化感作用及其在雜草防除中的應(yīng)用

石旭旭， 王紅春， 高 婷， 婁遠(yuǎn)來(lái)

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院/農(nóng)作物生物災(zāi)害綜合治理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210095； 2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所，江蘇南京 210014)

化感作用及其在雜草防除中的應(yīng)用

石旭旭1，2， 王紅春2， 高 婷1，2， 婁遠(yuǎn)來(lái)2

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院/農(nóng)作物生物災(zāi)害綜合治理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210095； 2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所，江蘇南京 210014)

化感作用在植物界中廣泛存在，在雜草防除方面潛力巨大。重點(diǎn)對(duì)化感作用的判定、化感物質(zhì)的釋放途徑、化感作用的作用機(jī)制及其在雜草防除中的應(yīng)用進(jìn)行了討論，并對(duì)化感作用在雜草防除中的應(yīng)用方式和應(yīng)用潛力進(jìn)行了探討。

化感作用；化感物質(zhì)；雜草防除；化感機(jī)制

隨著人們保護(hù)環(huán)境意識(shí)的增強(qiáng)、化學(xué)除草劑開發(fā)難度的增大以及雜草抗藥性的蔓延，生物除草劑越來(lái)越得到人們的青睞，而化感作用為雜草的防除確定了新的方向。化感作用的本質(zhì)是植物通過(guò)向體外釋放化學(xué)物質(zhì)而影響鄰近植物，植物分泌的化學(xué)物質(zhì)稱為化感物質(zhì)。通過(guò)直接從植物中提取所需要的化感物質(zhì)或人工合成類似物質(zhì)制成除草劑，配合少量的化學(xué)除草劑使用，有助于減少化學(xué)除草劑的使用量，降低雜草抗藥性，對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)具有重要的意義。

1 化感作用的研究現(xiàn)狀

1.1 化感作用的簡(jiǎn)介

化感現(xiàn)象在植物界中普遍存在，植物之間的化感作用對(duì)生態(tài)系統(tǒng)有著不可忽視的影響。化感作用(allelopathy)的定義經(jīng)過(guò)科學(xué)家不斷的發(fā)展和完善，目前已形成了比較公認(rèn)的概念，即：各種植物(包括高等植物和微生物)所釋放的化學(xué)物質(zhì)引起的生化相生及相克作用，又稱之為異株相生或相克相生[1]，它產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)稱為化感物質(zhì)(allelochemicals)。植物化感物質(zhì)是由酚類、類萜、含氮化合物以及聚乙炔或香豆素類形成的次生物質(zhì)。化感物質(zhì)主要分為4類：酚類、萜類、糖和糖苷類、生物堿和非蛋白氨基酸[2]。可以通過(guò)分析化感物質(zhì)組分，采用人工合成的方法合成具有類似化感作用的物質(zhì)，應(yīng)用于研究和生產(chǎn)。

1.2 化感物質(zhì)向自然界釋放的途徑

自然條件下，植物化感物質(zhì)主要通過(guò)4種途徑進(jìn)入環(huán)境：(1)根系分泌，如黑胡桃樹通過(guò)根系分泌具有毒性的胡桃醌，影響其他植物種子萌發(fā)[3]；(2)植物體莖葉等部位揮發(fā)，檸檬桉樹葉通過(guò)莖葉揮發(fā)出的蒎烯等化感物質(zhì)，能顯著抑制蘿卜種子的萌發(fā)；(3)植物地上部受雨、霧和露水沖洗；(4)微生物分解植物殘?bào)w進(jìn)行釋放[4]。蕨類植物的化感物質(zhì)是通過(guò)微生物對(duì)其殘株分解釋放出的，不同植物釋放化感物質(zhì)的途徑不同，同種植物在不同的環(huán)境條件下釋放化感物質(zhì)的途徑也不相同。因此，在研究分析植物化感物質(zhì)的釋放途徑時(shí)要結(jié)合各種因素綜合分析。

1.3 化感作用的作用機(jī)制

植物釋放的任何一種化感物質(zhì)都可能對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生影響，化感物質(zhì)主要是對(duì)植物生長(zhǎng)的各個(gè)過(guò)程及不同的生理過(guò)程產(chǎn)生影響，從而發(fā)揮化感作用[2]。目前化感作用的作用機(jī)制主要有以下3個(gè)方面。

1.3.1 影響細(xì)胞膜的透性 化感物質(zhì)可通過(guò)增加細(xì)胞膜的通透性，影響細(xì)胞內(nèi)離子環(huán)境，從而對(duì)植株的生長(zhǎng)發(fā)育造成影響。黃瓜根分泌的苯丙烯酸可提高其根系過(guò)氧化物酶活性，降低超氧化物歧化酶活性，造成質(zhì)膜透性增加，養(yǎng)分外滲速度加快，產(chǎn)生連作障礙[5]。蘆葦中提取的化感物質(zhì)可降低2種綠藻SOD(超氧化物歧化酶)、POD(過(guò)氧化物酶)的活性，增加膜內(nèi)不飽和脂肪酸濃度，導(dǎo)致脂膜完整性破壞及原生質(zhì)內(nèi)離子滲漏，造成金屬離子從藻類細(xì)胞中滲漏，從而抑制2種綠藻的活性[2，6]。

1.3.2 影響礦物質(zhì)離子的吸收 礦物質(zhì)離子是植物生長(zhǎng)發(fā)育不可缺少的，化感物質(zhì)可通過(guò)影響植物對(duì)礦物質(zhì)離子的吸收而影響植株的生長(zhǎng)發(fā)育。香草醛明顯抑制杉木幼苗的生長(zhǎng)和對(duì)硝酸根離子的吸收；苯甲酸、對(duì)羥基苯甲酸和阿魏酸在不同濃度、不同酸度、不同土壤含水量等環(huán)境因子的作用下，對(duì)土壤硝化作用效果不同，進(jìn)而影響植物對(duì)礦物質(zhì)離子的吸收[7]。

1.3.3 影響呼吸作用或光合作用 呼吸作用和光合作用伴隨植物的整個(gè)生命周期，因此若植物的呼吸作用或光合作用受到影響，植物的生長(zhǎng)發(fā)育也將受到很大的影響。梯牧草、玉米和煙草腐爛殘株分解期間所形成的化學(xué)物質(zhì)可抑制煙草幼苗的呼吸，而在濕度飽和的土壤中分解腐爛，則抑制作用更強(qiáng)[7]。Sorgoleone是從高粱根部分泌并經(jīng)氧化的苯醌類化感物質(zhì)，被證明有極高的化感抑制活性。Sorgoleone是一個(gè)三嗪鍵合位的競(jìng)爭(zhēng)抑制劑，主要抑制光合系統(tǒng)Ⅱ中電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，可有效地抑制光合系統(tǒng)Ⅱ中QA、QB位之間電子的轉(zhuǎn)移[2，8]，已作為新型的植物除草劑進(jìn)行開發(fā)研究。

2 化感作用在雜草防除中的應(yīng)用

在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，任何植物都不止合成一種化感物質(zhì)，許多化感物質(zhì)具有一物多用的生態(tài)功能，對(duì)雜草往往也有作用。化感作用是植物生態(tài)系統(tǒng)中自然的化學(xué)調(diào)控現(xiàn)象，是植物適應(yīng)環(huán)境的一種生態(tài)機(jī)制，化感作用并不是以“毒殺”為目的，而是以控制為目的，作用溫和而又行之有效，防除效果持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)且不易產(chǎn)生抗藥性。因此，利用化感物質(zhì)來(lái)防治雜草是化感作用的應(yīng)用潛力之一。目前化感作用在雜草防除中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：一是直接利用化感物質(zhì)防除雜草；二是將化感物質(zhì)作為母體化合物開發(fā)新型除草劑。

2.1 直接利用化感物質(zhì)防除雜草

有些植物的化感物質(zhì)能夠抑制雜草的生長(zhǎng)繁殖，可應(yīng)用于雜草的防除之中，常見的利用化感作用防除雜草的方法主要有利用植物殘?bào)w覆蓋、輪作和間作等方法。

2.1.1 利用殘株分解產(chǎn)生的化感物質(zhì)防治雜草 植物殘?bào)w覆蓋大田后，經(jīng)微生物分解產(chǎn)生的化感物質(zhì)進(jìn)入土壤中對(duì)雜草的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生影響。研究發(fā)現(xiàn)，收獲時(shí)小麥、大麥、燕麥秸稈還田可有效抑制第2年雜草的生長(zhǎng)。Putnam等研究發(fā)現(xiàn)，10月份在蔬菜田和果園種植黑麥，春天用草甘膦將黑麥殺死，黑麥殘?bào)w覆蓋蔬菜田和果園可以有效地控制雜草的生長(zhǎng)[4]。

植物殘?bào)w覆蓋農(nóng)田可有效控制雜草的危害，但植物殘?bào)w覆蓋對(duì)下茬作物可能會(huì)產(chǎn)生不良影響，應(yīng)予以重視[9]。如水稻秸桿腐爛產(chǎn)生的羥基苯甲酸、苯乙醇酸、香豆酸、丁香酸等物質(zhì)可抑制水稻幼苗生長(zhǎng)[6，10]；玉米、高粱、燕麥殘株腐爛產(chǎn)生的咖啡酸、肉桂酸、香豆酸、沒食子酸、香草醛、苯甲醛等可以抑制高粱、大豆、向日葵、煙草的正常生長(zhǎng)[11]。因此，在利用殘株覆蓋防治雜草時(shí)應(yīng)充分考慮對(duì)下茬作物產(chǎn)生的影響及其程度。

2.1.2 利用輪作植物釋放的化感物質(zhì)防治雜草 具有化感作用的不同植物產(chǎn)生的化感物質(zhì)不同，各有其特定的抑制對(duì)象，利用植物的這一點(diǎn)，合理選擇輪作植物可有效控制雜草。向日葵能有效地抑制馬齒莧、蔓陀羅、藜和牽牛花等雜草的生長(zhǎng)，而燕麥的一些品種則能抑制芥屬雜草的頂端生長(zhǎng)，受抑制的雜草高度只有對(duì)照的1/3。因此采用向日葵和燕麥輪作可明顯降低雜草的危害，輪作區(qū)的雜草密度顯著低于單作區(qū)。冬小麥釋放的化感物質(zhì)可抑制白茅生長(zhǎng)，在白茅危害嚴(yán)重的農(nóng)田可用冬小麥和其他作物輪作來(lái)防治白茅的危害[12]。

2.1.3 利用化感物質(zhì)的選擇性種植伴生植物防治雜草 有些植物有選擇性化感作用，能抑制某些雜草的生長(zhǎng)，而對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)無(wú)害。墨西哥萬(wàn)壽菊對(duì)根部含淀粉的雜草有很強(qiáng)的毒害作用，如萬(wàn)壽菊可導(dǎo)致直立接骨木的根部發(fā)生褐變而變成空殼，形似被酸腐蝕，甚至在距萬(wàn)壽菊較遠(yuǎn)的地方也能看到這種現(xiàn)象。對(duì)作物無(wú)害且能夠抑制雜草的植物可以和農(nóng)作物共存，發(fā)揮其除草作用，深入研究的前景廣闊[4]。

利用化感作用控制雜草的方法很多，化感作用控制雜草，既不會(huì)污染環(huán)境和對(duì)農(nóng)作物造成危害，也不會(huì)產(chǎn)生農(nóng)藥殘留，利于保持生態(tài)系統(tǒng)的平衡。在利用化感作用控制雜草的同時(shí)，應(yīng)加大對(duì)化感物質(zhì)的研究，挖掘化感作用在雜草防除中的應(yīng)用潛力。

2.2 化感物質(zhì)作為母體化合物開發(fā)新型除草劑

長(zhǎng)期過(guò)度使用化學(xué)除草劑導(dǎo)致除草劑抗藥性的產(chǎn)生、生態(tài)平衡的破壞、環(huán)境的污染等問(wèn)題。生物除草劑由于對(duì)環(huán)境友好、對(duì)非靶標(biāo)生物無(wú)害等優(yōu)點(diǎn)已成為當(dāng)今研究熱點(diǎn)之一[13-14]。隨著化感作用研究的深入以及現(xiàn)代生物科技的發(fā)展，利用生物科技篩選獲得大量化感物質(zhì)或類似物質(zhì)，利用化感物質(zhì)研制生物除草劑的思路已漸漸成型。

通過(guò)對(duì)化感作用物質(zhì)的提取、分離和鑒定，模擬其結(jié)構(gòu)，可開發(fā)出擬天然選擇性除草劑[15-17]。生物途徑合成的天然除草劑具有低毒高效、易于吸收和降解且作用對(duì)象專一等特點(diǎn)，因此可減輕農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用除草劑對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的壓力，減少化學(xué)農(nóng)藥的使用，降低農(nóng)藥殘留量，利于生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展及實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[18-19]。如由振國(guó)以沙漠植物產(chǎn)生的化感物質(zhì)1，8-桉樹腦為前導(dǎo)體，研制成功新型內(nèi)吸性除草劑仙治(Cinmethlin)，已應(yīng)用于水稻、花生、大豆等作物田防除雜草；藤井義睛等以棉花根系分泌物獨(dú)角金萌素為母體化合物，人工合成獨(dú)角金酚，已應(yīng)用于防除大豆、花生、玉米、甘蔗田的寄生性雜草獨(dú)腳金[1]。

應(yīng)用天然活性產(chǎn)物作為除草劑，特別是將其作為開發(fā)新除草劑的母體化合物是化感作用研究的重點(diǎn)。大多數(shù)天然活性產(chǎn)物是水溶性物質(zhì)，分子結(jié)構(gòu)中不含鹵原子，對(duì)環(huán)境友好，半衰期短，但其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且含有多個(gè)手性中心，當(dāng)分子簡(jiǎn)化后往往使活性顯著下降，除草效果不理想[20]。因此，對(duì)化感物質(zhì)作為母體研發(fā)除草劑的研究還有待進(jìn)一步的研究。

3 結(jié)論與討論

發(fā)揮化感物質(zhì)在雜草防除中的潛力，對(duì)保護(hù)環(huán)境、維持生態(tài)平衡具有重要的意義。在當(dāng)前雜草對(duì)化學(xué)除草劑的抗藥性日益增強(qiáng)的前提下，應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)自然進(jìn)化所產(chǎn)生的化感物質(zhì)來(lái)防除雜草既可以有效抑制雜草生長(zhǎng)發(fā)育，又可以防止雜草抗藥性的產(chǎn)生，降低環(huán)境壓力，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。

目前，化感物質(zhì)主要是通過(guò)收集植物分泌的次生物質(zhì)獲得，該方法所獲得的次生物質(zhì)所含有的成分比較復(fù)雜，仍需進(jìn)一步分離提純才能夠應(yīng)用。其次是通過(guò)生物技術(shù)的方法人工合成化感物質(zhì)，這種方法簡(jiǎn)單、方便、可以大量獲得所需化感物質(zhì)。收集次生物質(zhì)和人工合成化感物質(zhì)技術(shù)尚不成熟，仍有許多因素未明確，化感物質(zhì)的研究仍處于初始階段。

化感作用對(duì)植物的影響是多方面的，植物通過(guò)化感作用影響周圍植物的生長(zhǎng)發(fā)育，化感物質(zhì)只是起到部分作用，另外植物同時(shí)可分泌多種化感物質(zhì)，因此明確發(fā)揮作用、影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的化感物質(zhì)是化感作用研究的前提。由于化感物質(zhì)僅是抑制雜草的生長(zhǎng)，而不是防除，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中單獨(dú)使用化感物質(zhì)防除雜草效果有限，并不能完全控制雜草和農(nóng)作物爭(zhēng)奪養(yǎng)分。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中將化感物質(zhì)與化學(xué)除草劑混用，尋找合適的比例，在保證除草劑對(duì)農(nóng)作物安全的情況下，對(duì)雜草達(dá)到防除效果，取得最大的經(jīng)濟(jì)效益，是比較可行的研究方向。

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AllelopathyandItsApplicationsinWeedControl

SHI Xu-xu1，2， WANG Hong-chun2， GAO Ting1，2， LOU Yuan-lai2

(1.College of Plant Protection，Nanjing Agricultural University/Key Laboratory of Integrated Management of Crop Diseases and Pests of Ministry of Education，Nanjing Agricultural University，Nanjing 210095 China；2.Institute of Plant Protection，Jiangsu Academy of Agricultural Sciences，Nanjing 210014，China)

Allelopathy is widely present in the plant kingdom and has great potential for weed control.We mainly discussed the determination of allelopathy，the release pathways of allelochemicals，the mechanism of action of allelopathic compounds，and the application and potential of allelopathy for weed control.

allelopathy；allelochemicals；weed control；allelopathy mechanism

A

1003-935X(2013)02-0006-04

石旭旭，王紅春，高 婷，等. 化感作用及其在雜草防除中的應(yīng)用[J]. 雜草科學(xué)，2013，31(2)：6-9.

2013-04-19

石旭旭(1989—)，男，山東濰坊人，碩士研究生，從事雜草科學(xué)及除草劑應(yīng)用研究。E-mail：sx6651282@126.com。

婁遠(yuǎn)來(lái)，研究員，從事雜草科學(xué)及除草劑應(yīng)用研究。Tel：(025)84391119；E-mail：louyl@jass.ac.cn。