不同类型酚酸物质对莴苣的化感作用

杨小燕, 李 立, 张 奇, 谢 琨, 李家玉, 何海斌

(1.福建农林大学生命科学学院/农业生态研究所;2.作物生态与分子生理学福建省高校重点实验室，福建 福州 350002)

不同类型酚酸物质对莴苣的化感作用

杨小燕1,2, 李 立1,2, 张 奇1,2, 谢 琨1,2, 李家玉1,2, 何海斌1,2

(1.福建农林大学生命科学学院/农业生态研究所;2.作物生态与分子生理学福建省高校重点实验室，福建 福州 350002)

以莴苣为受体，采取室内生测的方法，测定了4种苯甲酸型酚酸(对羟基苯甲酸、水杨酸、香草酸、丁香酸)和4种肉桂酸型酚酸(肉桂酸、阿魏酸、对香豆酸、咖啡酸)，以及2种类型混合酚酸对莴苣的化感作用，对其抑制率进行回归分析并计算IC50(半抑制浓度值).结果表明，单一或混合酚酸浓度高时明显抑制莴苣生长，浓度低时抑制能力减弱或表现促进作用.苯甲酸型混合酚酸对莴苣根长和株高的IC50分别为2.71×10-4和1.56×10-3mol·L-1，而肉桂酸型混合酚酸对莴苣根长和株高的IC50分别为8.01×10-4和1.77×10-3mol·L-1.可见，苯甲酸型酚酸的抑制作用高于肉桂酸型酚酸，且混合酚酸的抑制作用高于单一组分酚酸.

酚酸; 生物活性; 生物测定; 抑制率; 半抑制浓度

化感作用是指一个活体植物(供体植物)通过产生某些化学物质促进或抑制其周围植物(受体植物)生长发育的化学生态学现象.这些化学物质主要为植物的次级代谢产物，是由供体植物通过茎叶挥发、淋溶、根系分泌、残枝落叶分解等途径释放，被称之为化感物质[1-3].国内外研究表明，酚酸类物质具有化感活性，是水稻的主要化感物质[4-7]，其能有效控制水稻田间杂草，减少化学除草剂的使用[8-10].Tharayil et al[11-12]研究表明，肉桂酸型衍生酚酸(阿魏酸和对香豆酸)比苯甲酸型衍生酚酸(对羟基苯甲酸和香草酸)更容易被土壤吸附；在土壤基质中吸附的肉桂酸型衍生酚酸会提高土壤中可利用的苯甲酸型衍生酚酸的浓度.目前无法得知这种不同类型酚酸在土壤基质中的吸附差异是否与其化感活性有关.鉴于此，本研究拟测定已被证实具有化感作用的4种苯甲酸型衍生酚酸和4种肉桂酸型衍生酚酸的单体及混合物对莴苣化感活性的差异.

1 材料与方法

1.1 材料

选取8种报道中常见的酚酸化合物：4种苯甲酸型酚酸为对羟基苯甲酸、水杨酸、丁香酸和香草酸，4种肉桂酸型酚酸为肉桂酸、对香豆酸、咖啡酸和阿魏酸.试剂均购自阿拉丁(中国)公司，各酚酸结构式见表1.将这8种单一酚酸及其等摩尔混合液溶于甲醇(甲醇终浓度低于0.1%)，用二次蒸馏水定容成10-2mol·L-1储备液，后续试验均用二次蒸馏水逐级稀释成所需浓度，用于室内生物测试.莴苣种子购自福州永荣种子有限公司.

表1 8种酚酸的化学结构式Table 1 Chemical structures of 8 phenolic acids

1.2 方法

1.2.1 单一酚酸的化感作用 参考Chung et al[13]的滤纸片生测法进行测定.将莴苣种子用5%～10% NaClO消毒10 min，蒸馏水洗净，再加蒸馏水浸泡至种子全部沉底为止.在组培瓶底部垫上一张滤纸，将5粒露白的莴苣种子播入滤纸上，分别加入5 mL不同浓度(2、1、0.5、0.2、0.1、0.05、0.001 mmol·L-1)的各单一酚酸溶液，以蒸馏水为对照.将各组培瓶盖上盖子，置于25 ℃恒温光照培养(光照强度：5500 lx)中，每天光照12 h(6:00-18:00).所有试验设4次重复，培养至第3天测量莴苣的根长和株高.采用相对抑制率[简称抑制率(inhibitory rate,IR)]评价酚酸对莴苣生长的影响程度.IR/%=(CK-TR)×100/CK，其中,TR为处理组生长指标，CK为对照组生长指标.

1.2.2 混合酚酸的化感作用 将4种苯甲酸型酚酸和4种肉桂酸型酚酸分别配成一系列等摩尔浓度溶液，即4、2、1、0.5、0.2、0.1、0.05 mmol·L-1.分别测定这些不同类型、不同浓度的混合酚酸溶液对莴苣的化感作用，方法同1.2.1.

1.2.3 剂量—效应曲线拟合方法 以浓度为横坐标，抑制率为纵坐标，采用Excel 2003软件绘制不同浓度和不同类型酚酸对莴苣根长和株高抑制的剂量—效应曲线散点图.根据散点图的大致形状进行线性回归分析，比较分析模拟效果，选择拟合相关系数最大者为最优拟合模型.根据回归方程计算出不同类型酚酸对莴苣根长和株高的半抑制浓度值(IC50)[14].

2 结果与分析

2.1 单一酚酸对莴苣根长和株高抑制的剂量—效应曲线

图1显示，每种酚酸基本符合“低促高抑”的规律，大体上呈现出随着浓度的增长抑制率增长速率逐渐变小的“倒U”形抛物线，仅丁香酸和对香豆酸的曲线为“U”形抛物线.从图1中还可以看出，当每种单一酚酸浓度为2 mmol·L-1时，抑制率普遍大于70%.其中，水杨酸、对香豆酸和咖啡酸的抑制率较高，分别为88.35%、81.71%和79.99%.自然环境下酚酸的化感活性浓度较低，且酚酸在水溶液中的溶解度有限，所以试验在低浓度区间(0～0.2 mmol·L-1)取4个样品点；当酚酸的浓度低于0.2 mmol·L-1时，其抑制率均低于20%，且抑制率随浓度改变不显著.

A.对羟基苯甲酸；B.水杨酸；C.丁香酸；D.香草酸；E.肉桂酸；F.对香豆酸；G.咖啡酸；H.阿魏酸.图1 单一酚酸对莴苣根长抑制的剂量—效应曲线Fig.1 Dose-response curves for root lengths of lettuce treated with 8 single phenolic acids

每种酚酸单体对莴苣株高的抑制率均低于对根长的抑制率(图2).当酚酸浓度低于0.2 mmol·L-1时，除对香豆酸外，其余酚酸处理后的莴苣株高均高于对照组，表现促进作用.当酚酸浓度为2 mmol·L-1时，各酚酸单体对莴苣产生了不同的抑制效果.其中，水杨酸和肉桂酸的抑制作用最强，抑制率分别为67.64%和55.17%；对羟基苯甲酸的抑制作用最弱，抑制率仅为4.08%.

结合图1和图2可知，当酚酸浓度高时，对莴苣幼苗的根长和株高均有较为明显的抑制作用，但对根长的抑制更为显著；而当酚酸在低浓度区间(0～0.2 mmol·L-1)时，对莴苣根长大多呈较弱的抑制作用，而对其株高有小幅度的促进作用.

2.2 混合酚酸对莴苣根长和株高抑制的剂量—效应曲线

由图3可知，2种混合酚酸对莴苣根长抑制的剂量—效应曲线都呈现“倒U”形抛物线，而对莴苣株高抑制的剂量—效应曲线则都几乎呈直线.当混合苯甲酸型酚酸浓度为1 mmol·L-1时，对莴苣根长的抑制率为89.97%，对株高的抑制率为36.00%；而混合肉桂酸型酚酸浓度为2 mmol·L-1时，对莴苣根长的抑制率为90.77%，对株高的抑制率为57.01%.这表明在生测试验中，酚酸对莴苣根长的抑制率高于对株高的抑制率，且混合苯甲酸型酚酸对莴苣生长的抑制作用大于混合肉桂酸型酚酸.

2.3 不同类型酚酸对莴苣根长和株高的抑制效应

除丁香酸外，其他单一酚酸和2种混合型酚酸对莴苣根长抑制效应的拟合曲线相关系数均大于0.9；除水杨酸外，其他单一酚酸和2种混合型酚酸对莴苣株高抑制效应的拟合曲线相关系数均大于0.9(表2).这表明各曲线方程拟合度较高.

A.对羟基苯甲酸；B.水杨酸；C.丁香酸；D.香草酸；E.肉桂酸；F.对香豆酸；G.咖啡酸；H.阿魏酸.图2 单一酚酸对莴苣株高抑制的剂量—效应曲线Fig.2 Dose-response curves for plant heights of lettuce treated with 8 single phenolic acids

A.苯甲酸型酚酸混合物；B.肉桂酸型酚酸混合物.图3 混合酚酸对莴苣根长和株高抑制的剂量—效应曲线Fig.3 Dose-response curves for root lengths and plant heights of lettuce treated with mixture of phenolic acids

在化感物质抑制受体生长的生测试验中，IC50表示当抑制率达到50%时的物质浓度.受试物质的IC50越小，表明其对受体的抑制能力越强，其潜在生物活性越强.8种单一酚酸对莴苣根长的IC50表现为水杨酸<香草酸<肉桂酸<咖啡酸<对羟基苯甲酸<阿魏酸<对香豆酸<丁香酸.其中，水杨酸对莴苣根长的抑制率最高，IC50达0.543 mmol·L-1；丁香酸对莴苣根长的抑制率最低，IC50为1.530 mmol·L-1.苯甲酸型混合酚酸对莴苣根长的IC50为0.271 mmol·L-1，肉桂酸型混合酚酸对莴苣根长的IC50为0.801 mmol·L-1.这表明苯甲酸型混合酚酸对莴苣根长的抑制作用大于肉桂酸型酚酸(表2).

表2 单一酚酸及其混合物对莴苣根长和株高抑制的剂量—效应曲线回归分析1)Table 2 Regression analyses of dose-response curves for inhibitory effects of single phenolic acids and their mixtures on root length and plant height of lettuce

1)r2即相关系数，IC50即抑制率为50%所需浓度.

8种单一酚酸对莴苣株高的IC50表现为水杨酸<对香豆酸<肉桂酸<咖啡酸<阿魏酸<丁香酸<香草酸<对羟基苯甲酸.同时，苯甲酸型混合酚酸对莴苣株高的IC50也小于肉桂酸型混合酚酸，表明苯甲酸型混合酚酸对莴苣生长的抑制作用大于肉桂酸型混合酚酸.此外，同一种酚酸对根长的IC50均高于株高，表明酚酸对莴苣根长的抑制作用大于株高(表2).

3 讨论

3.1 酚酸类物质对莴苣幼苗根长及株高抑制能力的差异

本研究表明，单一酚酸对莴苣的抑制作用基本符合“低促高抑”的规律，这与前人报道的结果[15-18]基本一致.无论是单一酚酸还是混合酚酸，同等浓度下其对莴苣根长的抑制率高于对株高的抑制率，表明同种酚酸对受体不同组织的化感作用具有差异.生物测试时受体的根直接与酚酸溶液接触，实际酚酸浓度就是测试浓度；而酚酸对株高的影响，则是通过根吸收的酚酸进入植株体内才产生，因而对株高的影响不如根长显著.在自然环境下，酚酸对受体根长的影响远远大于株高，因此，许多已报道的生测试验主要以活性物质对指示性受体根长的抑制率作为评判其抑草活性的标准[13,19].

3.2 混合酚酸与各组分酚酸抑制能力的关系

Einhellig et al[20]研究表明,由10种浓度均为0.05 mmol·L-1的酚酸组成的混合物对受体植物Abutilontheophrasti生长的抑制效果与浓度为0.5 mmol·L-1的各单组分物质相同.本研究结果表明，同等浓度下苯甲酸型混合酚酸对莴苣根长的抑制率比单一酚酸强，这与Einhellig et al[20]的研究结果不一致，可能是由于受体植物不同所产生的差异.同种酚酸等比混合后对莴苣株高的抑制能力比单一酚酸强，即使在低浓度下也基本未表现促进作用，原因可能是多种酚酸化合物之间既存在协同作用也存在拮抗作用[21-22].何华勤等[23]研究发现，在一定浓度范围内，水杨酸对肉桂酸有拮抗作用，而肉桂酸在浓度为0.14 mmol·L-1时对水杨酸表现拮抗作用，香草酸与肉桂酸的作用效果表现为增效；酚酸类物质间的增效或拮抗的互作效应与各因子在化合物中的浓度水平密切相关，水杨酸浓度小于0.14 mmol·L-1时，对对羟基苯甲酸表现增效作用，浓度大于0.14 mmol·L-1时则表现为拮抗作用.因此，酚酸对受体所展现的化感效应是综合作用的结果.后续试验应探讨不同类型酚酸之间的相互作用，以进一步了解酚酸生物活性的变化机理.

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(责任编辑:杨郁霞)

Allelopathy of phenolic acids with different types on the growth of lettuce (LactucasativaL.)

YANG Xiaoyan1,2, LI Li1,2, ZHANG Qi1,2, XIE Kun1,2, LI Jiayu1,2, HE Haibin1,2

(1.School of Life Sciences/Agroecological Institute, Fujian Agriculture and Forestry University; 2.Key Laboratory of Crop Ecology and Molecular Physiology, Fujian Province University, Fuzhou, Fujian 350002, China)

Bioactivities of 4 benzoic acid derivatives (p-hydroxybenzoic acid, salicylic acid, vanillic acid, syringic acid), 4 cinnamic acid derivatives (cinnamic acid, ferulic acid,p-coumaric acid, caffeic acid), as well as their mixtures, were determined in laboratory bioassay withLactucasativaL. being the receptor. The regression analysis of inhibitory rates on the growth of lettuce was conducted, and the concentration required to obtain 50% inhibition (IC50) were calculated. The results showed that a single or mixed phenolic acids had significant inhibitory effects on the growths of lettuce at high concentrations, while the inhibitory effect attenuated or became stimulative effects at low concentrations. The IC50of mixture of benzoic acid derivatives on root length and plant height were 2.71×10-4and 1.56×10-3mol·L-1. And the values were 8.01×10-4and 1.77×10-3mol·L-1for mixture of cinnamic acid derivatives. To summarize, bioactivities of benzoic acid derivatives on lettuce were higher than those of cinnamic acid derivatives. And bioactivities of the mixture of phenolic acids were higher than those of any single one.

phenolic acid; bioactivity; bioassay; inhibitory rate; IC50

2016-06-28

2016-09-26

国家自然科学基金(31370380,31070447)；福建省2011协调创新项目(NO.2015-75).

杨小燕(1992-)，女，硕士研究生.研究方向:化学生态学.Email:976796008@qq.com.通讯作者何海斌(1965-)，男，教授，博士,博士生导师.研究方向:植物化学与化学生态学.Email:alexhhb@163.com.

S181

A

1671-5470(2017)01-0021-06

10.13323/j.cnki.j.fafu(nat.sci.).2017.01.004