植物化感作用研究进展

师小平 陈银萍 闫志强 罗永清 李玉强 丁浚刚 颉海帆

（1. 兰州交通大学环境与市政工程学院，兰州 730070；2. 中国科学院西北生态环境资源研究院，兰州 730000）

在生态系统中植物通过释放化学物质到环境中进而影响自身或其他有机体（包括植物、微生物及动物受体）的生长发育，这一现象被称为化感作用（Allelopathy），它是植物在长期进化过程中形成的一种适应机制，有利于本物种在生存竞争中保持优势［1］。由于植物生长固定导致其无法避开由外界变化所引起的逆境胁迫，因此，植物一方面通过改变自身形态结构和生理生化反应来适应周边环境的变化；另一方面通过形成化感物质并产生化感作用来影响邻近植物的生长发育，改变土壤微环境，从而使环境向着更适合自身生长发育的方向变化［2］，这种影响既包括相互促进，也包括相互抑制。植物通过次生代谢（Secondary metabolism）形成化感物质［3］，并通过自然挥发、雨雾淋溶、凋落物与植物残体分解、以及植物根系分泌等4种主要途径将化感物质释放到环境中。植物可产生的次生代谢产物有40多万种，其中植物次生代谢化感物质的种类超过10万种，现已鉴别的具有化感活性的化合物包括萜类、酚类、糖苷类及非蛋白质氨基酸等14种［4］。

目前，植物化感作用研究主要集中在农田生态管理、生物入侵、天然植被群落演替等方面［5］。本文针对化感作用的最新研究进展进行综述，综合阐述化感作用的研究历史进程、作用机理、表现形式及其在农田、草地生态系统中的应用等，探讨其生态学意义，以期为植物化感作用的机理研究及其开发应用提供一定的理论依据。

1 植物化感作用的定义

植物化感作用的概念是由德国科学家Molish在1937年提出的，Molish将其定义为：所有类型植物（含微生物）之间生物化学物质的相互作用［6］。虽然2000多年前就已经发现植物化感作用的现象，但直到近半个世纪前，才开始真正意义上的植物化感作用的科学研究。20世纪70年代中期Rice等［7］在Molish的基础上进一步的归纳和总结后，提出植物化感作用是指植物（含微生物）通过释放化学物质到环境中而产生的对其他植物（含微生物）直接或间接的有害作用。这一概念被人们广泛所接受。

2 植物化感物质的种类、释放途径、表现形式及作用机理

2.1 种类及释放途径

化感物质主要是植物次级代谢产物，根据结构和成分的不同，一般将常见的化感物质分为14类［6］（表1）。也有可以根据其性质分为以下几：酚类、萜类、糖和糖苷类、生物碱和非蛋白氨基酸。普遍认为低分子有机酸、酚类［8］及萜类为最常见的化感物质。

表1 14种不同类别的化感物质名称

2.2 表现形式

2.2.1 自毒作用 自毒作用是化感作用的一个重要的表现形式，是指植物释放化感物质抑制同种植物生长发育的现象。自毒物质的分类有很多，目前研究最多、活性较强的是酚酸类物质，并成为当下化感自毒作用导致连作障碍的研究热点［10］。自毒物质的浓度是引起植物自毒作用的关键性条件。如杨阳等［11］的研究结果表明：低浓度的酚酸对杨树（Populus）根系的超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）和过氧化物酶（Peroxidase，POD）活性具有一定促进作用，而高浓度则能显著抑制两种酶的活性。而在陆茜等［12］的研究结果中显示，随着杨树的连栽年限（林龄）增加，其根际土壤浸提液对杨树条的生长抑制逐渐升高，植株的自毒效应显著增大。

自毒物质不仅对植物产生自毒作用，还会影响植物根际周围的土壤生物学性状。在植物根际周围的土壤中，很多病原菌的主要能源物质为酚酸等根系分泌物，这些物质的积累可以促进病原菌的繁殖，造成土地传染病加剧。如张金燕等［13］认为，土壤微生物对自毒物质的摄取是导致酚酸类物质含量差异较大且无明显规律性的主要原因。自毒物质还能刺激病原菌分泌毒素和胞外酶活性，加剧对受体寄主植物的侵染，引发严重的土传病病害发生。因此对化感自毒作用的研究在解决连作障碍的问题上具有重要的意义。

2.2.2 化（他）感作用 化感作用对受体植物的影响表现在促进和抑制两种不同的效果，一般表现为低促高抑的现象。这一现象与赵莉莉等［14］的实验结果一致，胡婉君等［15］发现土荆芥（Chenopodium ambrosioides）挥发油对蚕豆（Vicia faba）根细胞的化感影响也表现为低促高抑。研究表明，豆科类作物残茬和秸秆分解物能够促进禾本科、茄科作物的生长，如大豆（Glycine max）残茬的覆盖对玉米（Zea mays）的苗高和苗重有着促进作用，苜蓿（Medicago sativa）秸秆覆盖可促进马铃薯（Solanum tuberosum）、黄瓜（Cucumis sativus）、莴苣（Lactuta sativa）等几种作物生长［16］。而高浓度的化感物质会对受体植物产生抑制作用，且抑制效果随浓度的升高增强。用野菊（Chrysanthemum indicum）根系分泌物处理生菜（Lactuca sativa）、莴苣和油菜（Brassica napus）时发现，2，4-二叔丁基苯酚对三种植物的抑制作用随着浓度的增加而增强［17］。董芳慧等［18］研究发现，刺苍耳（Xanthium spinosum）的水提液对油麦菜（Lactuca sativa）种子的萌发率、发芽势及萌发指数均有显著的化感抑制作用且随浓度的增加而增加。苯甲酸、水杨酸、对羟基苯甲酸和阿魏酸等酚酸类物质对其他作物具有抑制作用，如阿魏酸对水华鱼腥藻（Anabeana）和蛋白核小球藻（Chlorella pyrenoidesa）均有明显的抑制作用，莴笋幼苗在高浓度的苯甲酸等胁迫下最终生长被抑制［19-20］。

2.3 作用机理

化感作用是通过化感物质的作用实现的。化感作用的本质就是一种植物通过释放化学物质来影响另一种植物的生长发育，化感作用影响着植物的部分甚至全部生长过程，可以首先对膜系统造成伤害，使得细胞膜功能失调，进而影响呼吸作用和对水分的吸收，而这些变化会对植物的光合作用、激素含量、细胞超微结构产生影响［21-25］。此外，化感物质还能对植物的一些酶活性及基因的表达产生影响。

2.3.1 影响植物细胞膜的透性 化感物质可对受体植物的膜功能产生影响，如植物在逆境胁迫下通常会产生高度反应性的氧自由基，引起生物膜的过氧化损伤，导致膜通透性增加，膜功能受损［24-25］。如核桃化感物质可使植物细胞膜的透性增加，选择透过能力降低，电解质外溢［24］。此外，作为植物主要次生代谢物，酚酸类物质可以增加藻类细胞内氧化自由基的和丙二醛积累，致使膜脂质过氧化增加，导致细胞膜结构的损坏。Gentien等［26］发现，米氏凯伦藻（Karenia mikimotoi）产生的化感物质是一种不稳定脂肪酸，这一化感物质可以通过影响细胞膜靶点位、抑制膜上的三磷酸腺苷酶（ATPase）活性，引起膜两侧离子交换失调，这与吕卫光等［27］有关黄瓜的研究结果一致。

2.3.2 影响呼吸作用 化感物质主要通过抑制线粒体的电子传递和氧化磷酸化两种方式来减少氧气吸入，阻止NADH氧化，抑制ATP酶活性，从而达到抑制呼吸作用的效果。研究发现，绿藻产生的化感物质可以在Ⅱ和Ⅲ部位之间显著的抑制线粒体的电子传递来对呼吸作用产生影响［28］；Penuelas等［29］发现肉桂酸、α-蒎烯可降低大豆下胚轴的氧气消耗及促使电子传递到非细胞色素中，由此推断化感物质通过影响呼吸作用的电子传递来影响受体的呼吸作用；桉叶素和苎烯可抑制三羧酸循环（Tricarboxylic acid cycle，TCA）中琥珀酸和延胡索酸之间的氧化代谢或是延胡索酯转化为苹果酸，从而影响黄瓜线粒体对氧的吸收。化感物质对受体呼吸作用的影响与浓度有关，也与化感物质种类相联系，其中单萜或倍半萜类化合物较低浓度便能起到抑制作用，而酚酸类物质则需要较高浓度［19］。

2.3.3 影响光合作用 化感物质可以通过提高气孔扩散阻力、关闭气孔、影响蒸腾速率和胞间CO2浓度、减少叶片中的叶绿素含量及降低叶片中的水势等方式来影响光合作用［30-35］。Patterson等［30］的研究表明肉桂酸、水杨酸等10种化感物质可以抑制叶片的光合速率、气孔导度等活动。吴秀华等［31］研究发现，巨桉（Eucalyptus grandis）凋落叶在分解时产生的化感物质显著抑制了菊苣（Cichorium intybus）叶片气孔的开放，使得水分蒸腾和气体扩散受阻，引起蒸腾速率降低，最终影响光合速率。另外，化感物质可对受体植物光和系统的电子传递产生影响。电子传递链受阻可导致细胞内活性氧增多，活性氧会对光系统放氧复合体的核心蛋白D1造成严重的损伤，从而影响植物光合过程［29］。已有研究表明［28］，高粱（Sorghum bicolor）根部分泌的化感物质高粱酮内酯（Sorgolcone），可显著阻止受体的光系统Ⅱ（PSⅡ）中的电子传递，进而对光合作用产生抑制。姚丹丹等［33］研究发现，黄花草木樨（Melilotus officinalis）的主要化感物质香豆素能导致多花黑麦草（Lolium perenne）叶绿素产量降低，从而导致光合效率的降低。Suikkanen等［34］用水华束丝藻的滤液处理蓝隐藻后发现，蓝隐藻的叶绿素a含量大量减少。

2.3.4 影响水分吸收 由水分变化而引起的水分胁迫是化感抑制作用的重要原因之一。Holappa等［36］研究表明，在生长介质中添加阿-香豆酸和阿魏酸会对高粱和大豆幼苗的水势起到抑制作用，并发现这种抑制作用表现为随浓度增高而增强。Barkosky等［37］长期使用临界浓度的水杨酸处理受体植物，受体植物对水分的吸收、利用能力会被显著抑制。陈洪等［38］认为，受到巨桉凋落物处理的老芒麦（Elymus sibiricus），其体内可溶性糖、蛋白含量变化的原因是凋落物分解释放的化感物质抑制了老芒麦吸收水分。

何西，二十五岁，骨科医生，是二叔何守二的儿子。电话铃嚎了半天，何西也没接。何东知道他在当班，就急忙往医院赶。何西刚跟着主治医做完手术，正洗手呢，一看见何东，一把把他揪到走廊里的光荣榜前面，指着一大胖脸，鱼泡眼的大幅照片问何东：“认识他吗？”

2.3.5 影响植物细胞分裂过程及超微结构 化感物质可以通过影响受体植物细胞的有丝分裂过程，最终抑制受体植物的生长发育。香丝草（Conyza bonariensis）的水提液对蚕豆等受体植物根尖细胞的分裂具有显著的抑制作用，且抑制作用随浸提液浓度的升高而增强。胡婉君等［15］利用土荆芥的挥发油对蚕豆根部细胞处理，结果表明土荆芥分泌的化感物质对蚕豆的有丝分裂过程具有明显的化感作用，这与周建等［39］的研究结果一致。

化感物质对细胞超微结构的破坏表现在对细胞膜系统的破坏上。细胞内的线粒体、叶绿体、拟核、类囊体等膜细胞器受到化感作用的影响而导致结构受到破坏，从而引起细胞的死亡，最终抑制植物的生长发育。王立新等［40］发现，邻苯二甲酸二异辛酯、邻苯二甲酸二丁酯对铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosa）的质膜、类囊体片区及拟核区破坏严重，损伤了其超微结构。

2.3.6 影响植物激素活性 化感物质可以干扰受体植物体内的激素平衡，从而影响受体植物体内的信息传递，紊乱受体机体的生理过程的调节系统。现有研究发现，茚满酮等化感物质抑制吲哚乙酸（Indole-3-acetic acid，IAA）诱导燕麦（Avena sativa）的胚芽鞘的生长机理是由于降低生长素于结合膜位点的亲和力；而有些多酚可以束缚赤霉素（Gibberellins，GA）的活性降低受体植物的生长，如阿魏酸［41］可以引起小麦（Triticum aestivumL.）体内赤霉素、细胞分裂素的增长，从而抑制小麦幼苗的生长。另外一些则可以促进受体植物的生长是由于这些多酚物质抑制了脱落酸（Abscisic acid，ABA）［27］。

2.3.7 影响受体酶活性和基因表达 当受到逆境胁迫时，植物体内的蛋白质数量及种类会发生变化，可以检测这些变化以确定植物的抗逆性的情况。化感物质可影响受体植物的酶活性与基因表达。现有研究发现［14］，在化感物质胁迫下，受体植物可以通过改变酶活性来缓解由化感作用导致的活性氧（Reactive oxygen species，ROS）的伤害，这是受体植物在化感物质的胁迫时产生的自我保护机制。通过向藿香（Agastache rugosa）幼苗培养基中添加藿香各部的浸提液发现，藿香浸提液对其幼苗的可溶性蛋白的产量具有显著的抑制作用［42］。研究显示［43］，生姜（Zingiber officinale）的叶和茎的浸提液可以通过抑制大豆种子中脂肪酶的活性来抑制其萌发活动，同样的Kato Noguulchi等［44］的研究表明MBOA抑制α-淀粉酶活性，从而阻碍受体内淀粉的分解与利用，最终影响受体的生长发育。外源化感物质N-苯基-2-萘胺处理普通小球藻，结果显示其基因psaB与psbC在表达过程中的转录阶段明显受到抑制作用［35］。Sripinyowanich 等［45］研究了 ABA 对水稻的影响，在试验中发现ABA可以影响OsP5CR基因的表达。

3 植物化感作用的应用及实践意义

3.1 化感作用在农业生产中的作用

在农业生产中，田间杂草和连作障碍是影响农业产量和品质的主要因素。田间杂草防治方面，目前常用的方式是喷洒化学除草剂，虽然能够有效的抑制杂草的生长，但农药残留威胁人类的健康，增加农业生产对环境的压力［46］近年来化感物质的抑草作用在农业生产上受到了越来越多的关注［47］，许多学者研究发现了很多作物能够通过化感作用抑制杂草生长［48］。化感物质合成的除草剂低毒高效且可以被生物分解，利用化感物质抑制杂草的生长，有利于保护环境，实现农业可持续发展战略［49］。这方面的研究已有报道，如申时才等［50］研究发现红薯（Ipomoea batatas）叶片浸提液对五种常见的农田杂草的发芽势具有显著的抑制作用。以不同作用机理的新型有效成分噻酮磺隆+异噁唑草酮+安全剂配制而成的噻隆·异噁酮315SC（Adengo 315SC）可有效的清除玉米田土壤中的杂草［51］。

在同一块农田连续两年或者两年以上种植同种或同科作物以后，作物长势变弱、产量和品质下降的现象被称为连作障碍。针对连作障碍，通常采用农作物套间种植来保证农作物的持续高效生产［52］。把具有化感作用的农作物与其他作物进行间作（Row intercropping）、套作（Relay strip intercropping）、或者轮作（Crop rotation），既能改善农田土质抑制杂草生长又可以防治病虫害，提高农作物产量［53］。例如，胜红蓟种植在柑橘（Citrus reticulata）园中，不仅能够抑制杂草生长，而且还可以抑制红蜘蛛数量的增长，其收割后还可以做绿肥。朱锦惠等［52］研究发现，在小麦和蚕豆的间作模式下，蚕豆土传枯萎病显著降低。中药材茅苍术（Rhizoma Areactylodis）与花生（Arachis hypogaea）间作显著增加了花生根际的细菌、真菌和放线菌数量及多样性，缓解了花生连作障碍［53］。

3.2 化感作用在草地牧场的作用

草地中存在有许多具有化感作用的植物，部分植物对牧草表现出抑制作用，也有其他部分植物表现出对杂草具有抑制效应。其中菊科蒿属、亚菊属、橐吾属及瑞香科狼毒属等的研究比较深入［54］。瑞香狼毒（Stellera chamaejasme）是我国北方草地生态系统中常见的一种有毒植物，在早春放牧时经常引起家畜中毒，而且其能够抑制如紫花苜蓿、红豆草（Onobrychis viciaefolia）和无芒雀麦（Bromus inermis）等优质牧草的生长［55］。沙打旺（Astragalus adsurgens）的根际分泌物对狼毒根系伸长与幼苗生长具有显著的抑制作用，并且抑制作用强度随分泌物浓度增强而增强［56］。利用这一化感特性，可以针对性的将沙打旺种子播种在由狼毒引发草地退化区域中，抑制狼毒种子的萌发率，改善退化区的植被覆盖情况。邹亚丽等［57］针对连作时间久的苜蓿自毒作用强的情况给出了苜蓿后茬栽种莜麦（Avena chinensis）的合理性建议。另有研究发现野生麻花秦艽（Gentiana macrophylla）的提取物能显著抑制3种豆科牧草种子的萌发［58］。这些研究可以为牧场牧草合理的轮作、间作或套作提供科学的指导，有利于提高牧草产量和质量。

一些植物的化感作用不仅能有效抑制杂草生长，还对一些昆虫具有一定的杀伤效果。因此，以化感作用为基础点进而研究开发新型环保高效的除草杀虫剂当下以成为研究热点。例如狼毒的乙醇浸提液能够有效的杀死黄粉虫。一定浓度的五爪金龙（Ipomoea cairica）的水浸提取液对黄帚橐吾（Ligularia virgaurea）具有抑制作用，可以为控制黄帚橐吾扩散提供新的方法。

3.3 化感作用在植被生态系统中的意义

很多外来入侵物种通过释放化感物质影响其他植物生长，从而增强对资源的竞争力，保证自身生长［59］，众多研究表明，化感作用是外来种占据入侵地群落优势地位的有效工具［60］。紫茎泽兰（Eupatorium adenophora）是对我国危害最为严重的入侵植物之一，李霞霞等［61］研究发现，紫茎泽兰水浸提液对多种苦苣苔科植物均有化感抑制作用，而对一年生或多年生的黑麦草则具有一定的促进作用，这与Greer等［59］的研究结果相一致。外来植物Schinus terebinthifolius通过化感作用抑制美国佛罗里达州的红树林幼苗生长，造成生物入侵［62］。外来物种入侵会导致本土生态结构单一，最终引发生态系统失衡。所以，更深一步的研究入侵物种的化感物质与机理对制约生物入侵具有重要的意义。

生态系统中的植株间有着一定的间距，具有特殊的分布格局，通过不同物种间相互穿插生长，从而形成区域内物种多样性。研究表明，天山云杉（Picea schrenkiana）、杉木（Cunninghamia lanceolata）、紫花苜蓿和马铃薯等植物都具有明显的化感自毒作用［63］。在生态系统中，化感自毒作用可以抑制同种植物种子萌发与幼苗生长，确保所有植株个体能够稳定生长，丰富区域植物物种，维持生态系统的稳定［1，64］。

4 问题与展望

虽然人们很早就观察到植物化感作用这一现象，但是直到最近几十年化感作用的重要性才得到广泛的关注及重视［1］。化感作用的应用潜力巨大，然而其作用的整个过程复杂多变，现如今依然有诸多问题和困难仍待解决。

关于化感作用的研究多集中于控制实验，许多外界因素可控，仅是单一物种甚至单一物质对受体植物的化感效应，研究结果在实际应用中受多种外界因素的干扰，需要进一步深入研究；另外，化感物质传播途径方面，目前的研究多采用单一方式进行模拟实验，且观测周期仅限于某一个或几个关键阶段，而自然界化感物质的传播途径和作用周期更为复杂，需要进行多尺度长周期的观测。此外，在明确化感物质的化感作用机制后，从基因和蛋白水平展开深入的研究，将化感物质的作用机理和土壤、生态、化学、遗传和分子生物等学科结合，培育出既能抗虫、抗病、抗害和杂草，又能实现优质高产的优良作物品种；同时还能够合理地管理种植和更有效地保护本土物种多样性，使得植物群落系统能够更加健康快速地发展。化感作用在生产实践中具有十分重要的应用前景。因此，从研究方法和化感物质的提取方法上进行创新以及化感品种的筛选都是今后的研究方向［63］。同时，化感作用机制的研究以及化感作用机理和遗传机理结合起来是今后研究的更深层次的课题。