植物化感物质的作用机理研究进展

杨浩娜，周成言，邬腊梅，王立峰，李祖任

（湖南省农业科学院，湖南省农业生物技术研究所，湖南 长沙 410125）

近年来，化感作用已成为植物学、生态学和作物学等多个学科研究人员关注的焦点问题。“化感作用”一词最早由Molisch 于1937 年提出，指的是植物之间的化学作用，包括由微生物介导的化学作用。植物在生态系统中往往通过合成并释放植物次生代谢物来应对动物的取食、病原微生物的侵染和其他植物的竞争，这是驱动植物产生众多次生物质的动力，无论植物以活的状态或死的状态向环境释放的这种次生物质，都可称为化感物质[1]。植物的化感作用正是通过这种次生物质的作用来实现的，而这种作用几乎可以影响植物的各个生长发育期和各种生理过程，常表现出多种作用机制。

1 植物化感物质

由化感作用释放的化学物质，即化感物质，多为次生代谢产物，是植物不同生理过程中所产生的副产物[2]。迄今为止，已经鉴定出许多具有不同结构类型的化感物质，其植物毒性和生物活性也得到了证实。有报道将化感作用分为14 类：（1）长链脂肪酸；（2）生物碱类；（3）简单不饱和内酯；（4）单酚类、苯甲酸及其衍生物；（5）香豆素类；（6）黄酮类；（7）肉桂酸及其衍生物；（8）萜类；（9）简单有机酸、脂肪醛、直链酮和直链醇；（10）卟啉和核苷类物质；（11）丹宁；（12）硫化物和芥子油苷；（13）蒽醌、萘醌和复合苯醌；（14）氨基酸和多肽类物质[3]。然而，Putnam 等[4]将这些化学物质分为11 类：（i）有毒气体；（ii）有机酸和醛；（iii）芳香酸；（iv）简单不饱和内酯；（v）香豆素；（vi）奎宁；（vii）黄酮类；（viii）单宁；（ix）生物碱；（x）萜类和类固醇；（xi）杂质和未知物质。若将化感物质简单分成4 类物质，则为酚类化合物（简单酚类、黄酮类、香豆素类和醌类）、萜类化合物（单萜、二萜、倍萜、三萜和类固醇类）、生物碱和含氮化学物质（非蛋白氨基酸类、苯并噁嗪类、氰基糖苷类）等[5]。近年来，有关化感物质的研究主要集中在简单酚类、黄酮类和生物碱类这3 类物质上（见图1），其中关于简单酚类化感作用的研究论文最多，所占比例高达30 %以上，在化感作用研究（2007—2019 年）中这3 类物质的研究论文占比将近75 %[5]。

图1 2007—2019 年在化感作用论文中化合物的种类分布

2 植物化感物质的作用机理

化感物质通常通过影响植物细胞膜的通透性、细胞的有丝分裂、细胞的离子吸收、植物的光合作用和呼吸作用、各种酶系活力等，干扰受体植物的正常生长。

2.1 影响植物细胞膜的通透性

化感物质到达受体植物之后，可作用于植物细胞膜，产生高度反应性的氧自由基，造成植物细胞膜过氧化损伤，降低植物细胞膜的完整性，增加植物细胞的通透性，造成细胞内物质的大量渗出。Bortolo 等[6]发现反式乌头酸处理水培大豆幼苗（Glycine max）后，大豆根系细胞中H2O2含量增多，导致细胞损伤透性增强，使得大豆的生长受到抑制。白三叶（Trifolium repens）浸提液提高了鸭茅（Dactylis glomerata）幼苗叶片膜质过氧化程度，造成细胞膜严重损伤，鸭茅草叶片MDA 含量上升[7]。

2.2 影响植物光合作用

化感物质对植物光合作用的影响是最常见的作用机制之一，因此，化感物质可被用作天然除草剂用于有机农业生产和可持续农业发展[8]。高粱醌是高粱（Sorghum bicolor）根系产生的一种亲脂性苯醌化合物，对多种杂草和作物都具有化感作用，其作用形式类似于三嗪类除草剂，如阿特拉津[9-10]。大部分单萜类物质对植物光合作用抑制效果明显，特别是对天线复合体的破坏和脂质过氧化引起的色素降解，降低了光系统Ⅱ光合效率和电子传递率[11]。通过叶绿素a 荧光检测发现葛缕子（Carum carvi）精油乳油降低了稗草（Echinochloa crusgalli）光系统Ⅱ效率，而对玉米（Zea mays）光合作用无抑制作用，可以开发用于防控玉米田的稗草生长[12]。微小亚历山大藻（Alexandrium minutum）对牟氏角毛藻（Chaetoceros muelleri）的有害作用，主要是由于其产生的化感物质通过抑制质体醌介导的光系统Ⅱ和细胞色素b6f 之间的电子传递，导致细胞质膜去极化和光合作用的损伤[13]。土荆芥的化感物质α-萜品烯和对伞花素通过破坏蚕豆幼苗叶绿体超微结构以及干扰光合关键基因表达从而抑制蚕豆幼苗生长发育[14]。

化感物质还可以影响受体植物叶片叶绿素的合成，降低植物光合作用效率，进而对植物的生长产生抑制作用。艾叶（Artemisia argyi）提取液对白菜（Brassica pekingensis）、莴苣（Lactuca sativa）、马齿苋（Portulaca oleracea）等植物种子萌发和生长有化感抑制作用，通过RNA-Seq 分析和关键基因检测分析表明，艾叶通过多靶点、多路径抑制杂草的萌发和生长，同时抑制受体植物叶绿素合成，是其抑制植物萌发和生长的关键机制之一[15]。紫茎泽兰（Ageratina adenophora）的水提取物中喜树碱等化感物质降低了受体植物叶片叶绿素含量，从而影响了受体植物的幼苗生长[16-17]。不同浓度的光叶紫花苕子（Vicia villosa）浸提液均能降低紫花苜蓿（Medicago sativa）、黑麦草和白三叶（Trifolium repens）幼苗的叶绿素含量[18]。

2.3 影响植物呼吸作用

化感物质 一般通过抑制线粒体的氧化磷酸化和电子传递2 种途径降低氧气摄入量，抑制ATP 酶活性，导致受体植物呼吸作用受限[19]。植物次生代谢物对受体植物的呼吸作用也具有较强的抑制作用，柄花菊素等7 种倍半萜内酯及其衍生物抑制了黑麦草等杂草幼苗的呼吸作用[20]。此外，研究还发现肉桂酸可能作用于大豆胚轴细胞呼吸作用的电子传递[21]，影响大豆幼苗的生长。鼠尾草（Salvia japonica）叶片挥发的二戊稀以及单蔽桉叶素对黄瓜和燕麦均有化感作用，其作用机理为二戊稀以及单蔽桉叶素能影响植物悬浮细胞三羧酸循环过程里“琥珀酸—延胡索酸”以及“延胡索酸—苹果酸”转化过程中对氧的吸收，降低了黄瓜和燕麦氧化磷酸化作用[22]。

2.4 影响水分和离子的吸收

化感物质对细胞结构的破坏也会影响植株对水分和离子的吸收，如阿魏酸、肉桂酸等化感物质处理玉米幼苗，由于化感物质影响了玉米原生质膜上钠钾泵的蛋白活性，从而抑制了玉米根系对硝酸盐离子的吸收[23]。我国特有荒漠植物沙蒿（Artemisia ordosica）浸提液能显著降低虫实（Corispermum hyssopifolium）、沙蓬（Agriophyllum squarrosum）、草木樨状黄芪（Astragalus melilotoides）的根系对NH4+和K+离子的吸收，但能显著增加狗尾草（Setaria virid）对这2 种离子的吸收[24]。化感物质的处理对细胞水分吸收也起到一定的抑制作用，如咖啡酸处理乳浆大戟（Euphorbia esula）后，发现对植物叶片生长的抑制作用主要是由于植物细胞水分吸收受阻[25]导致的。

2.5 抑制细胞的分裂和伸长

植物在种子的萌发期或幼苗的发育阶段，细胞分裂和伸长较快，有些化感物质作用于植物萌芽期或幼苗期，影响了受体植物细胞的分裂和伸长，从而抑制了受体植物的生长。化感物质通过抑制受体植物根尖细胞的有丝分裂能显著抑制其生长发育，如青蒿素能有效阻止生菜幼苗根尖细胞的有丝分裂，使细胞丧失活力[26]；从瑞香狼毒（Stellera chamaejasme）中分离出的瑞香素对生菜的抑制作用，主要是抑制了生菜根尖的有丝分裂[27]。小檗碱处理后拟南芥和三叶鬼针草（Bidens pilosa）的根尖表面及分生区细胞的分裂明显受到抑制，使受体植物根尖出现明显的凹陷，而根尖分生区细胞呈现坏死现象[28]。二烯丙基二硫（DADS）是使大蒜具有化感作用的主要化感物质，DADS 低浓度时能够增加根尖分生区有丝分裂指数和细胞长度，从而增加分生区的长度，促进根系生长，但高浓度的DADS 对分生区细胞的有丝分裂活性和细胞长度有共同的抑制作用[29]。

2.6 影响植物体内酶活性

植物体内各种酶活体系的互相作用保障了植物正常生长，化感物质处理后，植物受到逆境胁迫，细胞内酶活性受到影响，从而改变了细胞相关生物学功能。有大量研究表明，化感物质处理抑制了受体植物保护酶系的活力，影响植物正常生长。低浓度黄腐酸能显著提高稗草体内GST、CAT、POD 和SOD 的酶活力，对稗草幼苗生长有显著的促进作用；而高浓度黄腐酸显著抑制了稗草体内POD 的活力，抑制了稗草幼苗的生长[30]。在模拟落叶还田研究中发现，栾树（Koelreuteria paniculata）叶水浸提液处理农麦1 号等5 种常见小麦（Triticum turgidum）品种幼苗，发现其对小麦幼苗根、芽的生长及POD 酶活性均有显著的抑制作用，不利于小麦生长[31]；叔丁基邻苯二酚（4-tert-butylpyrocatechol，TBC）是一种可抑制水华微囊藻生长的化感物质，TBC 处理微囊藻后，提高了受体细胞内超氧阴离子自由基、丙二醛以及还原型抗坏血酸（AsA）的含量，细胞SOD 活性明显提高，证明微囊藻细胞受TBC 的毒害，影响了细胞膜结构和功能[32]。化感物质不仅只作用于受体保护酶系，如桉树（Eucaliptus globosus）叶片水提取液降低了龙爪稷（Eleusine coracanta）种子的α-淀粉酶活力，抑制了种子的萌发[33]。向日葵（Helianthus annuus）提取液处理后，导致受体植物异柠檬酸裂解酶的失活，抑制了种子萌发[34]。

2.7 影响植物激素平衡

植物激素对植物的生长发育具有调控作用，是植物应对外界环境刺激的整合中心，作为植物响应外界胁迫反应的关键内源因子，植物激素的调控作用在植物的防卫反应中发挥了重要的作用[35]。化感物质通过扰乱受体植物体内激素的平衡，影响植物的正常生长和发育。低浓度木醋液处理后，小麦体内IAA 和GA3含量增加、ABA 含量降低，这种轻微逆境胁迫促进了小麦幼苗的生长；而高浓度木醋液培养小麦后，小麦内源激素IAA 和GA3含量降低，ABA 含量升高，高浓度处理导致小麦处于严重逆境胁迫，抑制了小麦幼苗生长[36]。槲皮素处理水稻根系，发现生长素运输和转导基因表达下调，导致根系生长素降低，分生组织细胞分裂减少，根系伸长受到抑制[37]。香豆素类物质4-甲基伞形酮对拟南芥的种子萌发、主根伸长有抑制效果，却促进了侧根发育，研究发现4-甲基伞形酮处理提高了2 个生长素转运基因PIN2和PIN3的表达，而生长素合成基因YUCCA1及生长素受体TIR1并无响应，表明4-甲基伞形酮引起了拟南芥体内生长素的再分配，而不是生长素的合成，从而介导了侧根的发育[38]。化感物质苯甲酸处理拟南芥后，拟南芥根系AUX1、PIN2和生长素合成基因表达上调，导致生长素积累过高，从而促进了苯甲酸对主根生长的抑制[39]。

2.8 影响基因表达及蛋白合成

化感物质对受体植物的各种生理生化影响，大多都可归因于化感物质调控了受体植物基因的表达和蛋白的合成。随着转录组、蛋白组和代谢组分析检测技术的普及，化感物质的作用机理也得到进一步深入挖掘。伞形酮处理硬粒小麦幼苗后，通过GC-MS 检测不同时间小麦体内代谢物，根据分析不同时间的物质变化，得出伞形酮可扰乱小麦体内色氨酸代谢和莽草酸途径的结论，这可能是该物质进行化感作用的一种机制[40]。运用代谢组和蛋白组学分析研究百里酚对拟南芥的抑制作用，结果显示处理后拟南芥调渗物质（如甜菜苷、脯氨酸）含量增加，活性氧（ROS）解毒蛋白显著上调，这也验证了百里酚处理使受体植物受到严重的氧化胁迫。此外，光合蛋白和光合色素的下调表明百里酚还降低了受体光合作用[41]。波吉卵囊藻（Oocystis borgei）胞外滤液处理铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosa）后，通过采用Illumina 转录组分析发现铜绿微囊藻体内氧化磷酸化途径基因表达显著上调，提高了铜绿微囊藻体内ATP 的合成效率，说明在胁迫环境下铜绿微囊藻受到氧化损伤，提升了获能途径[42]。经鉴定加拿大一枝黄花（Solidago canadensis）根系水提物中的咖啡酸甲酯和咖啡酸乙酯对结缕草（Zoysia japonica）种子萌发和幼苗生长有抑制作用，处理拟南芥幼苗后发现这2 种物质能显著降低拟南芥幼苗细胞分裂基因（cdc2a）和细胞增殖标记基因（pcna1）的表达量，而显著提高了主根生长负调控基因（AtRRE1）的表达量，因此，研究人员推测加拿大一枝黄花根提取物调控拟南芥幼苗的生长发育主要是由于化感物质影响了拟南芥体内相关基因的表达[43]造成的。

3 展 望

植物化感作用的研究已开展多年，随着研究的深入，人们发现化感物质具有巨大的应用潜力，不仅可以直接开发成绿色安全的植物源农药，还可以为新型农药的创制提供模板，而且有些化感物质的作用靶标独特，这些化感物质作用机理的研究为农药新靶标的研发提供了新思路。然而，有些高效低毒的化感物质存在提取难、分离费用高等问题，加上化感物质作用靶标复杂，田间使用效果差，都局限了其进一步研究开发与利用。因此，可以从以下几个方面进行改进：（1）优化化感物质的提取及分离方法，高效精准获得新型化感物质；（2）运用多组学及多种分子生物学技术深入剖析化感物质的作用靶标；（3）加强田间应用研究，挖掘在生产实践中能有效利用的化感物质，推进研究成果的快速转化，形成有效产品。