小麥秸稈有機酸組分的GC-MS分析及其對牛筋草的化感效應(yīng)

劉小民，許賢，李秉華，王貴啟，張煥煥

（河北省農(nóng)林科學院糧油作物研究所，河北石家莊050035）

小麥秸稈有機酸組分的GC-MS分析及其對牛筋草的化感效應(yīng)

劉小民，許賢，李秉華，王貴啟*，張煥煥

（河北省農(nóng)林科學院糧油作物研究所，河北石家莊050035）

有機酸類化合物是重要的化感活性物質(zhì)之一，為了明確小麥秸稈中有機酸類化合物的組分及其對牛筋草的化感效應(yīng)，探討其對牛筋草的化感作用機理，利用GC-MS方法對小麥秸稈不同部位的有機酸組分進行了定性和定量分析，結(jié)果表明，從小麥秸稈中共鑒定出22種有機酸組分，包含15種飽和脂肪酸、4種不飽和脂肪酸和3種酚酸，其中，從莖部鑒定出的有機酸種類最多，有17種，從穗部和根部各鑒定出11種。對水溶性有機酸的進一步分析結(jié)果表明，阿魏酸、檸檬酸、肉桂酸是小麥秸稈中含量較高的3種有機酸組分。利用室內(nèi)生物測定法研究了外源有機酸標準品對牛筋草種子萌發(fā)及幼苗生長的影響，結(jié)果表明，阿魏酸和檸檬酸均對牛筋草種子萌發(fā)及胚軸生長具有“低促高抑”的濃度效應(yīng)，肉桂酸對牛筋草種子萌發(fā)及胚根生長始終表現(xiàn)抑制作用，并且3種有機酸對牛筋草胚根生長的抑制作用顯著高于胚軸。

小麥秸稈；GC-MS；有機酸；牛筋草；化感作用

黃淮海地區(qū)是典型的小麥-玉米兩熟制種植區(qū)，秸稈還田模式在該地區(qū)應(yīng)用相當普遍。小麥經(jīng)過聯(lián)合收割機收獲之后，秸稈得以粉碎還田，還田秸稈在土壤中經(jīng)過水分淋溶或微生物腐解，化感物質(zhì)得以釋放，從而影響雜草種子的萌發(fā)及幼苗生長[1，2]。研究發(fā)現(xiàn)，小麥秸稈水浸提液對牽牛花、稗草、黑麥草、牛筋草、白茅等多種雜草，甚至一些抗藥性雜草種子的萌發(fā)及生長具有抑制作用[3～5]。

化感物質(zhì)根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，可分為水溶性有機酸、直鏈醇、脂肪族醛和酮，簡單不飽和內(nèi)脂，長鏈脂肪酸和多炔，醌類，苯甲酸及其衍生物，肉桂酸及其衍生物，香豆素類，類黃酮類，單寧，類萜和甾類，氨基酸和多肽，生物堿和氰醇，硫化物和芥子油苷，嘌呤和核苷，計14類[6～8]。迄今發(fā)現(xiàn)的化感物質(zhì)以有機酸、酚類及萜類化合物為主[9，10]。研究表明，有機酸類化合物對雜草種子萌發(fā)及幼苗生長具有化感作用。董立堯等[11]研究了揚麥158秸稈中的有機酸、生物堿、酚類及中性物質(zhì)對千金子的化感作用，發(fā)現(xiàn)這4類物質(zhì)中有機酸類物質(zhì)對千金子萌發(fā)的抑制率最高。劉蘇閩等[12]利用室內(nèi)生物測定及GC-MS方法鑒定出油菜莖和根的水浸提液中抑制千金子種子萌發(fā)的化感物質(zhì)為有機酸，主要成分有油酸、棕櫚酸、芥酸等7種。賈春虹[13]研究表明，小麥秸稈水浸提液對反枝莧、稗草、苘麻的幼苗生長具有顯著的抑制作用，HPLC分析其主要的化感物質(zhì)為對羥基苯甲酸、香草酸、阿魏酸和肉桂酸。

前期研究結(jié)果表明，小麥秸稈水浸提液對牛筋草種子的萌發(fā)及幼苗生長具有一定的化感作用，并且秸稈不同部位水浸提液對牛筋草的化感作用不同。作者利用GC-MS方法對小麥秸稈不同部位中有機酸類化感物質(zhì)進行定性和定量分析，并利用外源有機酸標準品對牛筋草種子萌發(fā)及幼苗生長進行生物測定，旨為明確小麥秸稈的控草作用機理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

參試小麥品種為冀豐703，秸稈樣品采自河北省農(nóng)林科學院糧油作物研究所堤上試驗站。牛筋草種子采集于河北省農(nóng)林科學院糧油作物研究所堤上試驗站的田間。

1.2 試驗方法

1.2.1 甲酯化及萃取分別準確稱取小麥秸稈穗部、莖部和根部樣品各1 g，置于100 mL具塞的錐形瓶中，加入12.5%硫酸甲醇溶液50 mL，混勻后放入35℃的水浴搖床中恒溫振蕩（轉(zhuǎn)速120 r/min），酯化24 h；濾去殘渣，將濾液倒入盛有40 mL蒸餾水的分液漏斗中，分別用20 mL二氯甲烷萃取3次，萃取液中加入無水硫酸鈉10 g干燥過夜；最后，把二氯甲烷萃取液在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器上濃縮至適量，定容至5 mL。

1.2.2 GC-MS分析將甲酯化的產(chǎn)物1滋L注入Thermo DSQ II氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀，載氣為氦氣，脈沖分流進樣；分流比5∶1，HP-5MS毛細管柱（30 m× 0.25 mm×0.25滋m）。進樣口溫度250℃，色譜柱初始溫度60℃，保持2 min；升溫速率10℃/min；終止溫度240℃，保持20 min。電離方式EI，電離能量70 eV，離子源溫度220℃，掃描范圍45～550 amu。得到分離后的總離子流圖和各組分質(zhì)譜圖。使用NIST譜庫進行圖譜檢索，并使用面積歸一化法計算各種物質(zhì)的相對含量。

1.2.3 有機酸對牛筋草種子萌發(fā)及幼苗生長的影響參照王璞等[14]的方法，將水溶性有機酸阿魏酸、肉桂酸、檸檬酸分別設(shè)750.0、500.0、250.0、125.0、62.5 mg/L計5個濃度梯度。選取飽滿、大小一致的牛筋草種子，均勻擺放于鋪有濾紙的的培養(yǎng)皿（直徑9 cm）中，每個培養(yǎng)皿中放50粒種子，滴加有機酸處理液5 mL，以蒸餾水處理作為對照（CK），每個處理均3次重復(fù)。用Parafilm封口膜將培養(yǎng)皿密封，然后置于28℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。5 d后，統(tǒng)計牛筋草種子的發(fā)芽率。參照上述方法，選取28℃催芽36 h、露白一致的雜草種子20粒進行室內(nèi)生物測定，培養(yǎng)7 d后，分別測量牛筋草幼苗的高度及根長。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

試驗數(shù)據(jù)均采用Microsoft Excel 2010和SPSS 17.0軟件進行統(tǒng)計分析，利用Duncan’s法進行單因素差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥秸稈有機酸組分的GC-MS分析

通過與NIST譜庫中的標準物質(zhì)進行匹配，篩選得到一些匹配度較高的化合物。結(jié)果（表1）顯示，從小麥秸稈中共鑒定出22種有機酸組分，其中，飽和脂肪酸15種，不飽和脂肪酸4種，酚酸3種；而且，小麥秸稈不同部位的有機酸類化合物組分有較大差異。從小麥秸稈莖部鑒定出的有機酸類組分最多，共有17種，其中，檸檬酸相對含量最高，為24.81%；其次是阿魏酸，相對含量為15.69%。從小麥秸稈穗部鑒定出的有機酸類組分有11種，其中，亞油酸相對含量最高，為22.98%；其次是棕櫚酸，相對含量為17.92%。從小麥秸稈根部鑒定出的有機酸組分有11種，其中，阿魏酸相對含量最高，為20.01%；其次是棕櫚酸，相對含量為11.83%。水溶性是化感物質(zhì)能在自然條件下顯示化感效應(yīng)的重要因素，雨霧淋溶是植物中的化感物質(zhì)釋放至外界環(huán)境中的有效途徑之一[6]。對小麥秸稈中的水溶性有機酸組分進行進一步分析，結(jié)果顯示，水溶性有機酸類化感物質(zhì)阿魏酸、檸檬酸在小麥秸稈穗部、莖部和根部均能被檢測到，其中，阿魏酸的相對含量分別為2.89%、15.69%及20.01%，檸檬酸的相對含量分別為5.48%、24.81%及3.75%；肉桂酸僅在小麥秸稈穗部被檢測到，相對含量為8.41%。

表1 小麥秸稈不同部位有機酸組分的GC-MS鑒定結(jié)果Table1 GC-MS analysis results of organic acids contents in different segments of wheat straw

2.2 有機酸對牛筋草種子萌發(fā)及幼苗生長的影響

2.2.1 對牛筋草種子萌發(fā)的影響不同濃度的阿魏酸、肉桂酸、檸檬酸處理，對牛筋草種子發(fā)芽率的影響明顯不同（表2）。阿魏酸和檸檬酸處理對牛筋草種子發(fā)芽率的影響均表現(xiàn)出低濃度促進、高濃度抑制的作用趨勢，其中，62.5 mg/L濃度處理時，牛筋草種子的發(fā)芽率分別較CK提高7.4%和4.9%，表現(xiàn)出明顯的促進作用；隨著處理濃度的增大，牛筋草種子的發(fā)芽率逐漸降低，750 mg/L濃度處理時牛筋草種子的發(fā)芽率僅分別為9.9%和34.0%，表現(xiàn)出明顯的抑制作用。肉桂酸在參試劑量下對牛筋草種子發(fā)芽始終表現(xiàn)為抑制作用，其中，62.5 mg/L濃度處理時，牛筋草種子的發(fā)芽率僅為30.3%，與CK差異達到了顯著水平；濃度≥250 mg/L時，牛筋草種子的發(fā)芽率均為0，完全抑制了牛筋草種子萌發(fā)。

2.2.2 對牛筋草幼苗生長的影響阿魏酸、肉桂酸、檸檬酸處理對牛筋草胚軸和胚根生長的影響明顯不同，但均表現(xiàn)為對牛筋草胚根生長的抑制作用明顯大于胚軸（表3）。3種有機酸在參試劑量下，對牛筋草胚根生長均表現(xiàn)出明顯的抑制作用，且這種抑制作用隨著處理濃度的增大而逐漸增強，其中，阿魏酸、肉桂酸、檸檬酸62.5 mg/L濃度處理時，對牛筋草胚根長度的抑制率分別為21.6%、74.2%和26.2%，胚根長度與CK差異均達到了顯著水平；阿魏酸處理濃度≥500 mg/L、肉桂酸處理濃度≥125 mg/L、檸檬酸處理濃度為750 mg/L時，牛筋草胚根停止生長，抑制率達到100%。3種有機酸對牛筋草胚軸生長的影響與對胚根生長的影響不同，表現(xiàn)出明顯的“低促高抑”效應(yīng)。阿魏酸、肉桂酸、檸檬酸62.5 mg/L濃度處理對牛筋草胚軸生長均表現(xiàn)出明顯的促進作用，胚軸長度分別較CK增加了60.6%、12.7%和129.6%；濃度為125 mg/L時，即對牛筋草胚軸生長表現(xiàn)為抑制作用，且這種抑制作用隨著處理濃度的增大而逐漸增強，其中，阿魏酸和檸檬酸處理濃度為750 mg/L、肉桂酸處理濃度≥250 mg/L時，牛筋草胚軸停止生長，抑制率達到100%。

表2 參試有機酸對牛筋草種子發(fā)芽率的影響（%）Table2 Effect of organic acid on the goosegrass seed germination rate

表3 參試有機酸對牛筋草幼苗生長的影響Table3 Effect of organic acid on the goosegrass seedling growth

3 結(jié)論與討論

有機酸類化合物廣泛存在于植物體內(nèi)及根際土壤中，是非常重要的化感物質(zhì)之一。研究表明，阿魏酸、肉桂酸和檸檬酸對菟絲子、萵苣、杉木、小白菜等多種植物的種子萌發(fā)及幼苗生長具有化感效應(yīng)[15～18]。阿魏酸被普遍認為是1種對多數(shù)植物存在化感作用的水溶性有機酸類化合物，廣泛存在于小麥、水稻、黃瓜、苜蓿等植物中[19，20]。檸檬酸是植物三羧酸循環(huán)的重要中間產(chǎn)物，也是產(chǎn)生能量的重要途徑，廣泛參與種子由休眠狀態(tài)進入萌發(fā)過程和幼苗生長過程期間的各種代謝[21]。肉桂酸可以改變植物體內(nèi)的丙二醛含量、過氧化物酶活性以及葉綠素含量，從而對植物的種子萌發(fā)及幼苗生長產(chǎn)生化感作用[22，23]。

本研究結(jié)果表明，小麥秸稈中含量較高的水溶性有機酸類化合物有阿魏酸、肉桂酸和檸檬酸。小麥秸稈根、莖、穗部均能檢測到阿魏酸和檸檬酸的存在。阿魏酸和檸檬酸對牛筋草種子萌發(fā)具有“低促高抑”的濃度效應(yīng)。生物測定結(jié)果表明，外源阿魏酸、肉桂酸、檸檬酸對牛筋草胚根生長的抑制作用顯著大于胚軸。張志忠等[24]認為化感物質(zhì)在植物生長期間發(fā)揮作用，首先通過根系被植株吸收，因而其受到的影響也會較其他部分更加顯著，本研究結(jié)果與其研究結(jié)果一致。化感物質(zhì)可以影響雜草體內(nèi)的水分代謝、礦物質(zhì)吸收、光合作用等多種生理生化過程，是一個錯綜復(fù)雜的調(diào)控體系，關(guān)于小麥秸稈對牛筋草生長發(fā)育的化感作用機理還有待進一步研究。

［1］柴強，黃高寶.植物化感作用的機理，影響因素及應(yīng)用潛力［J］.西北植物學報，2003，23（3）：509-515.

［2］Bhadoria P.Allelopathy：a natural way towards weed management［J］.American Journal of Experimental Agriculture，2011，（1）：7-20.

［3］劉小民，邊全樂，李秉華，樊翠芹，許賢，王貴啟，梁雙波.小麥秸稈不同部位水浸液對牛筋草的化感作用研究［J］.中國農(nóng)學通報，2013，29（27）：58-63.

［4］Lam Y，Sze C W，Tong Y，Ng T B，Wai T C，Wen H C，Xiang Q，Lin X，Zhang Y.Research on the allelopathic potential of wheat［J］.Agricultural Sciences，2012，3（8）：979-985.

［5］趙媛，鄭永權(quán)，董豐收，姚建仁.小麥幼苗及其次生代謝產(chǎn)物丁布對雜草的異株克生活性［J］.植物保護，2005，31（3）：23-26.

［6］張學文，劉亦學，劉萬學.植物化感物質(zhì)及其釋放途徑［J］.中國農(nóng)學通報，2007，23（7）：295-297.

［7］董章杭，林文雄.作物化感作用研究現(xiàn)狀及前景展望［J］.中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報，2001，9（1）：80-83.

［8］Rice E L.Allelopathy［M］.New York：Academic Press，1974.

［9］Li ZH，Wang Q，Ruan X，Pan C D，Jiang D A.Phenolics and plant allelopathy［J］.Molecules，2010，15（12）：8933-8952.

［10］張豆豆，梁新華，王俊.植物根系分泌物研究綜述［J］.中國農(nóng)學通報，2014，30（35）：314-320.

［11］董立堯，王鳴華，武淑文，沈晉良.小麥對直播稻田千金子的化感作用及化感物質(zhì)分離鑒定［J］.中國水稻科學，2005，19（6）：551-555.

［12］劉蘇閩，王奎萍，董立堯.油菜對千金子的化感作用及其化感物質(zhì)分離鑒定［J］.雜草科學，2010，（3）：5-8.

［13］賈春虹.小麥秸稈覆蓋對玉米幼苗和馬唐等雜草的化感效應(yīng)研究［D］.北京：中國農(nóng)業(yè)大學，2005.

［14］王璞，趙秀琴.幾種化感物質(zhì)對棉花種子萌發(fā)及幼苗生長的影響［J］.中國農(nóng)業(yè)大學學報，2001，6（3）：26-31.

［15］王寧，余曉光，李衛(wèi)軍，切彩，陳景芋.四種化感物質(zhì)對苜蓿和菟絲子種子萌發(fā)及幼苗生長的影響［J］.

新疆農(nóng)業(yè)科學，2008，45（5）：875-879.

［16］李巧峽，安珂，付亞娟，周琦，趙慶芳，楊寧，孫坤.阿魏酸對萵苣幼苗根生長發(fā)育的影響［J］.蘭州大學學報：自然科學版，2013，49（5）：688-692.

［17］葉文斌，樊亮，贠漢伯.阿魏酸對甘肅道地中藥材紋黨的化感作用研究［J］.中國農(nóng)學通報，2012，28（31）：231-236.

［18］曹光球，林思祖，黃世國.阿魏酸和肉桂酸對杉木種子發(fā)芽的效應(yīng)［J］.植物資源與環(huán)境學報，2001，10（2）：63-64.

［19］王德勝.不同品種小麥化感物質(zhì)在土壤中的滯留，遷移及其活性變化研究［D］.楊凌：西北農(nóng)林科技大學，2008.

［20］趙瑞林，蔡立群.紫花苜蓿根系分泌物的鑒定及羥基苯甲酸的化感效應(yīng)研究［J］.中國農(nóng)學通報，2013，29（35）：34-41.

［21］邢素芝，汪建飛，蔡丹.檸檬酸和蘋果酸對小白菜種子萌發(fā)和細胞膜透性的影響［J］.中國農(nóng)學通報，2007，23（9）：312-316.

［22］王茹華，周寶利，張啟發(fā)，廉華，付亞文.茄子根系分泌物中香草醛和肉桂酸對黃萎菌的化感效應(yīng)［J］.生態(tài)學報，2006，26（9）：3152-3155.

［23］Ye S F，Zhou Y H，Sun Y，Zou，L Y，Yu J Q.Cinnamic acid causes oxidative stress in cucumber roots，and promotes incidence of Fusarium wilt［J］.Environmental and Experimental Botany，2006，56（3）：255-262.

［24］張志忠，孫志浩，陳文輝，林文雄.有機酸類化感物質(zhì)對甜瓜的化感效應(yīng)［J］.生態(tài)學報，2013，33（15）：4591-4598.

GC-MS Analysis of Organic Acids in Wheat Straw and Allelopathic Effects on Goosegrass

LIU Xiao-min，XU Xian，LI Bing-hua，WANG Gui-qi*，ZHANG Huan-huan
（Institute of Cereal and Oil Crops，Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences，Shijiazhuang 050035，China）

Organic acids are one of the most important allelochemicals.In order to determine the organic acids in wheat straw and evaluate its allelopathic effects on goosegrass，qualitative and quantitative analysis of organic acids in roots，stems and spikes of wheat straw were conducted using the GC-MS method.The results showed that 22 organic acids were identified，including 15 saturated fatty acids，4 unsaturated fatty acids，and 3 phenolic acids.There were 17 organic acids in stems of wheat straw，and 11 organic acids in roots and spikes，separately.Water soluble organic acids analysis showed that there were high contents of ferulic acid，cinnamic acid and citric acid in wheat straw.Results of effects of exogenous organic acid standards on the germination and seedling growth showed that ferulic acid and citric acid promoted the germination and hypocotyl growth of goosegrass at low concentrations，but inhibited it at high concentrations，but cinnamic acid always inhibited the germination and radicle growth.The inhibition effects of three organic acids on the radicle growth were obviously larger than the hypocotyl.

Wheat straw；GC-MS；Organic acids；Goosegrass（Eleusine indica）；Allelopathy

S512.1

：A

：1008-1631（2016）06-0058-04

2016-07-05

國家科技支撐計劃項目（2012BAD19B02）

劉小民（1981-），男，山東萊陽人，助理研究員，博士，主要從事雜草生態(tài)學及除草劑抗性機理研究。E-mail：xiaominliu1981@gmail.com。

王貴啟（1971-），男，河北獻縣人，研究員，主要從事農(nóng)田雜草治理研究。E-mail：wt3326@sina.com。