西瓜化感作用及其化感物質成分分析

鄭陽霞 唐海東 李煥秀 賀忠群 秦耀國

（四川農業大學園藝學院，四川雅安 625014）

西瓜〔Citrullus lanatus（Thunb.）Matsum. et Nakai〕是一種嚴忌重茬的蔬菜，極易發生連作障礙。其原因除了土傳病害和土壤理化性狀劣變外，自毒作用也是重要的因素之一（喻景權和杜堯舜，2000）。而且自毒作用可協同土傳病害發生，導致連作障礙嚴重發生（喻景權和杜堯舜，2000）。自毒作用是指植物向環境釋放某些化學物質而影響自身的生長和發育的化學生態現象和化感作用的表現形式（Singh et al.，1999）?；形镔|主要是通過植物地上部的淋溶和揮發、根系的分泌以及植株殘體的分解等途徑向農業系統中釋放，從而影響周圍和后茬植物的生長發育（章家恩，2007；覃逸明 等，2009）。目前有關西瓜連作障礙中的自毒作用已有一些報道。王倩（2002）、耿廣東等（2005）、楊廣超等（2005）證實西瓜根、莖葉殘體的水浸提液對西瓜的生長有一定的毒害作用?；形镔|廣泛存在于植物的各個組織，而且各組織中分布不同。但有關西瓜根、莖葉浸提液以及根系分泌物中化感物質的檢測還未見報道，因此有必要深入研究西瓜的化感作用。本試驗研究了不同濃度的西瓜根、莖葉水浸提液和根系分泌物對西瓜種子發芽和幼苗生長的影響，并應用氣相色譜-質譜儀（GC-MS）檢測化學物質，探討西瓜化感作用的機理，比較西瓜根、莖葉水浸提液及其根系分泌物化感作用的差異，分析其化感物質的種類，為解決生產實踐中的西瓜連作障礙提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試西瓜品種為早佳84-24，新疆葡萄瓜果研究開發中心選育。

1.2 試驗方法

1.2.1 供試材料的培養 試驗在四川農業大學蔬菜基地進行。2010年5月3日播種西瓜，待幼苗長至3～4片葉時移入內徑為20 cm的塑料缽中，基質為珍珠巖。每缽定植2株，共15缽。每7 d澆1次Hoagland營養液培養。

1.2.2 根、莖葉水浸提液母液的制備 6月15日將西瓜的根和莖葉用清水洗干凈，放在85 ℃的烘箱中殺酶30 min，再在65 ℃下烘干粉碎。分別稱取20 g干樣放入三角瓶中，加去離子水200 mL，放入超聲波振蕩儀中提取4 h，濾紙過濾即得濃度為100 g·L-1的水浸提液母液。

1.2.3 根、莖葉化感作用的生物檢測 分別將西瓜根和莖葉水浸提液母液用去離子水稀釋成2.5、5.0、10.0、20.0 g·L-1進行西瓜種子發芽試驗。在直徑12 cm的培養皿內鋪兩層定性濾紙，放入經55 ℃溫水浸種的西瓜種子25粒。分別取上述稀釋液7 mL加入培養皿中，以加入7 mL去離子水為對照，3次重復。然后置于（25±2）℃人工氣候箱中培養。每天補充適量的水分以保持濾紙濕度。每天觀察、記錄發芽數，連續觀察5 d，計算發芽指數（GI）。第5天測定總發芽率。同時各處理隨機取樣10株，用直尺測量株高、根長，用電子天平稱量冠鮮質量、根鮮質量。

式中Gt為第t天的發芽數，Dt為相應的發芽天數。

化感效應分析參照 Willamson和 Richardson（1988）的化感效應指數（RI）進行。當 T≥C時，RI=1-C/T；當T＜C時，RI=T/C-1，其中T為測定值，C為對照值。RI值＞0時，為促進作用；RI值＜0時，為抑制作用，絕對值的大小與作用強度一致。均以 RI作為原始數據，采用DPS軟件進行方差分析。

1.2.4 根、莖葉中化學物質的鑒定 分別取西瓜的根和莖葉研碎后的粉末20 g，加入正己烷100 mL，放入超聲波振蕩儀提取4 h。然后用定量濾紙過濾2次，再用0.45 pm微孔濾膜過濾，收集提取液。最后將提取液在旋轉蒸發儀上40 ℃濃縮到2 mL，放入4 ℃冰箱中保存。

應用氣相色譜-質譜儀（GC-MS）檢測根和莖葉中的化學成分。氣相色譜儀：Agilent 6890N；質量選擇檢測器：Agilent Technologies 5973；分析軟件：Agilent Chemstation；色譜柱：30 m×0.25 mm×0.25 μm，HP-5MS毛細管柱。柱箱升溫程序：90 ℃（1 min），以10 ℃·min-1升溫至240 ℃。載氣流速：1.0 mL·min-1（He），進樣量為1 μL。離子源：EI；離子源溫度：230 ℃；電極電壓：1 000 V；四極桿溫度：150 ℃，全掃描范圍30～600 m·Z-1。通過Agilent Chemstation化學工作站檢索Nist標準質譜圖庫，確定化合物。采用歸一法計算各種成分的相對含量。

1.2.5 根系分泌物的收集、濃縮 6月15日將西瓜植株從基質中取出，先后用自來水和去離子水充分清洗附著在根系上的基質。然后將根系放在裝有Hoagland營養液的黑色塑料桶中，每桶定植5株。連續通氣培養10 d，收集10株。10 d后將西瓜植株小心地從營養液中取出，用定性濾紙過濾營養液，再將營養液以25 mL·min-1的流速經過XAD-4吸附樹脂，然后用柱床10倍體積的去離子水多次沖洗柱床（除去營養液成分），再用200 mL正己烷洗脫根系分泌物。最后將正己烷洗脫液在旋轉蒸發儀上40 ℃濃縮至1 mL，置于4 ℃冰箱保存備用。

1.2.6 根系分泌物化感作用的生物檢測 將西瓜根系分泌物濃縮液分別稀釋成2.5、5.0、10.0、20.0 μL·L-1進行生物檢測。準確吸取不同濃度的稀釋液7 mL，加入鋪有濾紙的培養皿中。將培養皿放在50 ℃的烘箱中烘至正己烷完全揮發后加入7 mL去離子水做種子發芽試驗。方法同1.2.3。

1.2.7 根系分泌物中化學物質的鑒定 方法同1.2.4。

2 結果與分析

2.1 西瓜根、莖葉水浸提液對西瓜種子發芽和幼苗生長的影響

西瓜根、莖葉水浸提液對西瓜種子發芽和幼苗生長有較大的影響（表1）。與對照相比，西瓜根、莖葉水浸提液的濃度為2.5 g·L-1時，發芽率、發芽指數、株高、根長、冠鮮質量和根鮮質量的化感效應指數（RI）均為正值。當濃度為5.0 g·L-1時，RI值為負值。隨著濃度的增加，RI值逐漸降低。根、莖葉水浸提液濃度在20.0 g·L-1時，對西瓜種子發芽和幼苗生長的抑制作用最強，說明西瓜根、莖葉水浸提液對西瓜種子發芽和幼苗生長表現為低濃度促進、高濃度抑制的雙重效應。且同一濃度時，多表現為西瓜莖葉水浸提液對西瓜種子發芽和幼苗生長的抑制作用顯著大于根系。

表1 西瓜根、莖葉水浸提液對西瓜種子發芽和幼苗生長的影響

2.2 西瓜根系分泌物對西瓜種子發芽和幼苗生長的影響

西瓜根系分泌物對西瓜種子發芽和幼苗生長的影響因濃度而異（表2）。當根系分泌物濃度為2.5 μL·L-1時，對西瓜種子發芽和幼苗生長均表現為促進作用。根系分泌物濃度為5.0 μL·L-1時，開始抑制西瓜種子的發芽和幼苗的生長；隨著濃度的升高，抑制程度加大，而且不同濃度之間差異顯著。同濃度時，西瓜根系分泌物對西瓜幼苗根部的影響比地上部明顯。

2.3 西瓜根、莖葉和根系分泌物中化學物質的鑒定

在西瓜根、莖葉和根系分泌物中共檢測出32種化學物質（表3），且以酯類化學物質最多，有14種，推測酯類化學物質可能是西瓜主要的自毒物質。在西瓜根中檢測到14種化學物質，莖葉中檢測到19種，根系分泌物種檢測到22種；而且同種化學物質在西瓜根、莖葉和根系分泌物中的相對含量也不相同。說明西瓜根、莖葉和根系分泌物中化學物質的種類和含量存在差異。

表2 西瓜根系分泌物對西瓜種子發芽和幼苗生長的影響

表3 西瓜根、莖葉和根系分泌中化學物質鑒定結果

3 結論與討論

3.1 西瓜根、莖葉和根系分泌物的化感效應

本試驗結果表明，西瓜根、莖葉水浸提液和根系分泌物對西瓜種子發芽和幼苗生長有較大的影響。低濃度時，促進西瓜種子萌發和幼苗生長；高濃度時，抑制種子萌發和幼苗生長。這與前人的研究結果一致（王倩，2002；耿廣東 等，2005；楊廣超 等，2005）。西瓜根、莖葉水浸提液濃度在2.5 g·L-1時，促進西瓜種子發芽和幼苗生長；濃度為5.0 g·L-1時，開始表現為抑制作用；且隨著濃度增大，抑制作用增強。根系分泌物濃度為 5.0 μL·L-1時，西瓜種子的發芽和幼苗的生長也開始受到抑制。說明西瓜根、莖葉和根系分泌物中存在抑制西瓜種子萌發和幼苗生長的化學物質，具有較強的化感抑制作用。

雖然植物體內含有大量的化感物質，但由于化感物質在植物組織中分布不均衡，導致了各組織化感作用強度不同。苜蓿的根、莖葉、花、種皮均具有化感作用，但以葉片的化感作用最強（Miller，1983；Chung et al.，2000）。辣椒、茄子和棉花的葉片化感效應也大于根系（張啟發等，2007；李彥斌 等，2008；王廣印 等，2009）。本試驗也得出相似的結論，西瓜莖葉的化感作用大于根系。這可能與其根系、莖葉中化感物質組成不同有關。

3.2 西瓜根、莖葉和根系分泌物中的化感物質

植物根、莖葉和根系分泌物中含有許多化學物質，既有化感抑制物質（自毒物質），也有化感促進物質。迄今為止，在西瓜、番茄、黃瓜、辣椒、茄子等蔬菜作物根系分泌物和植物殘體中已經分離出苯甲酸、肉桂酸、水楊酸、香草醛等多種自毒物質（Kim，1989；Yu & Matsui，1994；王茹華 等，2006）。本試驗從西瓜根、莖葉和根系分泌物中共檢測出32種化學物質，其中酯類化學物質最多，有14種；在西瓜根中檢測到14種化學物質，莖葉中檢測到19種，根系分泌物中檢測到22種，其中一些曾被報道為化感物質（韓麗梅 等，2000；何海斌 等，2005；廖薇 等，2006；劉娜 等，2008；耿廣東 等，2009）。

近幾年有研究證明，脂肪酸酯是一類潛在的化感物質，如鄰苯二甲酸二乙酯以及鄰苯二甲酸衍生物等（Macias，1995；何海斌 等，2005）。Rumex janonicus是亞熱帶地區多年生草藥，能夠分泌鄰苯二甲酸二乙酯，對周圍植物產生化感作用（Keire et al.，2001）。柴強和馮福學（2007）報道，玉米根系分泌物中的鄰苯二甲酸是一種自毒作用較強的化感物質。本試驗在西瓜的根、莖葉和根系分泌物中均檢測到鄰苯二甲酸二辛酯、鄰苯二甲酸二異丁酯。至于哪些化感物質是西瓜的主要自毒物質及其作用機理還需進一步探討。

研究中還發現，西瓜的化感抑制作用存在濃度效應。在同一塊土地上，連續種植西瓜，由于其化感物質積累的過多，抑制西瓜生長，造成連作障礙。因此西瓜栽培應避免連作，采用輪作。輪作后土壤微生物活性得到改善，化感物質在較長的時間內揮發、分解或被土壤吸附固定，使自毒物質濃度降低，減輕自毒作用。另外，增施有機肥，可以改善根系分泌物種類，提高土壤微生物活性，促進化感物質的分解。同時建議在西瓜生產中，應及時將西瓜的殘株、落葉清理掉，避免其通過淋溶或腐解的形式進入土壤，以減輕化感抑制作用。

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