有機酸類化感物質對甜瓜的化感效應

張志忠，孫志浩，陳文輝，林文雄

(1.福建農林大學園藝學院，福州 350002;2.福州市蔬菜科學研究所，福州 350012;3.福建農林大學農業生態研究所，福州 350002)

甜瓜(Cucumis melo L.)是重要的園藝作物，栽培經濟效益明顯，目前我國已成為世界上甜瓜栽培面積、產量和消費量最大的國家［1］。近年來，甜瓜生產的基地化和設施化不斷發展，輪作和間套作變得越來越難以實施，連作重茬現象日益嚴重。甜瓜連作后生長發育不良、病蟲害加劇、產量降低、品質劣變甚至絕收，這一情況隨著連作茬數的增多而不斷加重，嚴重影響其生產效益［2-4］。

自毒作用是導致作物連作障礙的主要原因，植物通過向環境中釋放化感物質對周圍或后茬植物種子萌發和植株生長發育產生抑制作用的現象即為自毒作用。西瓜、甜瓜和黃瓜等瓜類作物的化感物質是其產生自毒作用的主要原因［5-6］，迄今發現的化感物質以有機酸、酚類和萜類化合物最為多見［7］。有機酸尤其是酚酸類是最主要的一類化感物質，如水楊酸、苯甲酸、阿魏酸和蘋果酸等最為常見［8-10］。在對西瓜的研究中發現自毒作用的強弱與植株浸提液中酚酸類的濃度呈正相關［10-11］，研究并探討化感物質的作用及其機理是克服瓜類連作障礙的重要途徑之一。

目前關于甜瓜的自毒作用研究只局限于對其形態學指標變化的觀察［2-4］，其深度遠不及黃瓜等其他瓜類作物［6，10-12］，相較水稻［12］等大田作物的研究而言更是有極大的差距。對化感物質的分離、鑒定及其作用機理的研究是自毒作用研究中的主要內容，由于甜瓜的化感物質分離和鑒定存在一定困難，迄今對于哪些物質在甜瓜自毒作用中起主要作用尚無確切結論。本實驗以目前瓜類作物中已鑒定出的常見有機酸類化感物質為研究對象，探討其對甜瓜的化感效應，為明確其作用機理和生產中克服甜瓜自毒作用提供參考。

1 材料與方法

1.1 植物材料

甜瓜(Cucumis melo L.):品種名稱“新銀輝”，種子購于福建農嘉種業股份有限公司。

1.2 化感物質溶液的配制

實驗中選取的7種有機酸類化感物質分別為蘋果酸、檸檬酸、對羥基苯甲酸、肉桂酸、阿魏酸、水楊酸和香豆酸，試劑均為分析純，購于上海生工生物工程有限公司。各種有機酸先用適當溶劑溶解后，分別用無菌雙蒸水稀釋配制成 1×10-5、1×10-4、1×10-3、1×10-2mol/L 的濃度梯度備用。

1.3 甜瓜種子發芽、幼苗生長和相關保護酶活性的測定

挑選飽滿且大小一致的甜瓜種子，室溫下浸種24h后置于無菌培養皿(Φ=9 cm)中，培養皿中事先鋪2層無菌濾紙，每皿均勻擺放30粒種子，分別添加不同濃度的各種有機酸類化感物質溶液4 mL。試驗選取7種有機酸類化感物質，4個處理濃度梯度，共計28個組合，以無菌雙蒸水處理作為對照。將培養皿放置在恒溫箱中，25℃培養，每天補加適量無菌雙蒸水，保持濾紙濕潤，觀測和記錄種子萌發和幼苗生長情況。每2d更換1次濾紙并添加相應濃度的化感物質溶液;培養2周后測量胚根長、胚軸長、幼苗鮮重和保護酶活性指標。以連續7 d不再有新種子發芽作為試驗結束的標記，計算發芽率。種子發芽標準為種子露白長度達到種子長度一半。種子數發芽指數(GI)=∑(Gt/Dt)，式中Gt為播種后第t天的發芽數，Dt為相應的發芽日數;保護酶活性測定方法參照文獻［14］進行，以植株第2、3片新鮮功能葉為材料。試驗重復3次。

1.4 數據統計分析

數據處理采用Excel 2003進行;數據顯著性分析利用DPSv 9.50軟件進行。

2 結果與分析

2.1 7種有機酸化感物質對甜瓜種子發芽的影響

7種有機酸處理對甜瓜種子發芽率的影響見表1，其中蘋果酸和檸檬酸對發芽率基本表現為促進效應，對羥基苯甲酸抑制了發芽率，阿魏酸和香豆酸對發芽率的影響表現為低促高抑，但發芽率峰值出現的濃度不一致;肉桂酸和水楊酸處理沒有表現出明顯的規律性。在高濃度下(1×10-2mol/L)對發芽率抑制最嚴重的是肉桂酸，比對照相下降了35%，存在顯著差異，其次是水楊酸和阿魏酸;對發芽率促進作用最強的是1×10-3mol/L濃度的香豆酸，比對照增加了7%，差異顯著。

表1 7種有機酸類化感物質對甜瓜種子發芽率的影響/%Table 1 Effects of seven kinds of organic acid allelochemicals on melon seed germination rate/%

由表2可知，蘋果酸和檸檬酸對甜瓜種子的發芽指數基本表現為促進作用，僅蘋果酸在1×10-4m ol/L濃度時發芽指數低于對照，1×10-5mol/L濃度的檸檬酸對發芽指數的促進作用在所有處理中最強，較對照高出10.32%。肉桂酸和對羥基苯甲酸明顯抑制了發芽指數，抑制程度隨處理濃度增加而加強，其中肉桂酸的抑制作用最強，在1×10-2mol/L濃度下比對照降低了78.9%，存在顯著差異。阿魏酸、水楊酸和香豆酸對發芽指數影響均表現為低促高抑效應，均在1×10-5mol/L濃度時達到峰值，此后逐步下降，且低于對照，阿魏酸在高濃度下的抑制效應僅次于肉桂酸。

2.2 7種有機酸類化感物質對甜瓜幼苗生長的影響

由表3可知，蘋果酸、阿魏酸、水楊酸和香豆酸均抑制了甜瓜幼苗鮮重的增加，其中水楊酸和香豆酸隨處理濃度提高抑制程度不斷加深，在1×10-2mol/L濃度下二者分別比對照降低了66.5%和50.7%，均達到了顯著差異水平。檸檬酸、對羥基苯甲酸和肉桂酸對幼苗鮮重表現為低促高抑效應，但鮮重峰值出現時的濃度略有差異，其中檸檬酸在濃度為1×10-4mol/L時對幼苗鮮重的促進效應是實驗中所有處理中最強的，較對照高出21.42%，肉桂酸在濃度為1×10-2mol/L時抑制效應最強，較對照下降了72.2%。實驗中7種有機酸處理只有蘋果酸可以促進甜瓜幼苗胚根生長，隨處理濃度的增加其促進效應不斷增強，在1×10-2mol/L濃度時促進效應是實驗所有處理中最強的，比對照高出45.10%。1×10-2mol/L濃度的阿魏酸在所有處理中抑制作用最強，比對照相下降了96.9%;對羥基苯甲酸、肉桂酸、水楊酸和香豆酸基本上隨處理濃度的增加抑制程度不斷加強。

表2 7種有機酸類化感物質對甜瓜種子發芽指數的影響Table 2 Effects of seven kinds of organic acid allelochemicals on melon seed germination index

表3 7種有機酸類化感物質對甜瓜幼苗生長情況的影響Table3 Effects of seven kinds of organic acid allelochemicals on melon seedling growth

7種有機酸高濃度處理情況下甜瓜幼苗胚軸的生長幾乎均被抑制了(表3)，其中蘋果酸所有處理濃度均可抑制胚軸生長，檸檬酸、對羥基苯甲酸、肉桂酸和水楊酸處理對胚軸的生長表現出明顯的低促高抑效應，1×10-5mol/L的對羥基苯甲酸處理促進效應最強，比對照高出27.31%。阿魏酸和香豆酸處理的抑制作用基本上隨處理濃度的升高而不斷增強。1×10-2mol/L濃度的肉桂酸抑制作用在7種有機酸中最強，比對照下降了82.8%，存在顯著差異。

2.3 7種有機酸類化感物質對甜瓜幼苗保護酶活性的影響

7種有機酸處理對甜瓜幼苗體內保護酶活性的影響見表4。蘋果酸和肉桂酸處理后超氧化物歧化酶(SOD)活性均低于對照，但其變化趨勢沒有明顯規律性;對羥基苯甲酸和水楊酸處理后SOD活性大致隨處理濃度增加而逐步下降，但在低濃度下抑制作用不明顯，只有濃度達到或超過1×10-3mol/L時才表現出顯著性抑制。檸檬酸、阿魏酸和香豆酸對SOD活性基本表現為低促高抑效應，高濃度阿魏酸對SOD活性的抑制作用是實驗中最強的，在1×10-2mol/L濃度時SOD活性無法檢出。有機酸處理后過氧化物酶(POD)的活性變化較為復雜。蘋果酸和水楊酸隨處理濃度升高呈現出升-降-升趨勢;檸檬酸、肉桂酸和阿魏酸表現出先降后升趨勢;對羥基苯甲酸則為降-升-降趨勢，且各處理間POD活性波動幅度極大;香豆酸對POD活性的影響不明顯。7種有機酸在高濃度處理條件下均顯著增強了甜瓜幼苗體內過氧化氫酶(CAT)活性，但CAT活性出現峰值時的處理濃度不一致，蘋果酸、肉桂酸和香豆酸為1×10-3mol/L，檸檬酸、對羥基苯甲酸、阿魏酸和水楊酸為1×10-2mol/L時。除蘋果酸外其余6種有機酸在低濃度條件下CAT活性增幅不大，當處理濃度達到或超過1×10-3mol/L時CAT活性開始大幅上升，其中肉桂酸的增幅最大，為對照的273.69%。

表4 7種有機酸類化感物質對甜瓜幼苗保護酶活性的影響Table 4 Effects of seven kinds of organic acid allelochemicals on defensive enzymes activity of melon seedlings

2.3 7種有機酸類化感物質對甜瓜幼苗丙二醛含量的影響

7種有機酸處理后甜瓜幼苗體內丙二醛(MDA)含量變化較為復雜(表5)。蘋果酸處理甜瓜幼苗體內MDA含量均低于對照。檸檬酸和阿魏酸處理除最高濃度外MDA含量均顯著性低于對照。對羥基苯甲酸和水楊酸處理均在1×10-5mol/L時出現了一個略高于對照的峰值，其他濃度均顯著性低于對照。肉桂酸和香豆酸處理后所有濃度均低于對照。總體而言7種有機酸中只有5個處理組合的MDA含量高于對照，僅占所有處理組合的17.85%。

表5 7種有機酸類化感物質對甜瓜幼苗MDA含量的影響/(μmol/g鮮重)Table 5 Effects of seven kinds of organic acid allelochemicals on MDA content of melon seedlings/(μmol/g FW)

3 討論

3.1 有機酸類化感物質對甜瓜種子發芽的影響

試驗中7種有機酸類化感物質均能影響甜瓜種子發芽和幼苗生長情況，這種影響與化感物質類型和處理濃度密切相關。低濃度下有機酸類化感物質可表現出抑制或促進作用，但高濃度下則幾乎均表現為抑制作用，只是抑制程度不同，這和前人的研究結果類似［15-17］。種子萌發過程中的各種參數是衡量化感效應的最常用指標［18］，植株生物量和形態學指標也被廣泛采用［19］。種子發芽被抑制可以分為種子不發芽和種子延遲發芽兩種情況，采用種子發芽率來衡量不同物質的化感效應顯然無法很好的反應后一種抑制情況，田間栽培情況下發芽遲緩的種子在競爭中無疑處于劣勢地位，即使最終能夠發芽也往往生長羸弱，難以形成壯苗。實驗中甜瓜種子發芽率受到的影響較小，而發芽指數的變化更為敏感，采用種子發芽指數指標可以更好的反應不同有機酸物質的化感效應。

3.2 有機酸類化感物質對甜瓜幼苗生長的影響

同一化感物質處理甜瓜幼苗后鮮重和胚軸長變化趨勢類似，幼苗胚軸部分在鮮重中所占比例較大可能是其原因之一。高濃度處理下胚根長指標的變化幅度更大，說明有機酸類化感物質對胚根的影響更顯著，這與其他研究者利用不同植物獲得的結果類似［15，17，19］。在植株生長期間，化感物質要發揮作用首先要被植株吸收，根系是首先被影響到的植物器官，其受到的影響也會較其他部分更加顯著。抑制胚軸過快生長的同時促進胚根生長無疑會進一步增加植株的根冠比，這對于甜瓜培育壯苗，抑制徒長是極為有利的，實驗中蘋果酸對甜瓜種子發芽率和發芽指數的持續促進作用可能與此有關。同樣，在低濃度處理條件下肉桂酸、阿魏酸和香豆酸的這一比值也基本高于對照，當處理濃度進一步上升時，胚根生長被嚴重抑制，這一比值大幅下降，這一規律和三者對發芽率和發芽指數的低促高抑效應相吻合。上述這些化感物質，采用合適的濃度添加到育苗基質中，對于培育甜瓜壯苗進而提高幼苗對不良環境的抵抗能力是否有益是值得進一步探討的問題。

由發芽指標和幼苗生長的相關形態指標可以看出，有機酸類化感物質對甜瓜的化感效應基本符合低促高抑規律，按照其變化規律的相似程度可分為3組。肉桂酸、阿魏酸和香豆酸均屬于苯烯酸衍生物，化學結構的類似性可能是三者處理后對甜瓜種子發芽率和發芽指數均表現為低促高抑效應的原因。蘋果酸和檸檬酸均是植物三羧酸循環的重要物質，三羧酸循環是植物糖類、脂類和氨基酸代謝聯系的樞紐和最終代謝通路，也是產生能量的重要途徑。種子由休眠狀態進入此后的萌發過程和幼苗生長過程期間各種代謝由開始的幾乎停滯到不斷活躍［20］，蘋果酸和檸檬酸可能促進并廣泛參與了這一過程，導致甜瓜種子發芽率和發芽指數上升。水楊酸處理對發芽率和發芽指數也表現低促高抑效應，對羥基苯甲酸處理則表現為抑制，二者化學結構類似，但表現略有差異，其原因值得進一步深入研究。

3.3 有機酸類化感物質對甜瓜植株保護酶系統和MDA含量的影響

植株受到外來脅迫時通常會調動保護酶活性，增強其清除氧自由基的能力，保持細胞膜的穩定性，抵抗外界脅迫的不良影響。甜瓜幼苗體內SOD活性在7種有機酸類化感物質處理后整體呈下降趨勢，這可能說明有機酸類化感物質會通過抑制其酶活性進而加重氧自由基對植物的危害。在對西瓜的研究中也有類似的結論，肉桂酸處理后的西瓜體內SOD活性也表現為下降趨勢［21］。POD通常在老化組織中活性較高，是組織老化的一個重要生理指標，實驗中隨著脅迫濃度的增加植株生長受到的抑制作用越來越明顯，組織老化程度不斷加深，POD活性大多表現為持續升高。CAT活性在7種有機酸類化感物質處理后全部升高，且活性峰值大多出現在高濃度處理下條件，增加幅度均達到顯著水平，這種大幅上升可能說明實驗中選取的有機酸類化感物質對甜瓜的化感效應和其體內的過氧化氫水平相關程度較高。有機酸類化感物質對植物保護酶活性的影響較為復雜，不同研究結果間差異較大，如研究表明香草酸和對羥基苯甲酸處理可以使新疆甜瓜體內SOD、POD和CAT活性均上升［22］;高濃度肉桂酸處理使西瓜體內SOD活性降低，POD活性升高［21］;抗壞血酸處理后蠶豆的POD活性下降了［23］。這意味著對于不同植物種類即使是相同的化感物質在同樣處理濃度條件下也會產生差異極大的影響，對其活性氧代謝系統各相關指標進行綜合分析才有可能得出合理的結論。

MDA含量高低常用來衡量膜系統的傷害程度，實驗中7種有機酸處理后甜瓜體內MDA含量大多低于對照，上述保護酶活性的變化可能是其原因之一。化感物質處理后保護酶活性的升高使得植株體內活性氧的清除能力增加，膜脂過氧化程度整體呈下降趨勢。在不同的研究中化感物質對植株體內MDA含量變化產生的影響差異較大，這一方面可能是由于研究者采用的植物材料不同所致，另一方面MDA只是膜脂過氧化產物之一，單一根據其含量變化來衡量化感效應的強弱不夠全面。化感物質可以通過對植物各種生理生化代謝過程的全方位影響而發揮作用，對于保護酶系統的影響只是其中的一部分，還可以通過影響水分代謝、礦質元素的吸收和光合作用等其他方面最終對植物的生長發育產生影響，同樣植物也可以通過除保護酶系統外的其他途徑緩解化感抑制作用，這是一個錯綜復雜的調控體系，單一通過研究保護酶系統的變化尚不足以解釋這一復雜的情況，需要對化感物質處理后植物的各種代謝途徑變化做深入研究才可能進一步明確其作用機理。

4 結論

蘋果酸、檸檬酸、對羥基苯甲酸、肉桂酸、阿魏酸、水楊酸和香豆酸等7種有機酸類化感物質均能影響甜瓜種子發芽和幼苗的生長。低濃度的不同種類有機酸化感物質產生的作用不同，但高濃度下則幾乎均表現為抑制效應。肉桂酸的抑制效應最強，可能是甜瓜的主要化感物質。有機酸化感物質處理后通過種子發芽率受到的影響較小，發芽指數變化更為敏感，采用發芽指數可以更好的衡量不同物質的化感效應。不同有機酸處理后甜瓜幼苗體內SOD和POD活性的變化規律不明顯，CAT活性均隨處理濃度增加而增強，有機酸類物質對甜瓜的化感效應可能和其體內的過氧化氫水平有較高的相關性。

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