酚酸类物质在植物-土壤-环境中的作用

刘晓丽，赵 娜，贾钰莹*，肖万欣

（1.辽宁省农业科学院，辽宁沈阳110161；2.朝阳市农业环境监测保护站，辽宁朝阳122000）

1 化感作用和酚酸类物质

1.1 化感作用

化感作用是由德国植物生理学家Hans Molisch 提出的[1]，即由植物、微生物、病毒和真菌的次生代谢产生的化合物对农业和生物生态系统（不包括哺乳动物）的生长和发展产生的积极和消极的影响[2]。化感化学物质可以在种间或种内水平上起作用[3]，这些化合物到达周围土壤的主要途径是通过根系渗出[4]。它们由不同的化学家族组成，根据化学相似性可分为以下14 类：水溶性有机酸、直链醇、脂肪族醛和酮；简单的不饱和内酯；长链脂肪酸和聚乙炔；苯醌、蒽醌和复合醌；简单酚类、苯甲酸及其衍生物；肉桂酸及其衍生物；香豆素；类黄酮；单宁；萜类化合物和类固醇；氨基酸和多肽；生物碱和氰醇；硫化物、硫配糖体；嘌呤和核苷[5]。

1.2 酚酸类物质

酚酸类化合物是一种以碳为基础的次生代谢物，在植物中广泛存在，在土壤-植物-环境相互作用中起着重要作用[6]。通常酚酸类化合物以混合物的形式产生化感作用，表现为抑制细胞分裂、伸长和亚微观结构、改变膜透性和抑制植物养分吸收、植物光合作用和呼吸作用、各种酶的功能和活性、植物内源激素的合成和蛋白质的合成等[7-8]。小麦、玉米、骨碎补、银杏、灯盏细辛和地黄等植物都含有一种或多种酚酸类物质[9]。

2 酚酸类物质对植物生理过程和生长发育的影响

2.1 生理过程

2.1.1 光合作用和酶活性。酚酸类物质中的阿魏酸能抑制光合速率，改变渗透压，关闭气孔，改变根系功能，如抑制水分利用和离子吸收，抑制叶片扩张、根系伸长和生物量积累。土壤中发现的其他酚酸，如对香豆酸和香草酸，也表现出与阿魏酸类似的化感作用。10～30 μmol/L 咖啡酸、香豆酸、阿魏酸、肉桂酸和香草酸抑制了大豆的光合作用和叶绿素含量，从而抑制大豆的生长[10]。酚酸类物质通过植物细胞膜进入植物体内，改变某些酶的活性和功能。绿原酸、咖啡酸、儿茶酚抑制磷酸化酶活性；肉桂酸及其衍生物，抑制ATP 酶的水解活性；单宁酸抑制过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）和纤维素酶的活性。酚酸类物质也会影响苯丙氨酸解氨酶的活性[11]。1 mM 咖啡酸处理后，绿豆下胚轴扦插物蛋白酶活性显著降低[12]。此外，水解酶、麦芽酶、磷脂酶和蛋白酶的活性也显著降低。香草酸、对香豆酸、对羟基苯甲酸可抑制不同的糖酵解酶，从而降低了苗期新组织发育所需的净ATP 和碳产量[13]。

2.1.2 蛋白质与植物内源激素的合成。阿魏酸和肉桂酸可以抑制蛋白质的合成[14]。来自油菜的酚酸类物质可以抑制氨基酸的运输和蛋白质的合成，进而抑制处理后的植株生长。酚酸类物质还可降低DNA 和RNA 的完整性[15]。酚酸类物质还可以使植物激素的生理活性降低或失活，从而抑制了植物的正常生理过程。羟基苯甲酸、多酚和其他化合物影响吲哚乙酸和赤霉素的分解过程[14]。细胞悬浮培养研究表明，水杨酸抑制了梨中乙烯的合成[16]。

2.2 生长发育

生菜种子和黄化幼苗（下胚轴长约3 mm，根长约5 mm）暴露于不同浓度的反式肉桂酸、咖啡酸、阿魏酸、绿原酸、脱落酸、邻香豆素酸、间香豆素酸、对香豆素酸中，对幼苗的生长和萌发均有明显的抑制作用[17]。当浓度＜10-3M 时，咖啡酸或阿魏酸可逆转抑制作用（香豆素抑制萌发除外）。以S. faberi为指示种的培养皿试验表明，所测酚酸类物质的化感潜力为：阿魏酸＞儿茶酚＞水杨酸＞咖啡酸。咖啡酸浓度即使高达27 mM，也不会影响S. faberi发芽[7]。通过综合敏感指数可知，5 种酚酸类物质对玉米幼苗抑制效应大小顺序为：对羟基苯甲酸＞香草酸＞阿魏酸＞对香豆酸＞丁香酸[9]，特别是当溶液浓度超过1.0×10-4M 时，对玉米幼苗胚根伸长抑制作用更为明显，香豆酸或阿魏酸对杂交种的胚根生长抑制作用不同，测试表明，玉米对酚酸毒性的敏感性可能具有杂种依赖性[18]。杉木凋落物、根系、鲜叶、枝等的水浸液及根桩分解产物中含有香草醛、对香豆酸、阿魏酸和对羟基苯甲酸等化感物质，这些酚酸类物质会影响杉木幼苗生长[19]。香草醛的浓度达到10 mg/kg 时，杉木叶绿素总量明显下降到对照的80%；浓度超过20 mg/kg 时，明显抑制了杉木幼苗地径与高生长；浓度达到50 mg/kg 时，明显影响地上部分枝叶的正常生长发育[20]。

3 酚酸类物质与植物-土壤养分互作

3.1 酚酸类物质与植物养分互作

酚酸类物质通过与蛋白质形成复合物，延缓有机质的分解和矿化，从而影响土壤养分的动态变化[21]，通过增加根际土壤微生物活性和氮固定[22]，导致可被植物吸收的无机氮减少[23]。Bergmark 等发现，阿魏酸抑制了玉米的铵态氮和NO3-的吸收[24]。Abenavoli 等发现，肉桂酸、阿魏酸和对香豆酸抑制了玉米对硝酸盐和质膜H+-ATP 酶活性的净吸收，而伞形花酮和咖啡酸对H+-ATP 酶活性没有影响[25]。Pramanik 等从黄瓜根系分泌物中鉴定出苯甲酸及其衍生物、肉桂酸及其衍生物等，并证明这些物质会阻碍黄瓜对养分的吸收[26]。苯丙烯酸和对羟基苯甲酸在50～250 μmol/L 浓度范围内，随处理浓度的加大，抑制连作黄瓜根系对K+、NO3-、H2PO4-吸收的作用显著，养分外渗速率加快，组织外渗相对电导率逐渐提高[27]。Yu 和Matsui 发现，作为黄瓜根系分泌物的主要成分，肉桂酸可以抑制营养液中NO3-、SO42-、K+、Ca2+和Fe2+的离子摄取[28]。Li 等研究发现，禾本科植物与豆科植物间套作时，豆科植物如蚕豆根系会通过释放有机酸和质子来酸化土壤，活化土壤难溶性磷，从而促进禾本科植物如玉米对磷的吸收利用[29]。

3.2 酚酸类物质与土壤养分互作

3.2.1 硼，钙，镁，硫。矿质营养缺乏可引起化感物质浓度的变化[30]。由于硼缺乏，向日葵叶片中的咖啡因和绿原酸显著增加。在石灰性土壤中，烟草叶片中东莨菪苷含量增加，绿原酸含量降低。同样，在缺镁时，烟草叶片中东莨菪苷浓度升高，绿原酸含量降低。在缺镁的茎中，东莨菪苷的浓度没有变化，但在根中已经下降。缺镁的茎、根和叶片中，总绿原酸浓度均呈下降趋势。采用微量硫溶液处理5 周后的向日葵植株，老叶、新叶、茎秆和根系总绿原酸浓度持续增加。在缺硫植物的老叶和根中，东莨菪苷的浓度也略有增加，而在茎中，东莨菪苷的浓度略有下降。

3.2.2 氮、磷、钾。水稻的化感潜力随着土壤氮素供应的减少而增加[31]。在缺乏磷酸盐的条件下，生长的向日葵果实中，绿原酸同分异构体的浓度大量增加。从缺磷植物的活的完整的根、干枯的根和根尖中滤出的酚酸类化合物比从充足的磷酸盐中滤出的多。在缺氮、缺磷条件下，对香豆素和香草酸对大麦的生长影响最大。这表明酚酸类毒性取决于营养浓度；只有在低浓度时，酚酸才有一致和明显的抑制作用。在缺钾状态下，烟草植株的根、茎、叶中总绿原酸的浓度降低。然而，在缺钾的烟草植物中，叶片东莨菪苷的浓度几乎增加了1 倍，在根和茎中，东莨菪苷的浓度较高[30]。

4 酚酸类物质与土壤根际微生物的互作

土壤微生物可能改变植物间的化感作用[32]。一些微生物能产生影响植物生长和功能表达的除草剂类化合物，其他的则利用酚酸作为碳源，中和土壤溶液中的化学物质。有些微生物分解阿魏酸，产生咖啡因、原儿茶酸和香草酸等化合物，在适当的条件下，也表现出化感作用。相反，土壤中的酚酸会改变本地微生物群落。阿魏酸、对羟基苯甲酸、香草酸或咖啡酸伴随耕作进入土壤后，可刺激土壤呼吸、微生物生物量和淀粉酶活性。阿魏酸、对香豆素、对羟基苯甲酸或香草酸在非贫瘠土壤中的应用，导致了细菌、纤维菌和放线菌种群密度的大量变化，刺激了特定的细菌种群。显然，土壤的非生物特性在调节化感化合物的活性中起着重要的作用。然而，植物对酚酸的某些反应取决于土壤的微生物特性，在非贫瘠土壤中进行研究效果较好。相比之下，在实验室条件下，从田间土壤中分离出的某种细菌或真菌已经降低了阿魏酸、对香豆酸和对羟基苯甲酸对植株的实际影响。

5 研究展望

5.1 化感物质的取样技术

在作物生产中，通过化感研究提高生物控制效率的方法现已得到广泛承认[33]。但是，要可再生、全面地探索原生土壤分泌物的代谢特征在技术上是困难的。更艰巨的是，在距离根系不同的时间和空间检测代谢能力也有限。未来几年，质谱成像（MSI）技术将被更好地应用到土壤根系分泌物取样中，这种技术可实现高分辨率的代谢物空间测绘，可能包括根系周围的土壤剖面。

5.2 化感物质的分析技术

化感作用的证据通常很难获得，特别是当一个人试图将实验室研究推广到大田时[34]。在田间，生物因素（如土壤微生物、竞争对手的根系分泌物）和非生物因素（如温度波动、水胁迫）在实验室难以复制，可能会增强或减少化感作用。新的方法，如基因敲除技术，将在未来为化感作用提供更有力的证据。根系化学性状的多样性，即根系的代谢组，与地上部植株的代谢组学研究相比，迄今为止还没有被充分研究[35]。根和根际代谢组学以及基因组学等相关分析技术会帮助阐明哪部分根系和哪种细胞类型用来合成和分泌哪种特殊代谢物的信息，以及特定代谢产物的分泌模式和相关的转运蛋白等次生代谢物合成的代谢途径的起源和进化的分子遗传证据，更加系统地认识地下相互作用的“黑箱”。

5.3 化感物质的应用

农作物和天然植被的酚类物质含量不同，对杂草的抑制能力也不同，应该利用这些植物对杂草的有害影响来增加作物产量。应筛选含有有害酚类物质的作物和天然植被，提高抑制杂草的能力。多种酚类化学物质存在于植物的不同部位。酚类化感物质将为新型合成农药（杀虫剂、杀线虫剂、杀菌剂、除草剂）的开发提供了基本结构或模板。

5.4 化感物质的残留效应

除化感物质的直接作用外，它们还可在土壤中持续存在，从而产生先前土壤占用者的遗留效应[36]。“新型武器”假说的证据主要证明了入侵者的直接化感作用[37]，可是，关于化感残留效应的研究仍然相对较少，而这些遗留影响可能比直接化感影响更为重要，因为它们即使在死亡或迁移之后也会影响其他物种，从而长期潜在地影响群落结构和整个生态系统。因此，研究入侵物种化感残留效应以及和亲缘关系密切的本地物种之间的化感效应关系，应为下一步研究重点。