土荊芥揮發(fā)油及其2個主要成分對玉米種子活力和根毛發(fā)育的化感效應(yīng)初探

王煜，王亞男，勾洵，張紅，馬丹煒*

土荊芥揮發(fā)油及其2個主要成分對玉米種子活力和根毛發(fā)育的化感效應(yīng)初探

王煜1，2，王亞男1，2，勾洵1，張紅1，2，馬丹煒1，2*

(1.四川師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，四川成都610101;2.四川師范大學(xué)細胞生物學(xué)研究室，四川成都610101)

采用培養(yǎng)瓶濾紙法研究土荊芥揮發(fā)油及其主要成分對傘花素(cymene)和α－萜品烯(α－terpinene)對玉米種子活力和根毛發(fā)育的化感效應(yīng).數(shù)據(jù)顯示:1)土荊芥揮發(fā)油對發(fā)芽率和發(fā)芽勢具有劑量依賴的抑制效應(yīng)，而對傘花素和α－萜品烯的影響與對照差異不顯著(P＞0.05).2)揮發(fā)油和對傘花素對玉米種子活力有顯著抑制(P＜0.05)，對傘花素的抑制效應(yīng)為揮發(fā)油的17.92%;α－萜品烯對玉米種子活力有顯著促進(P＜0.05)，當對傘花素和α－萜品烯聯(lián)合作用時，對傘花素削弱了α－萜品烯的促進效應(yīng).3)揮發(fā)油對玉米根毛發(fā)育有明顯抑制現(xiàn)象，玉米根毛彎曲纏結(jié)，數(shù)量減少甚至消失;對傘花素和α－萜品烯對根毛長度有顯著促進(P＜0.05).結(jié)果表明，在土荊芥揮發(fā)油對玉米種子萌發(fā)和根毛發(fā)育的化感脅迫中，對傘花素和α－萜品烯的作用較弱;對傘花素在揮發(fā)油抑制種子活力方面具有一定的貢獻.

土荊芥揮發(fā)油;對傘花素;α－萜品烯;化感效應(yīng)

原產(chǎn)南美洲的入侵植物土荊芥(Chenopodiumam brosioides L.)［1］近年來已經(jīng)引起了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注［2－8］.化感作用是土荊芥成功入侵的機制之一，土荊芥可通過淋溶［2－4］、揮發(fā)［5－7］、根系分泌［8］、殘株腐解［9］等途徑向周圍環(huán)境釋放化感物質(zhì)，排擠和壓制周圍土著植物.在土荊芥揮發(fā)油的作用下，受體植物根細胞受到氧化脅迫，膜脂過氧化產(chǎn)物丙二醛含量增加，抗氧化酶活性降低［5］，根細胞出現(xiàn)各種類型的染色體畸變，甚至發(fā)生細胞凋亡［6］，最終導(dǎo)致植物的生長發(fā)育受到抑制［7］.土荊芥揮發(fā)油成分較為復(fù)雜，隨產(chǎn)地變化，但各地的土荊芥揮發(fā)油中普遍存在對傘花素和α－萜品烯［10－11］.目前，有關(guān)土荊芥揮發(fā)油主要成分化感潛力以及它們在土荊芥揮發(fā)油化感效應(yīng)中的生態(tài)學(xué)貢獻尚不清楚.本研究以廣泛種植于土荊芥入侵地的重要農(nóng)作物玉米為受體植物，探討了土荊芥揮發(fā)油及其2種主要成分對傘花素和α－萜品烯對玉米種子萌發(fā)和根毛生長的化感效應(yīng)，旨在了解對傘花素和α－萜品烯在土荊芥揮發(fā)油化感作用的地位，為后續(xù)深入研究土荊芥化感作用機制提供依據(jù).

1 材料和方法

1.1供試材料土荊芥植株采集于成都郊區(qū)荒地;對傘花素標準品(質(zhì)量分數(shù)99.5%，德國Ehrenstoefer Quality公司)、α－萜品烯標準品(質(zhì)量分數(shù)90%，國藥集團化學(xué)試劑有限公司)均購自成都奧克試劑公司.受體植物玉米種子雅玉26#，購自成都市種子市場.

1.2試驗方法

1.2.1 揮發(fā)油的提取及其主要成分含量測定將采集的土荊芥植株剪成小段，用水蒸氣蒸餾法提取揮發(fā)油，無水Na2SO4干燥后置于4℃冰箱保存?zhèn)溆?

經(jīng)四川大學(xué)測試中心鑒定，α－萜品烯和對傘花素是供試揮發(fā)油的主要成分.采用GC－MS單點法測得土荊芥揮發(fā)油中對傘花素的含量為156 mg/mL，氣象色譜法測得α－萜品烯在土荊芥揮發(fā)油中的含量為151 mg/mL.

1.2.2 化感作用的生物測定挑選顆粒飽滿、大小均一的玉米種子，用0.5%KMnO4浸泡10 min消毒，蒸餾水清洗6次以上.種子胚朝上均勻擺放于墊有雙層濾紙的培養(yǎng)瓶(外徑8 cm，高9 cm)中，加蒸餾水浸沒種子2/3.共設(shè)置4個處理組:揮發(fā)油處理組(V)、對傘花素處理組(C)、α－萜品烯處理組(AT)，對傘花素+α－萜品烯混合處理組(M).由預(yù)實驗確定土荊芥揮發(fā)油處理劑量，再根據(jù)揮發(fā)油中α－萜品烯和對傘花素的含量確定二者的處理劑量，每組設(shè)置5個處理梯度(表1).準確取土荊芥揮發(fā)油、對傘花素、α－萜品烯滴入瓶內(nèi)，立即旋緊瓶蓋，置于25℃培養(yǎng)箱暗培養(yǎng).每個處理50粒種子，重復(fù)3次，以蒸餾水為對照.

表1 土荊芥揮發(fā)油和兩個主要成分的處理劑量Table 1The treatment doses of the volatile oil from Chenopodium ambrosioides L.and two main components

參照文獻［12］方法，每天定時觀察發(fā)芽情況并計數(shù)，視胚根突破種皮為發(fā)芽，連續(xù)3 d發(fā)芽種子數(shù)無增加視為發(fā)芽完全.3 d時測定幼苗高度，5 d后切取主根根端后1 cm左右根段，在體式顯微鏡(上海XTZ－E)下觀察根毛形態(tài)并拍照，用顯微測量軟件測量根毛長度.每組處理測量5個根段，每根段上測量10根根毛，計算根毛的平均長度，重復(fù)3次.

1.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析根據(jù)文獻［12］計算玉米種子的發(fā)芽率(GR)和發(fā)芽勢(GP):

GR=(發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù))×100%，GP=(試驗天數(shù)發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù))×100%.

在該實驗條件下，玉米種子的萌發(fā)十分迅速，在暗培養(yǎng)2 d時達到發(fā)芽高峰期，培養(yǎng)至3 d后不再萌發(fā)，故在發(fā)芽勢公式中，本實驗規(guī)定天數(shù)為2.參考文獻［13－14］，計算玉米種子簡易活力指數(shù)(SVI):

SVI=發(fā)芽率×幼苗長度×100%.

化感效應(yīng)敏感指數(shù)(RI)可表示化感作用強度大小，其絕對值大小反映了化感作用的強弱，計算方法參照文獻［15］:

式中，C為對照值，T為處理值.

按照文獻［16］計算揮發(fā)油、對傘花素、α－萜品烯及其混合物的化感綜合指數(shù)(SE).SE是供體對同一受體多個測試項目的化感效應(yīng)敏感指數(shù)的算術(shù)平均值.

采用SPSS 17.0軟件進行相關(guān)性分析、方差分析和多重比較檢驗.

2 結(jié)果與分析

2.1土荊芥揮發(fā)油及其2種主要成分對玉米種子活力的影響種子活力與種子萌發(fā)過程中的種子發(fā)育情況有關(guān)，因此，常采用發(fā)芽率、發(fā)芽勢、簡易活力指數(shù)等指標來衡量不同因子對玉米種子活力的影響.

表2的數(shù)據(jù)顯示，隨著土荊芥揮發(fā)油處理劑量的增加，玉米種子的發(fā)芽率和發(fā)芽勢均呈下降趨勢，表明土荊芥揮發(fā)油對玉米種子的萌發(fā)具有較為強烈的抑制作用，且抑制效應(yīng)隨處理劑量的升高而顯著增強(P＜0.01).當揮發(fā)油劑量大于3 μL時，發(fā)芽率和發(fā)芽勢均比對照顯著降低(P＜0.05);對傘花素、α－萜品烯以及二者聯(lián)合作用則對玉米種子的發(fā)芽率和發(fā)芽勢無顯著影響(P＞0.05).

在V組中，玉米種子簡易活力指數(shù)與揮發(fā)油處理劑量呈顯著負相關(guān)(Pearson系數(shù)=－0.954，P＜0.01)，隨著處理劑量增大，簡易活力指數(shù)急劇下降，其中5 μL處理簡易活力指數(shù)只有對照組的13.93%;對傘花素對種子活力的影響與揮發(fā)油相似，也表現(xiàn)出顯著的抑制效應(yīng)，但下降幅度較為平緩，與劑量無明顯相關(guān)性(Pearson系數(shù)=－0.410，P＞0.05);AT組和M組的簡易活力指數(shù)均大于對照，其中AT組簡易活力指數(shù)具有劑量依賴性(Pearson系數(shù)=0.759，P＜0.01)，梯度5的簡易活力指數(shù)為對照的166.73%.M組則與劑量無明顯關(guān)系，在各處理梯度中，梯度2和3的簡易活力指數(shù)升高較大，與對照具有顯著差異(P＜0.05).

表2 土荊芥揮發(fā)油及其兩種主要成分對玉米種子活力和根毛發(fā)育的影響Table 2The effects of volatile oil from Chenopodium ambrosioides L.and its main components on maize seed germinationand root hair development

2.2土荊芥揮發(fā)油及其2種主要成分對玉米根毛發(fā)育的影響形態(tài)學(xué)觀察表明，V組玉米根毛生長明顯受到抑制，較低劑量(1 μL)處理時根毛變短變細，數(shù)量減少并出現(xiàn)彎曲、纏結(jié)現(xiàn)象，隨著處理劑量增加，這種現(xiàn)象更較明顯，在5 μL處理時，根毛幾乎完全消失;對照相比，其他3個處理組根毛發(fā)育較好，根毛數(shù)量有所增加，根毛長度增長，直徑增大，不同成分處理和不同處理梯度之間的根毛形態(tài)無顯著變化.

由于V組玉米根根毛生長受到嚴重抑制，根毛纏結(jié)，無法準確測定其長度，故本研究僅對C組、AT組和M組的根毛長度進行了統(tǒng)計分析(表2).與對照相比，對傘花素、α－萜品烯以及二者聯(lián)合作用均顯著促進了玉米根毛生長(P＜0.05)，但不同梯度之間無顯著差異(P＞0.05).3組處理對根毛長度的促進效應(yīng)依次是M組，AT組和C組.

2.3揮發(fā)油、對傘花素和α－萜品烯的化感綜合效應(yīng)與揮發(fā)油相比，對傘花素和α－萜品烯的化感作用強度相對較弱(表3).在種子萌發(fā)階段，盡管揮發(fā)油具有較強的化感效應(yīng)，這種抑制在處理劑量較大時方能顯現(xiàn)出來.一旦胚根和胚芽突破種皮后，玉米幼苗對土荊芥揮發(fā)油及其2種主要成分化感作用的敏感性增強，揮發(fā)油抑制了幼苗的生長過程(SE=0.653)，對傘花素對土荊芥揮發(fā)油的這種化感抑制效應(yīng)具有一定的貢獻率，大約占揮發(fā)油化感抑制效應(yīng)的17.92%，但是α－萜品烯對幼苗的生長則表現(xiàn)出明顯的化感促進效應(yīng).當二者聯(lián)合作用時，α－萜品烯的促進效應(yīng)被對傘花素削弱，化感綜合效應(yīng)只有α－萜品烯單獨作用時的22.74%;揮發(fā)油對玉米根毛的發(fā)育具有較大的抑制效應(yīng)，而2種主要成分則表現(xiàn)為促進作用.綜合分析可知，α－萜品烯對玉米種子活力和根毛發(fā)育的化感效應(yīng)大于對傘花素的化感效應(yīng).

表3 土荊芥揮發(fā)油及其2種主要成分化感效應(yīng)的比較Table 3The comparison of allelopathic effects of volatile oil from Chenopodium ambrosioides L.and its main components on maize

3 討論

不論何種途徑釋放的植物化感物質(zhì)最終都將進入土壤中，其中揮發(fā)性化感物質(zhì)可直接進入或經(jīng)雨霧淋溶進入附近土壤，使得鄰近植物種子難以萌發(fā)［17］.王晶蓉等［7］研究表明，土荊芥揮發(fā)油對小麥(Triticum aestivum L.)、油菜(Brassica campestris L.)、萵苣(Lactuca sativa L.)的種子萌發(fā)具有延遲效應(yīng)和抑制效應(yīng).本研究結(jié)果表明，土荊芥揮發(fā)油顯著抑制了玉米種子的發(fā)芽率和發(fā)芽勢，并表現(xiàn)出劑量依賴效應(yīng)，與上述實驗結(jié)果相似.但是，揮發(fā)油的主要成分對傘花素和α－萜品烯對玉米種子萌發(fā)的化感效應(yīng)較弱，與對照無顯著差異.由此可見，對傘花素和α－萜品烯在土荊芥揮發(fā)油抑制玉米種子萌發(fā)中所起的作用甚微.種子活力是一個綜合性狀，受遺傳和環(huán)境的影響［18］，土荊芥揮發(fā)油主要成分對傘花素和α－萜品烯雖然對玉米種子萌發(fā)影響較小，但是對玉米的種子活力具有明顯的影響.其中對傘花素的影響與揮發(fā)油的作用效應(yīng)一致，均表現(xiàn)為抑制效應(yīng)，并弱于揮發(fā)油(對傘花素的抑制效應(yīng)約為揮發(fā)油的17.92%);α－萜品烯及其與對傘花素的混合物對玉米種子活力均表現(xiàn)為促進效應(yīng).因此，α－萜品烯和對傘花素在對玉米種子活力的化感效應(yīng)相反，α－萜品烯的化感效應(yīng)為對傘花素的3.23倍，二者聯(lián)合作用時，對傘花素削弱了α－萜品烯的促進效應(yīng).

根毛是植物根尖成熟區(qū)表皮細胞外壁形成的突起，是植株吸收水分和營養(yǎng)物質(zhì)的重要部位，對外界環(huán)境中影響因子的響應(yīng)十分敏感.當外界環(huán)境中水分［19］、礦質(zhì)元素［20］、植物激素［21－22］、CO2濃度［23］等發(fā)生變化時，根毛生長明顯受到影響.化感物質(zhì)也會影響到根毛的發(fā)育，如化感物質(zhì)8－G甲氧基二氫血根堿對萵苣幼苗根毛的長度和數(shù)量有顯著的抑制作用［24］，黃花蒿水浸提液對小麥根毛的生長具有抑制作用［25］.本研究中，土荊芥揮發(fā)油對玉米根毛發(fā)育具有顯著的抑制效應(yīng)，而α－萜品烯和對傘花素以及二者的混合物都表現(xiàn)為促進效應(yīng).

土荊芥揮發(fā)油是一種成分相當復(fù)雜的混合物，其化感抑制效應(yīng)可能是其中一種或多種化學(xué)成分與受體植物復(fù)雜互作的結(jié)果.在本研究中，其主要成分對傘花素、α－萜品烯以及二者的混合物表現(xiàn)出的化感作用與揮發(fā)油并不一致，僅對傘花素在對種子活力的抑制效應(yīng)中具有一定的貢獻.因此，尚需進一步篩查揮發(fā)油中對玉米種子萌發(fā)和根毛生長化感作用的主效化感物質(zhì).

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Allelopathy of Chenopodiumam brosioides L.Volatile Oil and Its Main Components on Seed Viabitity and Root Hair Growth of Maize

WANG Yu1，2，WANG Yanan1，2，GOU Xun1，ZHANG Hong1，2，MA Danwei1，2
(1.College of Life Science，Sichuan Normal University，Chengdu 610101，Sichuan; 2.Cell Biology Laboratory，Sichuan Normal University，Chengdu 610101，Sichuan)

Allelopathy of seed vigour and root hair growth of maize induced by volatile oil from Chenopodium ambrosioides was studied by filter paper culture method.The results show that:1)Chenopodium ambrosioides volatile oil had dose dependent inhibition effect on germination rate and germination potential of maize seed(P＜0.05)while cymene and α-terpinene had no significant effect compared in control(P＞0.05);2)Volatile oil and cymene had decreased the seed viabitity of maize(P＜0.05).The inhibitory effect of cymene was 17.92%of that of volatile oil;α-terpinene had a promoting effect on the seed vigor，but the effect was weaken in cymene+α-terpinene group;3)The volatile oil had obvious inhibition effect on maize root hair growth such as bending maize root hair tangles，decline or even vanishing.Both cymene and α-terpinene had significantly increased the root hair length(P＜0.05).In conclusion，the result shows that the allelopathy of cymene and α-terpinene were relatively weaker than that of Chenopodium ambrosioides volatile oil in maize seed germination and root hair development;cymene had a certain contribution in the inhibition of volatile oil on seed viabitity.

Chenopodium ambrosioides volatile oil;cymene;α-terpinene;allelopathy

S513

A

1001－8395(2016)03－0403－05

10.3969/j.issn.1001－8395.2016.03.018

(編輯陶志寧)

2014－12－23

國家自然科學(xué)基金(31370549)、四川省教育廳重點項目(13ZA0143和13ZA0144)和四川省教育廳一般項目(15ZB0025)

*通信作者簡介:馬丹煒(1963—)，女，教授，主要從事細胞生物學(xué)和植物化感作用的研究，Email:danwei10ma@163.com