质处理幼苗时发现MDA含量低于对照处理,但差异不显著,表明酸性物质在低浓度时可能会降低MDA浓度,减少对幼苗伤害。

表2 腐解液组分及其浓度处理下幼苗SOD、POD活性和MDA含量变化Table2TheactivitiesofSOD,PODand thecontentofagingenzymeMDAin thedifferentdecomposed liquidcomponentsandconcentrations

2.2腐解液有机化合物的GC-MS分析

腐解液中性组分中含有的物质种类较酸性、碱性组分更为复杂,通过NIST08质谱数据库鉴定出40余种物质(表3),主要包含酯类、烃类、醛、酮类、醇类、酸类、酚类、杂环化合物及胺类等物质。其中酯类、烃类、醛酮类物质所占比例较高,分别占到58.31%、33.72%、5.05%。

酸性组分中被鉴定出20种物质,主要包含酯类;烃类;酸类;醇类、酚类、杂环化合物。其中酯类、烃类、酸类物质所占比例较高,分别占到83.89%、7.97%、4.53%。

碱性组分经鉴定发现其主要含酯类;烃类;醇类、酚类、胺类、杂环化合物。其中酯类、烃类、胺类物质所占比例较高,分别占到90.98%、3.91%、2.13%。

表3 西兰花茎叶腐解液各组分GC-M S分析Table 3 The componentsof the broccolistalk decom posed liquids by GC-M S

化合物名称Compound相对含量RC%相对含量RC%三十烷0.24碱性组分二十九烷0.23酯类90.98 4-甲基-十七烷0.22邻苯二甲酸二丁酯64.99 5-甲基-十八烷0.22邻苯二甲酸二异辛酯19.06 5-甲基-二十八烷0.19邻苯二甲酸二异丁酯5.1醛、酮类5.05邻苯二甲酸二乙酯1.83 2,4,4-三甲基-3-(3-氧代丁基)环己基-2-酮1.44烃类3.91 3,5-二羟基-(3β,5α)-麦角甾醇-25-烯-6,12-二酮0.55三十二烷1.89 2-环己烯-1-酮,4-(3-羟基-1-丁烯)-3,4,4-三甲基-0.41二十九烷1.05 2,4,4-三甲基-3-[(1E)-3-氧代-1-丁烯酰基]-2-环己烯-1-酮0.2二十一烷0.5 2(4H)-苯并呋喃酮,5,6,7,7a-四氢-4,4,7a-三甲基-0.81三十六烷0.47 3-丁烯-2-酮,4-(4-羟基-2,2,6-三甲基-7-氧杂双环[4.1.0]庚-1-基)0.73醇类0.41吡咯[1,2-a]吡嗪-1,4-二酮,六氢-3-(2-甲基丙基)-0.54 3,3-二甲基-庚-4,5-二烯-2-醇0.41 3-丁烯醛,2-甲基-4-(2,6,6-三甲基-1-环己烯)-0.37酚类0.99醇类0.21 2,2'-亚甲基双-(1,1-二甲基乙基)-4-甲基苯酚0.99苯乙醇0.21胺类2.13酸类0.26 N-苯基-2-萘胺2.13 2-十二烯基-1-基(-)琥珀酸酐0.26杂环化合物1.58酚类0.94氧芴1.58 2,2'-亚甲基双-(1,1-二甲基乙基)-4-甲基苯酚0.94化合物名称Compound

3 讨论

作物秸秆富含多种养分和生理活性物质,实行秸秆还田能改善土壤物理性状,补充土壤养分,提高土壤的生物有效性,增加作物产量等作用[16]。但是,秸秆还田后作物秸秆经过腐解而释放出来的化学物质,常常对下茬作物产生不良影响[17,18]。

石蒜(Lycoris radiata L.)水浸提物对萝卜(Raphanus sativus L.)、黄瓜、番茄(Lycopersicon esculentum M ill.)和油菜(Brassica campestris L.)幼苗生长均具有较强的抑制作用,浓度越大抑制越强[19]。邓天福等[20]研究表明,番茄的水浸提液和根系分泌物对黄瓜的幼苗生长(苗高、根长和鲜重)有明显的抑制作用,对白菜(Chinese cabbage L.)、辣椒、茄子(Solanummelongena L.)根长表现为抑制作用。本研究发现腐解液对西兰花和青刀豆幼苗生长发育均有抑制作用,对西兰花抑制作用显著高于青刀豆,且浓度越大抑制作用越强。郭亚利等[21]和于会泳等[22]研究结果表明烤烟根系分泌物中的中溶性组分对幼苗根系活力抑制作用最强,对发芽势和发芽率的影响大小依次为:中溶性组分>酸溶性组分>碱溶性组分。而本研究也表明中性、酸性物质降低幼苗生物量和根冠比,且随浓度增大降低程度愈大。

SOD是存在于细胞中和细胞内过氧化物体系种的一种保护酶,其主要功能是清除细胞内部的自由基,使自由基保持在一个较低水平上;POD可抑制逆境条件下细胞膜脂过氧化作用,降低细胞膜遭受的伤害,因此酶活性越高,植株的抵抗不利环境的能力越强;MDA作为膜脂过氧化作用的最终产物,其含量是膜脂过氧化程度的一个重要标志,而且与细胞膜受损坏程度直接相关。李彦斌等[23]发现棉花(Gossypium spp.)秸秆腐解产物,在一定程度上影响棉花植株生长,随着秸秆还田量的增多和秸秆腐解时间延长,POD活性增加,SOD活性和根系活力呈下降趋势,叶片MDA含量却升高。本研究发现西兰花茎叶腐解液在低浓度时能够提高幼苗SOD、POD活性,而随浓度增加,逐渐抑制幼苗SOD、POD活性。而腐解液处理下幼苗MDA的积累量多于对照处理,说明随腐解液浓度增加,自毒作用愈加强烈,并且降低幼苗SOD、POD活性,破坏幼苗细胞膜结构,造成MDA的大量积累。同时腐解液中性组分对三种衰老酶化感抑制作用大于酸性组分、碱性组分,而且各组分对西兰花的三种酶抑制作用明显高于青刀豆。

本试验通过GC-MS分析鉴定出西兰花茎叶腐解液中含有酯类、烃类、醛酮类、醇类、酸类、酚类、杂环化合物及胺类等物质,其中酸、碱、中性组分中均含有邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二异辛酯、邻苯二甲酸二异丁酯、邻苯二甲酸二乙酯四种酯类物质,且所占比例均较高。徐宁等[24]研究表明邻苯二甲酸酯类物质是大葱(Allium fistulosum L.var.giganteum Makion)根系分泌物中的重要化感物质。耿广东等[7]研究表明邻苯二甲酸二丁酯是辣椒和茄子根系分泌物中的主要化感物质。因此,邻苯二甲酸酯类物质可能是西兰花茎叶腐解液中的重要化感物质。而中性组分中的醛酮类物质、酸性组分中的酸类物质以及碱性组分中的胺类物质相对含量所占比例也较高,这可能是造成三种组分化感效应差异的化感类物质。前人研究表明,大蒜根系分泌物中的2,6-二异丙基苯酚对萝卜幼苗生长表现抑制化感作用[6],黄瓜和豌豆根系分泌物中的苯甲酸、肉桂酸及其衍生物具有自毒作用[8,25],对羟基苯甲酸和水杨酸对葡萄具有明显的化感抑制作用[26],由此推断2,2'-亚甲基双-(1,1-二甲基乙基)-4-甲基苯酚、苯甲酸也可能是具有化感潜力的组分。虽然有研究表明,从植物中检测到烷烃类化感物质[27,28],但由于化感物质是一类生物活性次生代谢物,而烷烃的化学性质极为稳定,不是生理活性物质[29],因此本研究中西兰花茎叶腐解液中的大量烷烃类物质可能不是化感物质。

本文中鉴定出的一些物质对植物的化感作用还未见报道,而鉴定出的物质是否确为西兰花化感作用的主要物质还需进一步试验来证实。本试验结果表明,西兰花残茬对西兰花化感作用较强,说明西兰花不适合连作,而相比较而言对青刀豆的化感作用较小,因此生产上可以考虑西兰花-青刀豆轮作栽培方式来减缓西兰花菜田的连作障碍。本文仅仅是研究了西兰花茎叶腐解液的化感效应,因此今后还需对西兰花根系分泌物的化感效应做进一步研究。

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Allelopathy of Decomposed Exudates from Broccoli Stalk on Seedlings Growth of Different Vegetables

ZHANG Xue-peng,NING Tang-yuan*,ZHANG Jie-ying,YANGYan,SUN Tao,HAN Hui-fang,LIZeng-jia
College of Agriculture/Shandong Agricultural University/State Key Laboratory of Crop Biology/Key Laboratory of Crop Water Physiology and Drought-Tolerance Germplasm Improvement ofMinistry ofAgriculture/Shandong Key Laboratory of Crop Biology,Tai'an 271018,China

Long-term continuous cropping is ubiquitous phenomena in vegetable field.Allelopathy of decomposed exudates from broccoli stalk on broccoli and bean seedlings grow th was studied in this paper.The changes of MDA content and activity of antioxidant enzymes in different levels of acidic,alkaline and neutral soluble broccoli stalk exudates were investigated.The putative allelochem icals of the broccoli stalk extractswere identified by GC-MS.The result indicated that neutral substances and acid substances extract of the decomposed broccoli stalk significantly inhibited the fresh weight of stem and leaf and root-top ratio and the inhibition in the activity of SOD,POD and the accumulation of MDA was significant. What'smore,the higher the concentration of the extracts the stronger effect of the inhibition and accumulation.GC-MS analysis results showed that a large number of components were detected from three different substances.Phthalate esters derivatives had greater relative contents,while the 2,2'-methylenebis[6-(1,1-dimethylethyl)-4-ethyl-Phenol and Benzoic acid had a strong allelopathy.So the decomposed exudates from broccolistalk has certain inhibition on broccoliand bean seedling grow th,while inhibition of extracton broccoliwasmore rapid than bean.Therefore the broccoli is notsuitable for continuous cropping and we couldmatch w ith the rotation cultivationmeasures to slow continuous cropping obstacle of broccoli.

Broccoli;decomposed exudates;allelopathic;GC-MSdetection

S63

A

1000-2324(2016)04-0481-06

2015-05-10

2015-06-23

公益性行业(农业)科研专项经费资助(201103001);科技支撑计划(2012BAD14B07);山东省科技发展计划(2014GNC111007)

张学鹏(1988-),男,硕士研究生,研究方向为农业生态学.E-mail:zhangxuepeng22@163.com

Author for correspondence.E-mail:ningty@163.com

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