外源添加巨桉兩種揮發性化合物對受體植物萌發、生長及四種生理指標的影響

李金金, 張健, 余俊里, 湯智群, 王春子, 張丹桔

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外源添加巨桉兩種揮發性化合物對受體植物萌發、生長及四種生理指標的影響

李金金, 張健, 余俊里, 湯智群, 王春子, 張丹桔*

四川農業大學生態林業研究所, 林業生態工程省級重點實驗室, 成都 611130

在前期巨桉揮發性物質鑒定及其林齡效應研究的基礎上, 結合預備實驗選擇含量較高且隨林齡變化較為明顯的兩種揮發性化合物(正癸烷和2,2,4,6,6-五甲基庚烷), 研究其對受體植物(蘿卜綠豆萵苣)萌發、生長及四種生理指標的影響。結果顯示: 1)兩種化感物質對三種受體植物種子萌發均具有抑制作用, 且隨濃度升高而增強。兩物質對三種受體植物根長呈低促高抑現象且隨濃度的增加抑制作用逐漸增強。正癸烷對三種受體植物苗高具有低濃度促進高濃度抑制作用; 2,2,4,6,6-五甲基庚烷對蘿卜和萵苣苗高具有低促高抑的作用, 對綠豆苗高呈現高濃度顯著抑制作用。正癸烷對蘿卜、綠豆苗/根鮮重比隨濃度增加呈現不顯著或促進作用, 對萵苣苗/根鮮重比作用不顯著; 2,2,4,6,6-五甲基庚烷對蘿卜和綠豆的苗/根鮮重比呈現低濃度無顯著變化高濃度促進作用, 而對萵苣苗/根鮮重比影響不顯著。2)正癸烷和2,2,4,6,6-五甲基庚烷對萵苣、2,2,4,6,6-五甲基庚烷對蘿卜的SOD活性含量無顯著影響, 這兩種物質對其它受體植物的SOD、CAT活性均具有低濃度促進或影響不顯著, 高濃度時顯著抑制作用。兩物質對三種受體植物MDA含量具有低濃度抑制或無顯著變化, 高濃度促進作用。兩種化感物質對三種受體植物幼苗根系活力(TTC)均呈現低濃度促進或影響不顯著高濃度抑制作用。

巨桉人工林; 揮發性有機化合物; 種子萌發; 幼苗生長; 生理指標

1 前言

世界人工林正以每年200—300萬公頃的速度發展, 目前面積已經超過5000萬hm2。我國是人工林面積最大發展最快的國家[1–2]。桉樹是一類重要的速生優質樹種, 由于其生長速度快、輪伐期短、適應性強、用途廣等特點被世界各國大量引種, 目前已成為我國南方地區重要的速生用材林樹種[3–4]。但是, 桉樹人工林的快速發展也帶來了如生物多樣性下降、耗水耗肥、地力衰退等一些負面效應, 桉樹的化感作用備受爭議[5–10]。一些研究發現桉樹人工林生物多樣性比鄰近鄉土樹種人工林低[11–12], 桉樹不同器官水浸提液及林下土壤對幼苗生長生理指標具有顯著影響[13–14]; 但也有研究發現桉樹人工林的化感作用并不顯著, 而水分和土壤表面的硬度是影響林下種子萌發和幼苗生長的主要因子[15]。化感作用是由植物或微生物向環境釋放某些化學物質而影響自身或其它有機體(包括植物、動物、微生物)生長發育的現象[16–17]。化感物質主要通過揮發、淋溶、根系釋放和腐爛分解等4種途徑釋放到環境中[18–19]。現有桉樹人工林化感作用研究多關注植物器官及土壤水浸提液對受體植物生理作用的影響[20–21], 以萜類為主的揮發性化感物質因其揮發性和較低的水溶性很少受到關注[22–25], 這不利于桉樹人工林化感作用的客觀評價。有研究表明, 一些萜類化合物在水中具有一定的溶解度并能被土壤顆粒吸附, 能夠在土壤中積累達到有效化感濃度從而表現化感活性[26–27]。因此, 研究桉樹揮發性化合物(volatile organic compounds: VOCs)對植物的化感作用對全面揭示桉樹人工林的化感作用機制具有重要意義。前期, 我們從一個年齡序列巨桉人工林(2、4、6、8、10年)根際土壤中鑒定出38種揮發性化合物[28], 通過這些物質種類、含量與環境因子的相關性分析, 并結合預備實驗, 從中選取隨環境因子變化較顯著且對植物作用較強的2種物質(正癸烷和2,2,4,6,6-五甲基庚烷)做為外源添加物, 進行其對蘿卜()、綠豆()、萵苣() 3種植物種子萌發、幼苗生長及四種生理指標的影響研究, 為揭示巨桉人工林揮發性物質化感作用機制提供一定的理論依據。

2 材料與方法

2.1 實驗材料

前期在四川省丹棱縣楊場鎮一個年齡序列巨桉人工林(2、4、6、8、10年)根際土壤中鑒定出38種揮發性化合物, 其中相對含量較高的主要包括烷烴類、芳香酯、芳烴類及苯酚類四類化合物(表1)。選擇6種環境因子即郁閉度、土壤容重、土壤含水量、土壤有機質含量、林齡、植物多樣性指數與這些物質的種類與相對豐度進行canonical correlation analysis (CCA) 排序(附圖1)。經Monte Carlo Test檢驗, 第一排序軸和其余所有排序軸均顯著。由表2, 土壤容重和郁閉度與第一、二排序軸顯著相關, 我們將這些VOCs分為4個組, 通過分析及預備實驗, 最終初步篩選出8種(正辛烷、十一烷、正癸烷、3-甲基-庚烷、2,4-二甲基庚烷, 3,3-二甲基庚烷, 2,2,4,6,6-五甲基庚烷, 2,4-二叔丁酚)對植物有影響的化合物。本研究選擇其中作用較為明顯的2種(正癸烷和2,2,4,6,6,-五甲基庚烷)化合物作為外源添加VOCs。正癸烷、2,2,4,6,6-五甲基庚烷(純度99%)購于GENERISE公司。供試種子蘿卜()、綠豆()、萵苣()購買于成都市溫江區種子零售點。

表1 一個年齡序列巨桉人工林根際土壤中的揮發性化學物質組成

圖1 巨桉人工林根際土壤中揮發性化合物與環境因子CCA分析

表2 環境因子與排序軸的相關性

2.2 實驗方法

種子萌發及幼苗生長: 挑選色澤、大小、飽滿度一致的三種受體植物的種子, 經0.15% 的高錳酸鉀溶液消毒2 h, 用蒸餾水沖洗干凈, 均勻放在已消毒且放有3層濾紙的培養皿(直徑10 cm)中, 由于不同受體的種子大小不同, 其中蘿卜種子放置100粒, 綠豆種子放置30粒, 萵苣種子放置100粒。通過預實驗設定預制濃度(表3), 添加相應體積的正癸烷、2,2,4,6,6-五甲基庚烷至放有受體種子的培養皿中, 每個處理3次重復, 迅速用封口膜封口以防止揮發。將培養皿置于(25±1)℃的恒溫培養箱中培養, 濕度保持在60%—70%, 萌發周期為7 天, 當胚根突破種皮則認為已萌發。

2.3 指標測定

記錄萌發的種子數。采用微尺法測定根長, 苗高; 用稱重法測定苗根鮮重比。

表3 兩種揮發性化合物對受體植物的預制濃度

注: CK為對照。

生理指標的測定: 各生理指標除根系活力(TTC)以外均采用南京建成生物研究所提供的試劑盒測定。超氧化物歧化酶(SOD)活力測定采用黃嘌呤氧化酶-羥胺法[29]。丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸比色法測定[30]。過氧化氫酶(CAT)采用紫外吸收法測定[31]。根系活力采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法測定[32]。

2.4 數據處理

數據處理按文獻(Williamson and Richardson, 1988)[33]進行,采用響應指數()表示化感作用的強弱。

=1-/當≥時

=/-1 當＜時

其中為對照,為處理值;＜0為抑制,＞0為促進,絕對值大小與作用強度一致。各指標數據均為平均值±標準差, 首先對各指標進行方差齊次性檢驗, 而后采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和Tukey多重比較進行揮發性物質濃度對形態及生理指標的差異顯著性分析, 顯著水平為0.05。所有數據均采用SPSS 17.0統計軟件和Origin 8.0軟件分析和繪制。

3 結果與分析

3.1 植物萌發、生長指標及化感指數

由表4可知, 正癸烷對蘿卜()的萌發率呈現隨濃度增加而增強的抑制作用, 但C3-C4濃度間差異不顯著, 對綠豆()和萵苣()的萌發率在C2濃度時有所促進, 此后隨濃度增加呈顯著增強的抑制作用, 但C3-C4濃度間無顯著差異。隨濃度的增加, 正癸烷對蘿卜根長在C1濃度時有促進作用, 此后呈現隨濃度增加而增強的抑制作用; 對蘿卜苗高隨濃度呈現減弱的促進作用; 對蘿卜的苗/根鮮重比呈現C1-C4濃度作用不顯著而C5濃度時顯著促進作用。在C1-C3濃度時對綠豆根長、苗高和苗/根鮮重比作用不顯著, 此后呈現顯著抑制作用。對萵苣根長C1-C4時顯著促進而C5濃度時表現為顯著抑制作用; 對萵苣苗高C1-C3濃度呈促進作用此后為顯著增強的抑制作用; 對萵苣苗/根鮮重比在各濃度均無顯著影響。

由表5可知, 隨處理濃度的增加, 2,2,4,6,6-五甲基庚烷對受體植物種子萌發率均呈現抑制作用, C5濃度時抑制作用最強。2,2,4,6,6-五甲基庚烷對蘿卜根長的影響表現為隨濃度升高顯著降低; 對蘿卜苗高C1-C3濃度時呈現逐漸減弱的顯著促進作用此后則為增強的抑制作用; 對蘿卜苗/根鮮重比均呈現促進作用。對綠豆根長呈現C1、C2濃度時無顯著變化此后顯著降低作用, 但C3-C5濃度間無顯著變化; 對綠豆苗高則呈現C1濃度時無變化此后為增強的抑制作用, 但C3-C5濃度間差異不顯著; 對綠豆苗/根鮮重比具有隨濃度增強的促進作用但C1-C3各濃度間變化不顯著。對萵苣根長表現為C1-C3濃度時顯著促進此后顯著抑制作用; 對萵苣苗高表現為C1-C3無差異C4促進C5抑制作用; 對萵苣苗/根鮮重比在各濃度均無顯著影響。

3.2 植物生理指標及化感指數

3.2.1 不同濃度正癸烷對受體植物SOD、CAT、MDA和TTC及化感指數的影響

由圖1和2可知, 正癸烷對蘿卜幼苗SOD活性C1-C4濃度時無顯著變化此后顯著降低; 對蘿卜CAT活性在C1-C3濃度呈減弱的促進作用此后為>抑制作用; 對蘿卜MDA含量在C1-C3濃度時呈減弱的抑制作用此后為顯著促進作用; 對蘿卜根系活力在C2-C3濃度時顯著促進, 此后呈現不顯著或抑制作用。對綠豆幼苗SOD活性C1-C3濃度為減弱的促進作用此后呈增強的抑制作用; 對綠豆CAT活性在C1-C3濃度時無顯著影響但C4-C5濃度時呈顯著抑制作用; 對綠豆MDA含量在各濃度均為促進作用; 對綠豆根系活力呈現低濃度促進(C1和C3)高濃度抑制(C4-C5)作用。對萵苣幼苗SOD活性無顯著變化; 對萵苣CAT活性呈現C1-C3濃度無顯著影響此后抑制作用增強; 對萵苣MDA含量表現為低濃度(C1-C3)影響不顯著此后呈促進作用, 對萵苣根系活力呈低濃度(C1-C3)影響不顯著高濃度抑制作用。

表4 正癸烷不同濃度處理對植物萌發率、生長指標的影響及其化感作用指數

注: 同列字母后不同小寫字母表示同一受體植物在不同濃度處理時的差異顯著性, 字母不同表示差異顯著(<0.05),下同。

表5 2,2,4,6,6-五甲基庚烷不同濃度處理對植物萌發率、生長指標及其化感作用指數

圖1 不同濃度正癸烷對受體植物SOD、CAT、MDA和TTC的影響。不同字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。

圖2 不同濃度正癸烷對受體植物SOD、CAT、MDA和TTC化感指數的影響

3.2.2 不同濃度2,2,4,6,6-五甲基庚烷對受體植物SOD、CAT、MDA和TTC及化感指數的影響

由圖3和4可知, 2,2,4,6,6-五甲基庚烷對蘿卜幼苗SOD活性C1-C3濃度時顯著促進此后呈抑制作用; 對蘿卜CAT活性在各濃度均為抑制作用, 但各濃度間無顯著差異; 對蘿卜MDA含量C1-C2濃度顯著抑制此后呈逐漸增強的促進作用; 對蘿卜根系活力呈現C1-C3濃度顯著促進此后為不顯著的抑制作用。對綠豆幼苗SOD活性C1-C3濃度為逐漸減弱的促進作用此后作用不顯著; 對綠豆CAT活性C1-C3濃度時顯著促進此后呈顯著抑制作用; 對綠豆MDA含量在各濃度均呈促進作用; 對綠豆根系活力C1-C3濃度時顯著促進此后為逐漸增強的抑制作用。對萵苣幼苗SOD活性在C1濃度時顯著促進, 其余各濃度均呈現抑制作用; 對萵苣CAT活性呈現隨濃度增加逐漸增強的抑制作用; 對萵苣MDA含量在各濃度均表現為促進作用; 對萵苣根系活力在C1、C3濃度呈促進作用, 其余各濃度均為抑制作用, 且隨濃度增加抑制作用逐漸增強。

圖3 不同濃度2,2,4,6,6-五甲基庚烷對受體植物SOD、CAT、MDA和TTC的影響

圖4 不同濃度2,2,4,6,6-五甲基庚烷對受體植物SOD、CAT、MDA和TTC化感指數的影響

4 討論

桉樹的主要器官如樹葉、樹皮、樹根以及其它器官都會產生一些揮發性化感物質, 這些揮發性化感物質通過揮發、雨霧淋溶及土壤顆粒吸附等途徑進入土壤后, 會在土壤生物和非生物因子作用下影響植物生長[34–35]。目前有關桉樹人工林揮發性化感物質研究局限在以空氣為載體對其他植物的直接作用, 根際土壤中揮發性化感物質對植物的化感作用研究還十分少見[36–37]。前期研究發現, 一個年齡序列巨桉人工林(2、4、6、8、10年)根際土壤中共存在由巨桉產生的38種揮發性單萜化合物, 通過其年齡效應分析及預備實驗, 從中選取兩種作用較強的物質即正癸烷、2,2,4,6,6-五甲基庚烷, 進行外源添加這兩種物質對受體植物生長和生理指標的影響。發現這兩種物質對受體植物種子萌發率有抑制作用且表現濃度效應, 對三種受體植物生長及生理指標有不同程度的影響。

本研究中, 正癸烷、2,2,4,6,6-五甲基庚烷對受體植物萌發率均有顯著抑制作用。化感物質對植物種子萌發的抑制作用主要是由于化感物質影響了種子萌發所需要的關鍵酶以及細胞分裂, 使種子萌發過程中缺乏必須的能量以及合成代謝所需的中間產物從而抑制其萌發; 此外, 化感物質能夠改變萌發時種皮的滲透性以及種子的吸水作用影響其萌發[38–39]。正癸烷對蘿卜苗高呈促進作用; 對綠豆和萵苣苗高在高濃度(C4, C5)時呈顯著抑制作用; 2,2,4,6,6-五甲基庚烷對蘿卜和萵苣苗高呈現低促高抑的作用, 對綠豆苗高呈現高濃度抑制作用。隨濃度增加, 兩物質對受體植物根長的作用強于苗高, 且均呈現低促高抑現象。以往研究發現揮發性萜類化合物能抑制根部細胞分裂和伸長, 從而抑制胚根和下胚軸的伸長, 這是由于幼根是最初接觸到化感物質的部位, 化感物質對其抑制作用可能更強[40–41]。和以往多數研究的結果一樣, 研究發現, 兩物質對受體植物根長和苗高均呈現低濃度促進, 而當濃度達到一定水平時則對植物生長有抑制作用[42]。“低促高抑”是植物化感作用常見現象之一, 然而機理尚不清晰, 這種現象可能和低濃度下光合組織資源分配有關, 低濃度的化感物質可能激發活性氧分子的產生, 使細胞壁松弛從而促進生長。植株幼苗的鮮重比可以反映根系吸收水分及幼苗通過光合作用積累光合產物的多少, 且對外界脅迫較為敏感[43]。本研究中, 正癸烷對蘿卜苗/根鮮重比呈現促進作用或作用不顯著, 對綠豆呈現促進作用, 對萵苣苗/根鮮重比作用不顯著; 2,2,4,6,6-五甲基庚烷對蘿卜和綠豆的苗/根鮮重比呈現高濃度時促進, 而對萵苣苗/根鮮重比影響不顯著。這可能是由于相對于地上部分, 根部對化感物質反應更為敏感, 當根部受害使得水分和養分不能正常供給時導致地上部分生長受到抑制, 幼苗和胚根對化感物質的不同步反應可能是苗/根鮮重比反應不敏感的主要原因。

為了探究上述現象的原因, 進一步測定了受體植物幼苗體內超氧化物歧化酶(SOD)及過氧化氫酶(CAT)活性、丙二醛(MDA)含量、根系活力(TTC)的變化。植株在正常情況下, 體內活性氧處于動態平衡狀態, 當植物受到傷害的時候, 植物細胞內活性氧自由基代謝失衡進而引起自由基積累和膜脂過氧化, 使膜系統結構和功能受到傷害[44]。SOD、CAT是植物細胞中清除活性氧, 保護細胞的重要酶系統。本實驗中, 正癸烷和2,2,4,6,6-五甲基庚烷對萵苣、2,2,4,6,6-五甲基庚烷對蘿卜的SOD含量無顯著作用, 這兩種物質對其他受體的SOD、CAT活性均呈現低濃度影響不顯著或促進, 高濃度顯著抑制。兩物質對受體植物MDA呈現低濃度抑制或無顯著變化, 高濃度促進。這可能是低濃度的化感物質刺激了植物體內的抗氧化系統, 從而使植物體內的SOD、CAT酶活性升高, 從而清除幼苗體內的O2-, 降低膜脂過氧化的傷害, 以至于MDA的含量在低濃度時出現下降趨勢。MDA作為膜脂過氧化的最終分解產物之一, 其含量高低指示脂質過氧化強度和膜系統的傷害程度[45]。但當濃度增大時, O2-含量增加使幼苗受害嚴重, 體內MDA含量也因此增加。幼苗體內的保護性酶不足以清除幼苗體內的O2-, 造成膜脂過氧化傷害加劇, 膜透性增強, MDA合成量急劇增加, 進而導致幼苗生長代謝及生理功能出現紊亂, 誘使幼苗的萌發率以及根長, 苗高較對照受到顯著的抑制作用。根系活力(TTC)是根系生長和代謝強度的綜合反映, 與養分吸收能力密切相關[46]。本研究表明兩種化感物質對受體植物幼苗根系活力呈現低濃度促進或影響不顯著高濃度抑制的現象, 在高濃度時導致受體植物幼苗根系活力降低, 這可能是化感物質干擾了根系的物質能量代謝, 從而不利于植株對養分的吸收, 實驗中也觀察到高濃度脅迫下植物根部呈現淺褐色中毒癥狀, 側根和須根數量和長度急劇減少的現象。

5 結論

巨桉產生并在土壤中積累的兩種揮發性化合物即正癸烷、2,2,4,6,6-五甲基庚烷對三種受體植物的萌發率均呈隨濃度增加而增強的抑制作用; 正癸烷對三種受體植物苗高呈低促高抑作用, 2,2,4,6,6-五甲基庚烷對三種受體植物苗高呈現低濃度影響不顯著或促進高濃度抑制作用; 兩物質對三種受體植物根長均呈現低促高抑現象; 兩物質對蘿卜、綠豆苗/根鮮重比呈現不顯著或促進作用, 而對萵苣苗/根鮮重比影響不顯著。正癸烷和2,2,4,6,6-五甲基庚烷對萵苣, 2,2,4,6,6-五甲基庚烷對蘿卜的SOD活性無顯著影響, 而這兩種物質對其它受體植物的SOD、CAT活性均呈現低濃度影響不顯著或促進而高濃度顯著抑制現象; 兩物質對三種受體植物MDA含量呈現低濃度抑制或無顯著變化高濃度時促進作用; 對受體植物根系活力均呈現低濃度促進或影響不顯著高濃度抑制作用。前期研究發現, 一個年齡序列(1-10年))巨桉人工林植物多樣性在4年左右降低此后隨林齡升高, 本研究說明巨桉產生的揮發性化感物質可能是植物多樣性降低的原因之一。但在自然條件下, 化感物質的活性濃度會受到多種環境因素的影響, 本研究巨桉人工林所處樣地降雨較為豐沛, 可能會對這些物質化感活性的發揮有所緩解。

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Effects of two exogenously added volatile compounds fromplantations on seed germination, seedling growth and four physiological indexes of target plants

LI Jinjin, ZHANG Jian, YU Junli, TANG Zhiqun, WANG Chunzi, ZHANG Danju*

Institute of Ecology and Forestry, Key Laboratory of Ecological Forestry Engineering in Sichuan Province, Sichuan Agricul-tural University, Chengdu 611130, China

On the basis of identification of volatile compounds across a range ofplantation ages and through preliminary experiments, two volatile compounds (Decane and 2,2,4,6,6-Pentamethyl-heptane) were selected to evaluate their effects on the seed germination, seedling growth and four physiological indexes of three target plants (,,). The results showed that the two volatile compounds exerted inhibitory effects on the seed germination of three target plants, and the inhibitory effects were strengthened with the increasing concentrations. The roots length was stimulated at lower dose but was inhibited at higher concentrations, and the effects were strengthened with the increasing concentrations. The shoot heightof three target plants under the treatment of decane was stimulated at lower concentrations, and was inhibited at higher dose. Under 2,2,4,6,6-pentamethyl-heptane treatment, the shoot height ofandwas stimulated at lower concentrations and was inhibited at the higher concentrations, but that ofwas inhibited significantly at the higher concentrations. There were no obvious effects of 2,2,4,6,6-pentamethyl-heptane on the seedling/root fresh weight ratio ofandat lower concentration but represented significantly stimulative effects at higher concentrations, but the effect on seedling/root fresh weight ratio ofwas not obvious with the increasing concentrations. 2) The SOD activities ofunder the treatments of decane and 2,2,4,6,6-Pentamethyl-heptane, and those ofunder the treatment of 2,2,4,6,6-Pentamethyl-heptane were not significantly changed with the increasing concentrations. All the other treatments stimulated or represented no significant effects on the SOD and CAT activities of target plants at lower concentrations, but the two enzyme activities were inhibited at higher concentrations. The two chemicals were apparently reduced or showed no significant effects on the MDA content of target plants at lower concentrations, but stimulated at higher concentrations. The TTC contents of the three plants were promoted or not obviously affected at lower concentrations, but were inhibited at higher concentrations.

plantations; volatile organic compounds; seed germination; seedling growth; physiological index.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.06.002

Q143

A

1008-8873(2018)06-09-11

2017-11-03;

2017-12-12

國家自然科學基金項目(31300528)

李金金(1993—), 女, 河南人, 在讀碩士, 主要從事森林生態學研究, E-mail: jjl_0907@126.com

張丹桔, 女, 博士, 副研究員, 主要從事森林生態學研究, E-mail: zdj_8080573@sohu.com

李金金, 張健, 余俊里, 等. 外源添加巨桉兩種揮發性化合物對受體植物萌發、生長及四種生理指標的影響[J]. 生態科學, 2018, 37(6): 9-19.

LI Jinjin, ZHANG Jian, YU Junli, et al. Effects of two exogenously added volatile compounds fromplantations on seed germination, seedling growth and four physiological indexes of target plants[J]. Ecological Science, 2018, 37(6): 9-19.