外源酚酸對水稻種子和幼苗的化感效應

顧 元， 常志州， 于建光， 宗良綱

(1.南京農業大學資源與環境科學學院，江蘇 南京210095;2. 江蘇省農業科學院農業資源與環境研究所，江蘇 南京210014;3.江蘇省農業廢棄物資源化工程技術研究中心，江蘇 南京210014)

農業生產中，秸稈還田和作物輪作等農藝措施常可提高作物產量，增加土壤養分，改善土壤理化性狀［1-9］。然而有研究表明這類農藝措施有時反而使作物具有較弱的生長勢，甚至減產［10-12］。在長江中下游稻麥輪作區，小麥收獲后大量秸稈還田對下茬作物水稻的生長發育產生不利影響［13］。

植物化感作用是植物通過釋放自身產生的某些化學物質直接或間接地影響鄰近其他植物生長和發育的化學生態學現象［14］。從目前研究結果看，酚酸類物質是高等植物產生的主要化感物質［15-16］。前期研究結果也表明小麥秸稈浸提液和腐解液對水稻種子的萌發和幼苗生長發育產生抑制作用，其作用與秸稈含有或腐解產生的總酚酸含量有關。目前關于酚酸化感作用機制研究局限于少數幾種酚酸［17］，如對羥基苯甲酸［18］、香草酸［19］、阿魏酸［20］，但小麥秸稈還田時腐解會產生大量的酚酸類化感物質［21］。前人研究了少數酚酸物質對棉花(Gossypium hirsutum L.)［22］、萵苣(Lactuca sativa)［23］、大巢菜(Vicia sativa)［24］以及稗草(Echinochloa crusgalli)［25］等的化感效應，而少有多種酚酸對水稻化感效應的系統性研究。本研究擬通過測定可由麥秸腐解產生的10 種外源酚酸對水稻種子萌發和幼苗生長發育的影響，以明確不同酚酸物質對水稻的化感效應，為小麥秸稈還田的化感效應調控提供理論基礎和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

通過查閱文獻報道并結合初步試驗結果，選取可由小麥秸稈腐解產生的10 種常見酚酸(對羥基苯甲酸、香草酸、阿魏酸、丁香酸、原兒茶酸、沒食子酸、對香豆酸、芥子酸、咖啡酸以及水楊酸)為供試試劑，10 種酚酸物質均為分析純，選取南粳47(由江蘇省農業科學院糧食作物研究所提供)為供試水稻品種。

1.2 試驗方法

水稻種子萌發試驗采用平板培養法，將10 種酚酸分別配制成5 個濃度梯度，分別為20 mg/L、50 mg/L、100 mg/L、200 mg/L和500 mg/L，同時設置蒸餾水對照，每個處理4 次重復，共204 個培養皿。取上述不同濃度酚酸溶液10 ml 加入內襯濾紙的培養皿中，各培養皿中放入20 粒水稻種子，置于25 ℃恒溫培養3 d，計算種子發芽率和發芽指數(GI)。

水稻幼苗生長發育試驗采用砂培法。石英砂經稀酸浸泡再經清水多次浸泡沖洗后滅菌、烘干備用。將10 種酚酸配制成5 個濃度梯度(含Hoagland 營養液成分)，分別為50 mg/L、100 mg/L、250 mg/L、500 mg/L和1 000 mg/L，另設對照處理(只加Hoagland 營養液)。每個濃度梯度4 次重復，共計204 個盆缽，容器為直徑約20 cm、高20 cm 的塑料盆缽，每盆裝石英砂1.5 kg。將已經浸種催芽的水稻種子播種于含50% Hoagland 營養液的石英砂盆缽中，7 d 后選取大小均勻的水稻幼苗移栽于各處理盆缽中，每盆移栽10 棵水稻幼苗，各處理盆缽分別添加500 ml 含Hoagland 營養成分的不同濃度酚酸溶液，對照處理只添加500 ml Hoagland 營養液進行培養。所在盆缽置于人工氣侯室培養30 d，白天30 ℃，夜間25 ℃。培養過程中每隔3 d 添加純水并稱重，保持砂培盆缽中水分含量為25%。30 d 后所有盆缽破壞性采樣，測定水稻植株鮮質量、干質量、植株葉綠素含量、根系脫氫酶和植株丙二醛含量等生長發育指標。

1.3 分析測定方法

發芽率指已發芽種子與全部種子之比，發芽指數(GI)=(處理平均發芽率×處理平均根長)/(對照平均發芽率×對照平均根長)［26-27］。水稻植株的鮮質量和干質量分別稱取植株地上、地下部分，植株葉綠素含量采用丙酮比色法測定，根系脫氫酶活性采用TTC 比色法測定，植株丙二醛含量采用硫代巴比妥酸法測定［28］。化感效應指數(RI)采用Williamson等［29］推薦的方法，RI =1 －C/T(T≥C)，RI =T/C －1(T ＜C)，其中C 為對照值，T 為處理值，RI ＞0 為促進作用，RI ＜0 為抑制作用，絕對值的大小與強度一致。

1.4 數據處理

數據統計分析采用Excel 2003 和SPSS17.0 軟件進行。

2 結果

2.1 外源酚酸對水稻種子萌發的影響

與對照相比，絕大多數酚酸都對水稻種子的萌發產生影響，表現為低濃度促進、高濃度抑制，且對發芽指數的影響程度大于發芽率。以發芽率為表征，芥子酸從100 mg/L起、咖啡酸從200 mg/L起、阿魏酸從500 mg/L起顯著抑制水稻發芽(P ＜0.05)，其他酚酸各濃度均未對水稻種子發芽率產生顯著影響。以發芽指數為表征，對羥基苯甲酸、沒食子酸和芥子酸在20 mg/L時，香草酸、丁香酸、對香豆酸和咖啡酸在濃度低于50 mg/L時，阿魏酸和原兒茶酸在濃度低于100 mg/L時對水稻發芽指數有顯著促進作用(P ＜0.05);而對羥基苯甲酸在濃度高于50 mg/L時，沒食子酸、對香豆酸、芥子酸和水楊酸在濃度高于100 mg/L時，阿魏酸、丁香酸、原兒茶酸和咖啡酸在濃度高于200 mg/L時對水稻發芽指數有顯著抑制作用(P ＜0.05)(表1)。

2.2 外源酚酸對水稻幼苗生長的影響

施用不同濃度的酚酸溶液砂培水稻后，以鮮質量化感效應指數為表征可以看出，除阿魏酸、丁香酸對水稻地上部鮮質量起完全抑制作用外，其他酚酸溶液均對水稻地上部和地下部鮮質量產生了低濃度促進、高濃度抑制作用。而以干質量化感效應指數為表征，則可看出除阿魏酸、咖啡酸對水稻地上部干質量完全抑制外，其他酚酸均對水稻地上部和地下部干質量產生了低濃度促進、高濃度抑制作用。除芥子酸外，其余9 種酚酸在1 000 mg/L濃度下砂培的水稻均未存活，對羥基苯甲酸、咖啡酸和水楊酸于500 mg/L濃度下砂培的水稻也未能存活(表2)。

表1 不同濃度外源酚酸物質對水稻萌發的影響Table 1 Effects of the exogenous phenolic acids with different concentrations on rice seed germination

與對照相比，施用50 mg/L的10 種酚酸溶液砂培水稻后，鮮質量根冠比均升高，其中對羥基苯甲酸、香草酸和對香豆酸處理的水稻增幅顯著(P ＜0.05);除未存活植株和香草酸500 mg/L濃度外，10種酚酸溶液培育的水稻干質量根冠比幾乎在所有濃度下也均高于對照。以化感效應指數為表征，也可以看出不同酚酸各濃度處理下水稻干質量根冠比較對照上升(表2)。

2.3 外源酚酸對水稻植株幼苗生理生化過程的影響

通常作物在各種脅迫因子作用下，葉綠體結構會遭到破壞，導致葉綠素含量下降［30］。與對照相比，阿魏酸、丁香酸的不同濃度溶液均降低了水稻葉綠素a 的含量，其余大部分酚酸均對葉綠素a 含量產生了低濃度促進、高濃度抑制作用。其中香草酸和阿魏酸從100 mg/L開始，丁香酸、對香豆酸、咖啡酸和水楊酸從250 mg/L開始，原兒茶酸、沒食子酸和芥子酸從500 mg/L開始顯著降低水稻葉綠素a的含量(P ＜0.05)。10 種酚酸對植株葉綠素b 也有與上述相似的影響，但丁香酸、原兒茶酸、沒食子酸和芥子酸對葉綠素b 含量產生抑制時的作用閾值均降低。葉綠素a/b 比值常作為評定作物品種的抗逆性指標，指標越高，抗逆性越強。10 種酚酸在低濃度下均增加了葉綠素a/b 值，部分酚酸在高濃度下亦使葉綠素a/b 值上升(表3)。

丙二醛是植物衰老指標之一，其含量是膜脂過氧化程度的一個重要標志，植株丙二醛含量升高說明細胞膜受到了傷害，膜透性增大。本試驗中，大部分酚酸均對丙二醛含量產生低濃度抑制、高濃度促進作用。其中丁香酸處理的植株丙二醛含量在50 mg/L和100 mg/L 濃度下較對照顯著降低(P ＜0.05)，而沒食子酸、對香豆酸、芥子酸、咖啡酸和水楊酸在50 mg/L濃度下使丙二醛含量顯著降低(P ＜0.05)，對羥基苯甲酸和原兒茶酸處理植株的丙二醛含量僅在100 mg/L濃度下較對照顯著降低(P ＜0.05)。除對羥基苯甲酸各處理濃度未對植株丙二醛含量產生顯著促進作用外，丁香酸、原兒茶酸、沒食子酸、咖啡酸和水楊酸均從250mg/L濃度起，香

草酸、阿魏酸、對香豆酸和芥子酸均從500 mg/L濃度起顯著提高植株丙二醛含量(P ＜0.05)(表3)。

表2 不同濃度外源酚酸物質對水稻苗期生物量的影響Table 2 Effects of the exogenous phenolic acids with different concentrations on rice plant biomass

表3 不同濃度外源酚酸物質對水稻植株生理生化指標的影響Table 3 Effects of the exogenous phenolic acids with different concentrations on rice plant physiological and biochemical indices

與對照相比，除香草酸和阿魏酸在各濃度下均降低了水稻的根系活力外，其余酚酸均對水稻的根系活力產生了低濃度促進、高濃度抑制作用。水楊酸從100 mg/L濃度起，丁香酸、沒食子酸、對香豆酸和咖啡酸從250 mg/L濃度起，香草酸、阿魏酸、原兒茶酸和芥子酸從500 mg/L濃度起顯著抑制水稻根系活力(P ＜0.05)(表3)。

3 討論

已有研究表明種子萌發速率受環境條件的影響，且這種影響比對植物生長發育的影響更大［31］。如小麥提取液中的阿魏酸能使牽牛花(Ipomoea lacunosa)的種子發芽率從94%降到6%［32］;黑胡桃(Juglans nigra)枝、葉、果實和根中的羥基胡桃苷被雨水帶入土壤，經水解和氧化轉化為胡桃醌，在0.002%時就能抑制其他植物種子萌發［33］。本試驗中絕大多數酚酸都對水稻種子的發芽產生了低濃度促進、高濃度抑制作用，這與大多數化感物質對受體植物的影響一致［34-36］。然而余叔文等人針對小麥殘株腐爛產生的酚酸類化感物質對野燕麥(Avena fatua L.)種子的萌發研究［37］以及Einhellig 針對芋頭(Colocasia esculenta)殘體分解物對蜀黍(Sorghum bicolor)胚根生長的研究［38］均顯示了化感物質對植株種子萌發的強烈抑制作用，與本試驗結果不完全相同，這可能是酚酸物質對不同作物的影響閾值差異所致。宋亮等人［39-40］認為化感物質對植物種子萌發的抑制作用主要是化感物質影響了種子萌發所需要的關鍵酶和細胞分裂，使種子的活力降低所致。

本試驗中供試的大部分酚酸溶液均對水稻地上部和地下部生物量的累積產生了低濃度促進、高濃度抑制作用，這與吳鳳芝等人研究的酚酸類物質對黃瓜(Cucumis sativus Linn.)幼苗生長的影響結果不同［41］。本試驗中除芥子酸外，其余9 種酚酸于1 000 mg/L濃度下砂培的水稻均死亡，表明芥子酸對水稻幼苗生長的影響最弱;而對羥基苯甲酸、咖啡酸、水楊酸于500 mg/L濃度下砂培的水稻也未能存活，表明這3 種酚酸對水稻幼苗的影響強于其他酚酸。植物根系是活躍的吸收器官和合成器官，根的活力水平直接影響地上部分的生長、營養狀況及產量水平。葉綠素含量與植株光合速率、營養狀況等密切相關，葉綠素含量的多少反映了植物進行光合作用的能力強弱。本研究中大部分酚酸均對水稻根系活力，葉綠素a、b 值產生了低濃度促進、高濃度抑制作用，且10 種酚酸在低濃度下均增加了葉綠素a/b 的值。大部分酚酸均對丙二醛含量產生低濃度抑制、高濃度促進作用。值得注意的是，部分酚酸隨濃度增大使水稻生物量的累積、根系活力先升高后降低，使丙二醛含量呈先降低后升高趨勢;而部分酚酸使前者隨濃度升高逐漸降低，使丙二醛隨濃度增大且一直升高。這很可能是各種酚酸對水稻的影響有一閾值，在閾值內酚酸促進水稻生長，且隨著濃度升高促進作用增大;超過該閾值則產生抑制作用，且濃度越高，抑制越強烈。不同酚酸的閾值也不同。

本試驗中對水稻產生抑制作用的酚酸濃度遠高于在稻田根系土壤中檢測到的濃度。Einhellig［42］也認為，在田間條件下，植物釋放的化學物質濃度一般均低于其抑制作用的最低濃度。如在0 ～20 cm 小麥根系土壤中幾種化感物質的濃度為0.11 mg/kg，雖然其濃度較低，但在大量秸稈還田中仍然有時可以觀察到稻麥輪作體系中水稻的弱勢生長，盡管化感物質在根系土壤中總量相對較小，但因為其分布不均勻［43-44］，局部微域中的含量仍然可能很高。此外土壤中各種毒素物質的存在以及各種化感物質的協同作用也會降低其抑制作用的閾值［22，45］，而目前國內外對于化感物質的協同作用還有待于深入研究。

綜上所述，與對照相比，10 種外源酚酸均對水稻種子的萌發產生低濃度促進、高濃度抑制作用，大部分種類的酚酸溶液對水稻生物量的累積、根系活力、葉綠素含量產生低濃度促進、高濃度抑制作用，而對水稻植株體內丙二醛含量產生了低濃度抑制、高濃度促進作用。酚酸溶液對水稻產生的化感效應與酚酸種類以及濃度有關，且不同酚酸對水稻的作用閾值不同。

［1］ 于建光，李輝信，陳小云，等. 秸稈施用及蚯蚓活動對土壤活性有機碳的影響［J］. 應用生態學報，2007，18(4):818-824.

［2］ 蔡曉布，錢 成，張永青，等. 秸稈還田對西藏中部退化土壤環境的影響［J］. 植物營養與肥料學報，2003，9(4):411-415.

［3］ GAIND S，NAIN L. Chemical and biological properties of wheat soil in response to paddy straw incorporation and its biodegradation by fungal inoculants［J］. Biodegradation，2007，18(4):495-503.

［4］ KHALIL M I，INUBUSHI K. Possibilities to reduce rice straw-induced global warming potential of a sandy paddy soil by combining hydrological manipulations and urea-N fertilizations［J］. Soil Biology and Biochemistry，2007，39(10):2675-2681.

［5］ BECKER M，ASCH F，MASKEY S L，et al. Effects of transition season management on soil N dynamics and system N balances in ricewheat rotations of Nepal［J］. Field Crops Research，2007，103(2):98-108.

［6］ 蘇 琳，張仁陟，蔡立群. 保護性耕作對土壤有機碳含量的影響［J］. 江蘇農業學報，2012，28(3):524-529.

［7］ 毛 偉，李文西，張富春，等.稻麥輪作制下連續秸稈全量還田對耕地質量的影響［J］. 江蘇農業科學，2012，40(6):361-362.

［8］ 曾洪玉，唐寶國，蔡建華，等. 秸稈還田對耕地質量及稻麥產量的影響［J］.江蘇農業科學，2011，39(4):499-501.

［9］ 季陸鷹，葛 勝，朱 偉，等. 稻秸稈不同還田方式對小麥生育進程及產量的影響［J］.江蘇農業科學，2011，39(4):79-80.

［10］ 季陸鷹，葛 勝，郭 靜，等.作物秸稈還田的存在問題及對策［J］. 江蘇農業科學，2012，40(6):342-344.

［11］ 馬越強，廖利平，楊躍軍，等. 香草醛對杉木幼苗生長的影響［J］.應用生態學報，1998，9 (2):128-132.

［12］ MCCALLA J M ，LEYVA A ，CAPARICON L. Phytotoxic substance from soil microorganism and crop residues［J］. Bacteriological Reviews，1964，28:181-207.

［13］ 單玉華，蔡祖聰，韓 勇，等. 淹水土壤有機酸積累與秸稈碳氮比及氮供應的關系［J］. 土壤學報，2006，43(6):941-947.

［14］ RICE E L. Allelopathy［M］. 2nd ed. New York :Academic Press Inc，1984:130-188.

［15］ 吳鳳芝，趙鳳艷，馬鳳鳴. 酚酸物質及其化感作用［J］. 東北農業大學學報，2001，32(4):402-407.

［16］ RIMANDO A M，OLOFSDOTTER M，DAYAN F E. Searching for rice allelochemicals:An example of bioassay-guided isolation［J］.Agronomy Journal，2001，93(1):16-20.

［17］ 孔垂華，胡 飛.植物化感(相生相克)作用及應用［M］.北京:中國農業出版社，2001.

［18］ 馬瑞霞，馮 怡，李 萱. 化感物質對枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)在厭氧條件下的生長及反硝化作用的影響［J］. 生態學報，2000，20(3):452-457.

［19］ BURGER W P，SMALL J G C. Allelopathy in citrus orchards［J］. Scientia Horticulturae，1983，20(4):361-375.

［20］ 朱 林，張春蘭，沈其榮，等. 稻草等有機物料腐解過程中酚酸類化合物的動態變化［J］. 土壤學報，2001，38(4):471-475.

［21］ SAMPIETRO D A，VATTUONE M A，ISLA M I. Plant growth inhibitors isolated from sugarcane (Saccharum officinarum)straw［J］. Journal of Plant Physiology，2006，163(8):837-846.

［22］ 王 璞，趙秀琴. 幾種化感物質對棉花種子萌發及幼苗生長的影響［J］.中國農業大學學報，2001，6 (3):26-31.

［23］ 李巧峽，張麗娟，師曉曉，等. 化感物質對萵苣種子萌發和幼苗生長的影響［J］.西北師范大學學報，2012，48(2):74-77.

［24］ 邵慶勤，李孟良，楊安中，等. 幾種化感物質對大巢菜種子萌發及幼苗生長的影響［J］. 植物生理科學，2006，22(7):294-297.

［25］ 何華勤，沈荔花，宋碧清，等. 幾種化感物質替代物間的互作效應分析［J］. 應用生態學報，2005 ，16 (5):890-894.

［26］ KUMAR A，SILIM S N，OKAMOTO M，et al. Differential expression of three members of the AMT1 gene family encoding putative high-affinity NH4+transporters in roots of Oryza sativa subspecies indica［J］. Plant，Cell and Environment，2003，26(6):907-914.

［27］ 湯江武，吳逸飛，薛智勇，等. 畜禽固棄物堆肥腐熟度評價指標的研究［J］. 浙江農業學報，2003，15(5):293-296.

［28］ 郝建軍，康宗利，于 洋. 植物生理學實驗技術［M］. 北京:化學工業出版社，2006:55-160.

［29］ WILLIAMSON G B，RICHARDSON D. Bioassays for allelopathy:measuring treatment responses within dependent controls［J］.Journal of Chemical Ecology，1988，14(1):181-187.

［30］ 呂延良，孫明高，宋尚文，等. 鹽、旱及其交叉脅迫對紫荊幼苗凈光合速率及其葉綠素含量的影響［J］. 山東農業大學學報:自然科學版，2010，41(2):191-195.

［31］ WEIR T L，PARK S W，VIVANCO J M. Biochemical and physiological mechanisms mediated by allelochemicals［J］. Current Opinion in Plant Biology，2004，7(4):472-479.

［32］ LIEBL R，WORSHAM A. Inhibition of pitted morning glory (Ipomoea lacunosa L.)and certain other weed species by phytotoxic components of wheat (Triticum aestivum L.)straw［J］. Journal of Chemical Ecology，1983，9(8):1027-1043.

［33］ BODE H. Allelopathy in some juglandaceae［J］. Planta，1958，51:440-480.

［34］ 郭曉霞，沈益新，李志華. 幾種豆科牧草地上部水浸提液對稗草種子和幼苗的化感效應［J］. 草地學報，2006，14(4):356-369.

［35］ 彭曉邦，程 飛，張碩新. 核桃葉水浸液對不同產地黃芩的化感效應［J］.草地學報，2011，19(5):839-845.

［36］ 趙 利，牛俊義，李長江，等.地膚水浸提液對胡麻化感效應的研究［J］.草業學報，2010，19(2):190-195.

［37］ 余叔文，湯章城.植物生理與分子生物學［M］.北京:科學出版社，1998:699-718.

［38］ EINHELLIG F A. Allelopathy:Current status and future goals［C］//DAKSHINI K M M. Alleloapthy:organisms，processes and applications. Washington:American Chemical Society，1995:1-24.

［39］ 宋 亮，潘開文，王進闖，等.酚酸類物質對苜蓿種子萌發及抗氧化物酶活性的影響［J］. 生態學報，2006，26(10):3393-3403.

［40］ 王進闖，潘開文，吳 寧. 花椒品種間化感效應差異的研究［J］.生態學報，2005，25(7):1591-1598.

［41］ 吳鳳芝，黃彩紅，趙鳳艷，等. 酚酸類物質對黃瓜幼苗生長及保護酶活性的影響［J］. 中國農業科學，2002，35(7):821-825.

［42］ EINHELLIG F A. Interaction involving allelopathy in cropping systems［J］.Agronomy Journal，1996，88:886-893.

［43］ BOERACER H. Liberation of organic substances from higher plants and their role in the soil sickness problem［J］.The Botanical Review，1960，26:393-424.

［44］ RICE E L. Allelopathy［M］. New York:A cademic Press Inc，1984.

［45］ BLUM U. Allelopathic interactions involving phenolic acids［J］.The Journal of Nematology，1996，28 (3):259-267.