含氟低聚壳聚糖对植物生长调节活性及除草活性研究

范 露，姜赖优美

（武汉设计工程学院食品与生物科技学院，湖北武汉 430205）

壳聚糖是来源于甲壳类动物的甲壳素，经过脱乙酰基后的产物[1]。壳聚糖能有效促进植物根、茎、叶的生长，从而提高作物的产量，改善作物的品质[2]。壳聚糖对植物病虫害还具备较强抑制作用，它可以诱导植物产生一系列防卫反应，诱导植物产生抗毒素，提高对病原菌的抗性[3]。但由于壳聚糖自身理化性能的局限性，需对壳聚糖结构进行化学修饰，改造其分子结构，改善理化性能，提高抑菌效果[4]，大量研究者合成了众多壳聚糖衍生物，研究了其抗菌性能，发现很多衍生物比壳聚糖具有更好的抗菌效果。氟特殊的理化性质为其在农药中赢得了重要地位，近20年来已成为新型农药开发的热点，过去几十年中含氟农药的数量增加了3倍多，表明氟在新农药发展中发挥着关键作用。在生物活性分子如壳聚糖等结构-活性的设计过程中引入氟，在改变其生物活性达到增强化合物性能的同时，又能降低对环境的影响。

基于上述理论基础，以壳聚糖为骨架，通过酰基化反应接入高活性基团含氟化合物制备含氟低聚壳聚糖衍生物，以水稻和油菜为对象研究6种含氟低聚壳聚糖对植物生长活性调节作用，以白圆叶苋和狗牙根为对象研究6种含氟低聚壳聚糖的除草活性，以期为含氟新型有机农药的开发提供支撑。

1 材料与方法

1.1 材料

供试作物：双子叶作物选择油菜（沪油21） 为代表，单子叶作物选择水稻（金优38） 为代表；供试杂草：双子叶杂草选择白圆叶苋为代表，单子叶杂草选择狗牙根为代表。

供试药剂：化合物1：邻氟低聚壳聚糖；化合物2：间氟低聚壳聚糖；化合物3：对氟低聚壳聚糖；化合物4：2,3-二氟低聚壳聚糖；化合物5：2,6-二氟低聚壳聚糖；化合物6：3,5-二氟低聚壳聚糖。上述6种含氟低聚壳聚糖由实验室合成，并经红外、核磁氢谱进行了结构表征确认。

1.2 仪器设备

SPX-430型生化培养箱，宁波江南仪器厂产品；JJ-CJ-2FD型超净工作台，苏州市金净净化设备科技有限公司产品；DHG-9240型电热恒温鼓风干燥箱，上海精宏实验设备有限公司产品。

1.3 试验方法

采用室内平皿法，研究6种化合物对植物的生长活性影响。具体方法如下：用N,N-二甲基甲酰胺分别配制5，50，100，150，200 mg/L的含氟低聚壳聚糖溶液。移取5 mL上述溶液于铺有滤纸的培养皿中，选择发芽一致的种子各10颗放入平皿中，每个浓度设重复2次，然后置于25℃恒温培养箱中培养5 d，期间不断补充水分。培养结束后测量各种子的成活株数、根长、茎长，按下式计算校正成活率、校正根（茎）长增长率。

校正成活率=处理组成活率-溶剂对照组成活率.茎（根）长增长率=

死亡率、校正死亡率、茎（根） 长抑制率和校正茎（根）长抑制率计算方法同上。

2 结果与分析

2.1 含氟低聚壳聚糖对水稻生长活性的影响

6种含氟低聚壳聚糖对水稻生长活性的影响见表1。

以成活率为指标进行分析，化合物1和化合物2可以抑制水稻的成活，其中化合物1处理的水稻成活率随着质量浓度的升高而降低，化合物2处理的水稻成活率随着质量浓度的升高而升高。化合物3在低质量浓度（≤50 mg/L）时促进水稻成活，而在高质量浓度（≥100 mg/L）时抑制水稻的成活。化合物4，化合物5和化合物6可促进水稻的成活，但成活率与质量浓度间并没有表现出一致的趋势。

表1 6种含氟低聚壳聚糖对水稻生长活性的影响

以茎长增长率为指标进行分析，化合物1抑制水稻茎的生长，化合物4和化合物5促进水稻茎的生长。化合物2和化合物3在低质量浓度时促进水稻茎的生长，高质量浓度时抑制茎的生长。化合物6在低质量浓度（≤50 mg/L） 时促进水稻茎的生长，高质量浓度（≥100 mg/L）时抑制水稻茎的生长。

以根长增长率为指标进行分析，化合物1和化合物2抑制水稻根的生长。化合物3在低质量浓度时（≤100 mg/L）抑制水稻根的生长，高质量浓度（≥150 mg/L） 促进水稻根的生长。化合物4，化合物5和化合物6均能有效促进水稻根的生长。

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综合分析，化合物4和化合物5和低质量浓度（≤50 mg/L）的化合物6有利于水稻的成活及生长。

2.2 含氟低聚壳聚糖对油菜生长活性的影响

6种含氟低聚壳聚糖对油菜生长活性的影响见表2。

以成活率为指标进行分析，化合物1，化合物2和化合物5可以抑制油菜的成活；化合物4和化合物6可促进油菜的成活；化合物3在低质量浓度（≤50 mg/L） 时促进油菜成活，而在高质量浓度（≥100 mg/L） 时抑制油菜的成活。

表2 6种含氟低聚壳聚糖对油菜生长活性的影响

以茎长增长率为指标进行分析，化合物2和化合物3能够抑制油菜茎的生长；而化合物1，化合物4，化合物5和化合物6能够促进油菜茎的生长。

以根长增长率为指标进行分析，化合物1和化合物2能够抑制油菜根的生长；而化合物4和化合物5则能够促进油菜根的生长；化合物3在低质量浓度（≤50 mg/L）时对油菜根的生长没有影响，而高质量浓度（≥100 mg/L）时促进油菜根的生长；化合物6在低质量浓度（≤150 mg/L）时抑制油菜根的生长，高质量浓度（≥100 mg/L）时对油菜根的生长没有影响。

2.3 含氟低聚壳聚糖对白圆叶苋生长活性的影响

6种含氟低聚壳聚糖对白圆叶苋的生长活性的影响见表3。

以死亡率为指标进行分析，除了5 mg/L的化合物2和化合物5外，其余所有质量浓度的化合物处理后白圆叶苋校正死亡率均为正值，表明除上述2个处理组外，其余处理组均能有效抑制白圆叶苋的存活。

从表3可以看出，6种含氟低聚壳聚糖对白圆叶苋茎长抑制率和根长抑制率表现出相同的效果，在所试质量浓度范围内，6种含氟低聚壳聚糖均能有效抑制白圆叶苋的根和茎的发育，且抑制率随着含氟低聚壳聚糖浓度的升高而上升。

表3 6种含氟低聚壳聚糖对白圆叶苋的生长活性的影响

6种含氟低聚壳聚糖质量浓度对数与白圆叶苋校正茎长抑制率、校正根长抑制率的相关性分析见表4。

由表4可知，6种含氟低聚壳聚糖在不同质量浓度下对白圆叶苋茎长和根长抑制的IC50范围在403.43～8 9321.05 mg/L。目标化合物4在不同质量浓度下对白圆叶苋茎长和根长抑制的IC50质量浓度低于750 mg/L，其余化合物则均高于800 mg/L，表明化合物4在不同质量浓度下对白圆叶苋茎长和根长的抑制效果较好。

2.4 含氟低聚壳聚糖对狗牙根生长活性的影响

6种含氟低聚壳聚糖对狗牙根生长活性的影响见表5。

表4 6种含氟低聚壳聚糖质量浓度对数与白圆叶苋校正茎长抑制率、校正根长抑制率的相关性分析

表5 6种含氟低聚壳聚糖对狗牙根生长活性的影响

从表5可以看出，6种含氟低聚壳聚糖对狗牙根的存活率、根长和茎长均有抑制效果，且这种抑制效果随其质量浓度升高而上升。

其中，化合物5和化合物6在200 mg/L时对狗牙根成活抑制率皆为51.43%，个别化合物在低质量浓度（5 mg/L） 时对狗牙根成活的影响较小，只有1.43%；化合物3对狗牙根茎长的抑制作用是6种含氟低聚壳聚糖中最强的，对狗牙根茎长抑制率达80.49%；化合物1对狗牙根根长的抑制作用是6个含氟低聚壳聚糖中最强的，对狗牙根根长抑制率达78.22%。

6种含氟低聚壳聚糖浓度对数与狗牙根校正茎长抑制率、校正根长抑制率的相关性分析见表6。

由表6可知，6种含氟低聚壳聚糖在不同质量浓度下对狗牙根茎长和根长抑制的IC50范围2.51～8 103.08 mg/L；目标化合物1，化合物2和化合物3在不同质量浓度下对狗牙根根长和茎长抑制的IC50质量浓度在10.98～8 103.08 mg/L；化合物4，化合物和化合物6在不同质量浓度下对狗牙根根长和茎长抑制的IC50在2.51～181.27 mg/L。可以看出，前者化合物对狗牙根的茎长和根长的抑制作用弱于后者化合物；从目标化合物4，化合物5和化合物6分析：化合物4和化合物5对狗牙根的根长抑制效果较好IC50不高于185 mg/L（该质量浓度下效果最佳），其中化合物5的IC50分别为41.22 mg/L和3.30 mg/L，对狗牙根的根长和茎长抑制效果较好。

表6 6种含氟低聚壳聚糖质量浓度对数与狗牙根校正茎长抑制率、校正根长抑制率的相关性分析

3 结论与讨论

6种含氟低聚壳聚糖对4种植物生长活性对比分析见表7。

从表7可以看出，试验研究的6种含氟低聚壳聚糖对4种植物的生长活性表现出不同的作用。除了间氟低聚壳聚糖和2,6-二氟低聚壳聚糖的最低质量浓度外，其余所有试验组化合物对白圆叶苋和狗牙根存活及生长均表现出了较好抑制作用，表明上述6种含氟低聚壳聚糖具备较强的除草能力。而6种含氟低聚壳聚糖对水稻和油菜在不同质量浓度时表现出不同程度的促进或抑制作用。其中2,3-二氟低聚壳聚糖在所有质量浓度下均对水稻和油菜的存活及生长表现出促进作用，邻氟低聚壳聚糖和间氟低聚壳聚糖则整体表现出抑制作用，对氟低聚壳聚糖、2,6-二氟低聚壳聚糖和3,5-二氟低聚壳聚糖对水稻和油菜的存活及生长表现取决于其质量浓度。

表7 6种含氟低聚壳聚糖对4种植物生长活性对比分析

目前针对新品农药生物活性研究，主要是探讨其对植物病原菌和植物种子生长活性的抑制或促进效果。研究了6种含氟低聚壳聚糖对水稻纹枯病原菌等7种微生物的抑制作用，其对7种受试菌株都有不同程度的抑菌性，表明这6种含氟低聚壳聚糖有开发成有机农药的可能性。李钊等人在苯甲酰基硫脲化合物中引入氟原子，合成了含氟苯甲酰基硫脲，当其质量浓度为100 mg/L时，部分目标产物对油菜和水稻种子具有较好的促生长作用，岳霞丽等人的研究也得出类似的结论，含氟化合物具有较好的植物生长调节活性。但质量浓度对化合物活性影响较大，部分质量浓度下合成的化合物能够抑制油菜和水稻的根和茎生长，该研究结果与其有相似之处，质量浓度对化合物活性有重要影响。

综合而言，2,3-二氟低聚壳聚糖既能有效抑制杂草的生长同时又能促进作物的生长，适合开发有机农药。对氟低聚壳聚糖、2,6-二氟低聚壳聚糖和3,5-二氟低聚壳聚糖具有较好的除草活性，但在促进作物生长方面取决于其质量浓度，可有条件地开发有机农药。