自毒物質(zhì)肉桂酸對豌豆幼苗生長及葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?/h1>

2013-05-21 02:13:32旭張古文胡齊贊徐盛春龔亞明

中國蔬菜訂閱 2013年8期 收藏

高 旭張古文胡齊贊徐盛春龔亞明

（1浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所，浙江 杭州 310021；2浙江農(nóng)林大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品科學(xué)學(xué)院，浙江 臨安 311300）

自毒作用是植物通過地上部淋溶、根系分泌和殘茬分解等途徑釋放化學(xué)物質(zhì)，進而對下茬同種或同科作物生長發(fā)育產(chǎn)生抑制的一種現(xiàn)象。自毒物質(zhì)能促進土壤病菌的生長，影響作物種子的發(fā)芽，根系的吸收能力和細胞膜透性，從而加重連作障礙。目前，已經(jīng)證實在大豆、苜蓿、西瓜、黃瓜、番茄等作物中均存在明顯的自毒作用，連作會顯著抑制其種子的萌發(fā)以及植株的生長發(fā)育（孫會軍 等，2006；張恩平 等，2010；Liu et al.，2010；陳龍 等，2011）。研究表明，導(dǎo)致作物產(chǎn)生連作障礙的自毒物質(zhì)主要是肉桂酸、苯甲酸、對羥基苯甲酸等酚類化合物，肉桂酸為其中代表物質(zhì)，它能顯著抑制植物根系生長和葉片光合色素的合成，降低根系的吸收能力、ATP酶活性、葉片對光能的吸收轉(zhuǎn)化和光合作用速率，并最終影響植株的干物質(zhì)積累（石曉艷等，2009；Liu et al.，2010）。

一般來說，豆科作物對連作敏感，重茬會顯著降低其產(chǎn)量和品質(zhì)。豌豆（Pisum sativum L.）被認為是最不耐連作的豆科作物之一（Saucke & Ackermann，2006）。目前，國內(nèi)外對豌豆自毒作用已進行了初步研究，如喻景權(quán)和松井佳久（1999）研究發(fā)現(xiàn)豌豆栽培后的培養(yǎng)液對下茬豌豆幼苗生長具有顯著的抑制作用，并從豌豆根系分泌物中鑒定出以肉桂酸、苯甲酸為代表的多種自毒物質(zhì)。但有關(guān)豌豆自毒作用的研究仍停留在對自毒作用的論證與自毒物質(zhì)的分離上，有關(guān)外源自毒物質(zhì)對其生長發(fā)育的影響鮮見報道。本試驗以極不耐連作的豌豆品種新西蘭為試材，研究了外源肉桂酸對其幼苗生長發(fā)育以及葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊懀云跒橥愣棺远咀饔醚芯康纳钊朐黾永碚摶A(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院楊渡科研創(chuàng)新基地玻璃溫室內(nèi)進行。2010、2011年對保存的豌豆種質(zhì)資源進行連作抗性鑒定，篩選出極不耐連作品種新西蘭（新西蘭引進）。2012年春季，將種子直接播種于32孔穴盤，基質(zhì)為蛭石，出苗后澆1/4濃度園試營養(yǎng)液（EC值為0.61dS·m-1）。當(dāng)幼苗長到4片真葉時，移栽于長45cm、寬30cm、高15cm的塑料周轉(zhuǎn)箱中進行水培，用白色泡沫板做成蓋子，在泡沫板上面打8個直徑1.5cm的圓孔，用海綿包裹幼苗下胚軸，然后植入孔中，每箱栽8株，盛12 L營養(yǎng)液。最初用1/4濃度園試營養(yǎng)液進行栽培，7d后換成1/2濃度園試營養(yǎng)液（EC值為1.26dS·m-1），此后保持此濃度，每3d更換1次營養(yǎng)液，栽培期間用電動氣泵間歇性通氣（40min·h-1），維持溶氧濃度為6～8mg·L-1。

1.2 試驗方法

當(dāng)幼苗長到6片真葉時，將肉桂酸溶于酒精中，然后將肉桂酸酒精溶液加入營養(yǎng)液中，根據(jù)預(yù)備試驗結(jié)果，最終處理濃度為0.25mmol·L-1，以不加肉桂酸酒精溶液栽培的幼苗為對照。每處理16株，3次重復(fù)，隨機排列。

1.3 測定項目

1.3.1 株高、莖粗及生物量的測定 處理后第8天，每處理取15株，用直尺測量株高，用游標卡尺測定莖粗（根莖部往上0.5cm處），收集植株地上部稱其鮮質(zhì)量，用去離子水洗凈、吸干后放入烘箱115 ℃殺青15min，之后75 ℃下烘干至恒質(zhì)量，稱其干質(zhì)量。

1.3.2 葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定 在處理后第0、2、4、6、8天，用PAM-2000便攜式脈沖調(diào)制式葉綠素?zé)晒鈨x測定葉綠素?zé)晒鈪?shù)。分別選取自上往下數(shù)第4片健康成熟葉片的中部，避開葉脈取左或右半部進行測定，每處理取3個葉樣。每次測定前葉片進行暗適應(yīng)20min，先用弱檢測光測定初始熒光，隨后照射飽和脈沖光（4500μmol·m-2·s-1），進行相關(guān)參數(shù)的測定（光通量密度600μmol·m-2·s-1，PAR）。Fv/Fm、ΦPSⅡ、qP、NPQ的值由DE-TACH軟件直接讀出。

1.3.3 光合參數(shù)的測定 光合參數(shù)采用LI-6400便攜式光合儀進行測定。在處理后第0、2、4、6、8天，分別選取自上往下數(shù)第4片健康成熟葉片的中部進行測定，每處理取3個葉樣。測定條件：開放式氣體通路，流速為500mL·min-1，上午9：30～11：30讀取數(shù)據(jù)，測定期間的空氣溫度為（26.0±3.0）℃，大氣相對濕度為50%～70%，空氣CO2濃度約為300μmol·mol-1。

1.3.4 葉綠素含量的測定 分別在處理后第0、2、4、6、8天，選取自上往下數(shù)第4片健康成熟葉片的中部，用直徑0.7cm的打孔器每片葉取3個圓片，3次重復(fù)。葉綠素含量測定參照楊敏文（2002）的方法，類胡蘿卜素含量的測定參照朱廣廉等（1990）的方法。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel軟件進行數(shù)據(jù)處理，采用SPSS 11.5軟件進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源肉桂酸對豌豆幼苗生物量的影響

由表1可以看出，肉桂酸對豌豆幼苗具有顯著的毒害作用。0.25mmol·L-1外源肉桂酸處理8d后，豌豆幼苗的株高、莖粗、地上部鮮質(zhì)量和地上部干質(zhì)量分別比對照下降了26.67%、10.43%、32.02%和43.75%。另外，0.25mmol·L-1外源肉桂酸處理的植株干物率也顯著低于對照，表明肉桂酸對豌豆幼苗的生長發(fā)育具有顯著的抑制作用。

表1 外源肉桂酸對豌豆幼苗生物量的影響

2.2 外源肉桂酸對豌豆幼苗光合色素含量的影響

光合色素中葉綠素在植物的光能吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化過程中起重要作用，葉綠素含量降低是引起光合速率降低的主要原因。由圖1可知，0.25mmol·L-1外源肉桂酸處理后，豌豆幼苗的葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量和類胡蘿卜素含量均比對照顯著降低，并隨處理時間的延長下降幅度愈加明顯；而未經(jīng)外源肉桂酸處理的豌豆幼苗葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素、類胡蘿卜素含量則處于一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，表明肉桂酸可抑制豌豆幼苗葉片光合色素的合成，并進而對其光合作用產(chǎn)生破壞。

2.3 外源肉桂酸對豌豆幼苗光合參數(shù)的影響

光合作用是植物最重要的生理過程之一，植物的生長發(fā)育與其光合性能之間存在著直接的相關(guān)性。由圖2可知，未經(jīng)肉桂酸處理時，豌豆幼苗葉片氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率和凈光合速率均變化不大；0.25mmol·L-1外源肉桂酸處理后，豌豆幼苗葉片的各項指標均明顯下降，并隨處理時間的延長下降幅度顯著增大，表明外源肉桂酸對豌豆幼苗的光合系統(tǒng)造成了明顯的破壞，導(dǎo)致其光合系統(tǒng)受損，功能下降。

2.4 外源肉桂酸對豌豆幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

圖1 外源肉桂酸對豌豆幼苗光合色素含量的影響

圖2 外源肉桂酸對豌豆幼苗光合參數(shù)的影響

如圖3所示，未經(jīng)肉桂酸處理時，豌豆幼苗PSⅡ最大光化學(xué)電子效率和實際光化學(xué)電子效率在前4d保持相對穩(wěn)定，第6天急劇降低，第8天又顯著升高；光化學(xué)猝滅系數(shù)和非光化學(xué)猝滅系數(shù)變化不明顯。0.25mmol·L-1外源肉桂酸處理后，豌豆幼苗PSⅡ最大光化學(xué)電子效率、PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)電子效率、光化學(xué)猝滅系數(shù)和非光化學(xué)猝滅系數(shù)等指標均顯著降低，并且處理時間越長，下降幅度越大，表明肉桂酸對豌豆光化學(xué)反應(yīng)中心產(chǎn)生了破壞效應(yīng)，導(dǎo)致其光能利用率降低，光合效率降低。

圖3 外源肉桂酸對豌豆幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

3 結(jié)論與討論

研究表明，光合色素尤其是葉綠素含量的降低是自毒物質(zhì)導(dǎo)致植物光合速率降低的主要原因。自毒物質(zhì)導(dǎo)致植物葉片葉綠體內(nèi)H2O2含量升高，高含量的H2O2誘導(dǎo)過氧化物酶（POD）大量合成，而POD氧化過程中產(chǎn)生的自由基可直接攻擊葉綠素；H2O2也可以直接引發(fā)脂質(zhì)過氧化，促進植物葉綠素的降解；光合作用直接發(fā)生在葉綠素類囊體膜上，葉綠素的降解必然導(dǎo)致光合速率的下降。另外，自毒物質(zhì)可降低RuBP羧化酶的活性，它是葉片進行光合作用的關(guān)鍵酶，從而導(dǎo)致光合速率的下降（Amarjeet et al.，2005）。李亮亮等（2010）的研究表明，番茄根系腐解液顯著抑制其幼苗生長，降低葉綠素a、葉綠素b以及類胡蘿卜素等光合色素含量，進而對其生長發(fā)育產(chǎn)生抑制。本試驗中，0.25mmol·L-1外源肉桂酸處理后，豌豆幼苗葉片葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素等光合色素含量均顯著下降，表明肉桂酸可抑制豌豆幼苗光合色素的合成，進而對其光合作用產(chǎn)生抑制。

Saucke 和Ackermann（2006）的研究表明，自毒物質(zhì)對植物光合作用的傷害首先體現(xiàn)在對PSⅡ活性中心的傷害上，導(dǎo)致其電子傳遞功能受阻，并進一步延伸到PSⅠ，最終導(dǎo)致其凈光合速率下降。另外，自毒物質(zhì)可使植物葉片qP降低，降低其光能利用率，使光能以熱能的形式耗散，促進qN上升，降低實際光化學(xué)量子產(chǎn)額，抑制 PSⅡ復(fù)合體間的電子傳遞（馬彥霞 等，2012）。本試驗中，0.25mmol·L-1外源肉桂酸處理后，豌豆幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fm、ΦPSⅡ、qP、qN均呈不同程度的下降，表明肉桂酸可以使豌豆幼苗PSⅡ活性中心受損，光能利用率降低。

凈光合速率是光合作用的重要指標，也是影響植物生物量積累的重要因素（胡文海和喻景權(quán)，2001）。據(jù)報道，番茄根系腐解液處理可顯著降低番茄植株氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）、蒸騰速率（Tr）等指標，導(dǎo)致其光合速率下降（李亮亮 等，2010）。周凱等（2009）的研究表明，菊花根際土壤水浸液處理可顯著抑制菊花葉片Gs、Ci和Tr等生理代謝活動，同時其暗呼吸速率卻顯著升高，進而導(dǎo)致其凈光合速率（Pn）下降，干物質(zhì)積累受限。吳秀華等（2012）的研究也發(fā)現(xiàn)，自毒物質(zhì)可顯著抑制菊苣葉片氣孔的開放和蒸騰速率，導(dǎo)致其水分和氣體擴散受阻，凈光合速率下降。本試驗中，外源肉桂酸顯著抑制豌豆幼苗葉片Gs、Ci、Tr等光合作用指標，導(dǎo)致其凈光合速率降低，干物質(zhì)積累受限。

綜上所述，外源肉桂酸處理可使豌豆幼苗體內(nèi)PSⅡ潛在活性中心受損，氣孔開放受到抑制，導(dǎo)致其水分擴散和氣體交換受阻，光合作用效率降低，并最終對其生長發(fā)育產(chǎn)生抑制作用。

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中國蔬菜2013年8期

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