楊小燕, 李 立, 張 奇, 謝 琨, 李家玉, 何海斌

(1.福建農(nóng)林大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所;2.作物生態(tài)與分子生理學(xué)福建省高校重點實驗室，福建 福州 350002)

不同類型酚酸物質(zhì)對萵苣的化感作用

楊小燕1,2, 李 立1,2, 張 奇1,2, 謝 琨1,2, 李家玉1,2, 何海斌1,2

(1.福建農(nóng)林大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所;2.作物生態(tài)與分子生理學(xué)福建省高校重點實驗室，福建 福州 350002)

以萵苣為受體，采取室內(nèi)生測的方法，測定了4種苯甲酸型酚酸(對羥基苯甲酸、水楊酸、香草酸、丁香酸)和4種肉桂酸型酚酸(肉桂酸、阿魏酸、對香豆酸、咖啡酸)，以及2種類型混合酚酸對萵苣的化感作用，對其抑制率進行回歸分析并計算IC50(半抑制濃度值).結(jié)果表明，單一或混合酚酸濃度高時明顯抑制萵苣生長，濃度低時抑制能力減弱或表現(xiàn)促進作用.苯甲酸型混合酚酸對萵苣根長和株高的IC50分別為2.71×10-4和1.56×10-3mol·L-1，而肉桂酸型混合酚酸對萵苣根長和株高的IC50分別為8.01×10-4和1.77×10-3mol·L-1.可見，苯甲酸型酚酸的抑制作用高于肉桂酸型酚酸，且混合酚酸的抑制作用高于單一組分酚酸.

酚酸; 生物活性; 生物測定; 抑制率; 半抑制濃度

化感作用是指一個活體植物(供體植物)通過產(chǎn)生某些化學(xué)物質(zhì)促進或抑制其周圍植物(受體植物)生長發(fā)育的化學(xué)生態(tài)學(xué)現(xiàn)象.這些化學(xué)物質(zhì)主要為植物的次級代謝產(chǎn)物，是由供體植物通過莖葉揮發(fā)、淋溶、根系分泌、殘枝落葉分解等途徑釋放，被稱之為化感物質(zhì)[1-3].國內(nèi)外研究表明，酚酸類物質(zhì)具有化感活性，是水稻的主要化感物質(zhì)[4-7]，其能有效控制水稻田間雜草，減少化學(xué)除草劑的使用[8-10].Tharayil et al[11-12]研究表明，肉桂酸型衍生酚酸(阿魏酸和對香豆酸)比苯甲酸型衍生酚酸(對羥基苯甲酸和香草酸)更容易被土壤吸附；在土壤基質(zhì)中吸附的肉桂酸型衍生酚酸會提高土壤中可利用的苯甲酸型衍生酚酸的濃度.目前無法得知這種不同類型酚酸在土壤基質(zhì)中的吸附差異是否與其化感活性有關(guān).鑒于此，本研究擬測定已被證實具有化感作用的4種苯甲酸型衍生酚酸和4種肉桂酸型衍生酚酸的單體及混合物對萵苣化感活性的差異.

1 材料與方法

1.1 材料

選取8種報道中常見的酚酸化合物：4種苯甲酸型酚酸為對羥基苯甲酸、水楊酸、丁香酸和香草酸，4種肉桂酸型酚酸為肉桂酸、對香豆酸、咖啡酸和阿魏酸.試劑均購自阿拉丁(中國)公司，各酚酸結(jié)構(gòu)式見表1.將這8種單一酚酸及其等摩爾混合液溶于甲醇(甲醇終濃度低于0.1%)，用二次蒸餾水定容成10-2mol·L-1儲備液，后續(xù)試驗均用二次蒸餾水逐級稀釋成所需濃度，用于室內(nèi)生物測試.萵苣種子購自福州永榮種子有限公司.

表1 8種酚酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)式Table 1 Chemical structures of 8 phenolic acids

1.2 方法

1.2.1 單一酚酸的化感作用 參考Chung et al[13]的濾紙片生測法進行測定.將萵苣種子用5%～10% NaClO消毒10 min，蒸餾水洗凈，再加蒸餾水浸泡至種子全部沉底為止.在組培瓶底部墊上一張濾紙，將5粒露白的萵苣種子播入濾紙上，分別加入5 mL不同濃度(2、1、0.5、0.2、0.1、0.05、0.001 mmol·L-1)的各單一酚酸溶液，以蒸餾水為對照.將各組培瓶蓋上蓋子，置于25 ℃恒溫光照培養(yǎng)(光照強度：5500 lx)中，每天光照12 h(6:00-18:00).所有試驗設(shè)4次重復(fù)，培養(yǎng)至第3天測量萵苣的根長和株高.采用相對抑制率[簡稱抑制率(inhibitory rate,IR)]評價酚酸對萵苣生長的影響程度.IR/%=(CK-TR)×100/CK，其中,TR為處理組生長指標(biāo)，CK為對照組生長指標(biāo).

1.2.2 混合酚酸的化感作用 將4種苯甲酸型酚酸和4種肉桂酸型酚酸分別配成一系列等摩爾濃度溶液，即4、2、1、0.5、0.2、0.1、0.05 mmol·L-1.分別測定這些不同類型、不同濃度的混合酚酸溶液對萵苣的化感作用，方法同1.2.1.

1.2.3 劑量—效應(yīng)曲線擬合方法 以濃度為橫坐標(biāo)，抑制率為縱坐標(biāo)，采用Excel 2003軟件繪制不同濃度和不同類型酚酸對萵苣根長和株高抑制的劑量—效應(yīng)曲線散點圖.根據(jù)散點圖的大致形狀進行線性回歸分析，比較分析模擬效果，選擇擬合相關(guān)系數(shù)最大者為最優(yōu)擬合模型.根據(jù)回歸方程計算出不同類型酚酸對萵苣根長和株高的半抑制濃度值(IC50)[14].

2 結(jié)果與分析

2.1 單一酚酸對萵苣根長和株高抑制的劑量—效應(yīng)曲線

圖1顯示，每種酚酸基本符合“低促高抑”的規(guī)律，大體上呈現(xiàn)出隨著濃度的增長抑制率增長速率逐漸變小的“倒U”形拋物線，僅丁香酸和對香豆酸的曲線為“U”形拋物線.從圖1中還可以看出，當(dāng)每種單一酚酸濃度為2 mmol·L-1時，抑制率普遍大于70%.其中，水楊酸、對香豆酸和咖啡酸的抑制率較高，分別為88.35%、81.71%和79.99%.自然環(huán)境下酚酸的化感活性濃度較低，且酚酸在水溶液中的溶解度有限，所以試驗在低濃度區(qū)間(0～0.2 mmol·L-1)取4個樣品點；當(dāng)酚酸的濃度低于0.2 mmol·L-1時，其抑制率均低于20%，且抑制率隨濃度改變不顯著.

A.對羥基苯甲酸；B.水楊酸；C.丁香酸；D.香草酸；E.肉桂酸；F.對香豆酸；G.咖啡酸；H.阿魏酸.圖1 單一酚酸對萵苣根長抑制的劑量—效應(yīng)曲線Fig.1 Dose-response curves for root lengths of lettuce treated with 8 single phenolic acids

每種酚酸單體對萵苣株高的抑制率均低于對根長的抑制率(圖2).當(dāng)酚酸濃度低于0.2 mmol·L-1時，除對香豆酸外，其余酚酸處理后的萵苣株高均高于對照組，表現(xiàn)促進作用.當(dāng)酚酸濃度為2 mmol·L-1時，各酚酸單體對萵苣產(chǎn)生了不同的抑制效果.其中，水楊酸和肉桂酸的抑制作用最強，抑制率分別為67.64%和55.17%；對羥基苯甲酸的抑制作用最弱，抑制率僅為4.08%.

結(jié)合圖1和圖2可知，當(dāng)酚酸濃度高時，對萵苣幼苗的根長和株高均有較為明顯的抑制作用，但對根長的抑制更為顯著；而當(dāng)酚酸在低濃度區(qū)間(0～0.2 mmol·L-1)時，對萵苣根長大多呈較弱的抑制作用，而對其株高有小幅度的促進作用.

2.2 混合酚酸對萵苣根長和株高抑制的劑量—效應(yīng)曲線

由圖3可知，2種混合酚酸對萵苣根長抑制的劑量—效應(yīng)曲線都呈現(xiàn)“倒U”形拋物線，而對萵苣株高抑制的劑量—效應(yīng)曲線則都幾乎呈直線.當(dāng)混合苯甲酸型酚酸濃度為1 mmol·L-1時，對萵苣根長的抑制率為89.97%，對株高的抑制率為36.00%；而混合肉桂酸型酚酸濃度為2 mmol·L-1時，對萵苣根長的抑制率為90.77%，對株高的抑制率為57.01%.這表明在生測試驗中，酚酸對萵苣根長的抑制率高于對株高的抑制率，且混合苯甲酸型酚酸對萵苣生長的抑制作用大于混合肉桂酸型酚酸.

2.3 不同類型酚酸對萵苣根長和株高的抑制效應(yīng)

除丁香酸外，其他單一酚酸和2種混合型酚酸對萵苣根長抑制效應(yīng)的擬合曲線相關(guān)系數(shù)均大于0.9；除水楊酸外，其他單一酚酸和2種混合型酚酸對萵苣株高抑制效應(yīng)的擬合曲線相關(guān)系數(shù)均大于0.9(表2).這表明各曲線方程擬合度較高.

A.對羥基苯甲酸；B.水楊酸；C.丁香酸；D.香草酸；E.肉桂酸；F.對香豆酸；G.咖啡酸；H.阿魏酸.圖2 單一酚酸對萵苣株高抑制的劑量—效應(yīng)曲線Fig.2 Dose-response curves for plant heights of lettuce treated with 8 single phenolic acids

A.苯甲酸型酚酸混合物；B.肉桂酸型酚酸混合物.圖3 混合酚酸對萵苣根長和株高抑制的劑量—效應(yīng)曲線Fig.3 Dose-response curves for root lengths and plant heights of lettuce treated with mixture of phenolic acids

在化感物質(zhì)抑制受體生長的生測試驗中，IC50表示當(dāng)抑制率達到50%時的物質(zhì)濃度.受試物質(zhì)的IC50越小，表明其對受體的抑制能力越強，其潛在生物活性越強.8種單一酚酸對萵苣根長的IC50表現(xiàn)為水楊酸<香草酸<肉桂酸<咖啡酸<對羥基苯甲酸<阿魏酸<對香豆酸<丁香酸.其中，水楊酸對萵苣根長的抑制率最高，IC50達0.543 mmol·L-1；丁香酸對萵苣根長的抑制率最低，IC50為1.530 mmol·L-1.苯甲酸型混合酚酸對萵苣根長的IC50為0.271 mmol·L-1，肉桂酸型混合酚酸對萵苣根長的IC50為0.801 mmol·L-1.這表明苯甲酸型混合酚酸對萵苣根長的抑制作用大于肉桂酸型酚酸(表2).

表2 單一酚酸及其混合物對萵苣根長和株高抑制的劑量—效應(yīng)曲線回歸分析1)Table 2 Regression analyses of dose-response curves for inhibitory effects of single phenolic acids and their mixtures on root length and plant height of lettuce

1)r2即相關(guān)系數(shù)，IC50即抑制率為50%所需濃度.

8種單一酚酸對萵苣株高的IC50表現(xiàn)為水楊酸<對香豆酸<肉桂酸<咖啡酸<阿魏酸<丁香酸<香草酸<對羥基苯甲酸.同時，苯甲酸型混合酚酸對萵苣株高的IC50也小于肉桂酸型混合酚酸，表明苯甲酸型混合酚酸對萵苣生長的抑制作用大于肉桂酸型混合酚酸.此外，同一種酚酸對根長的IC50均高于株高，表明酚酸對萵苣根長的抑制作用大于株高(表2).

3 討論

3.1 酚酸類物質(zhì)對萵苣幼苗根長及株高抑制能力的差異

本研究表明，單一酚酸對萵苣的抑制作用基本符合“低促高抑”的規(guī)律，這與前人報道的結(jié)果[15-18]基本一致.無論是單一酚酸還是混合酚酸，同等濃度下其對萵苣根長的抑制率高于對株高的抑制率，表明同種酚酸對受體不同組織的化感作用具有差異.生物測試時受體的根直接與酚酸溶液接觸，實際酚酸濃度就是測試濃度；而酚酸對株高的影響，則是通過根吸收的酚酸進入植株體內(nèi)才產(chǎn)生，因而對株高的影響不如根長顯著.在自然環(huán)境下，酚酸對受體根長的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于株高，因此，許多已報道的生測試驗主要以活性物質(zhì)對指示性受體根長的抑制率作為評判其抑草活性的標(biāo)準(zhǔn)[13,19].

3.2 混合酚酸與各組分酚酸抑制能力的關(guān)系

Einhellig et al[20]研究表明,由10種濃度均為0.05 mmol·L-1的酚酸組成的混合物對受體植物Abutilontheophrasti生長的抑制效果與濃度為0.5 mmol·L-1的各單組分物質(zhì)相同.本研究結(jié)果表明，同等濃度下苯甲酸型混合酚酸對萵苣根長的抑制率比單一酚酸強，這與Einhellig et al[20]的研究結(jié)果不一致，可能是由于受體植物不同所產(chǎn)生的差異.同種酚酸等比混合后對萵苣株高的抑制能力比單一酚酸強，即使在低濃度下也基本未表現(xiàn)促進作用，原因可能是多種酚酸化合物之間既存在協(xié)同作用也存在拮抗作用[21-22].何華勤等[23]研究發(fā)現(xiàn)，在一定濃度范圍內(nèi)，水楊酸對肉桂酸有拮抗作用，而肉桂酸在濃度為0.14 mmol·L-1時對水楊酸表現(xiàn)拮抗作用，香草酸與肉桂酸的作用效果表現(xiàn)為增效；酚酸類物質(zhì)間的增效或拮抗的互作效應(yīng)與各因子在化合物中的濃度水平密切相關(guān)，水楊酸濃度小于0.14 mmol·L-1時，對對羥基苯甲酸表現(xiàn)增效作用，濃度大于0.14 mmol·L-1時則表現(xiàn)為拮抗作用.因此，酚酸對受體所展現(xiàn)的化感效應(yīng)是綜合作用的結(jié)果.后續(xù)試驗應(yīng)探討不同類型酚酸之間的相互作用，以進一步了解酚酸生物活性的變化機理.

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(責(zé)任編輯:楊郁霞)

Allelopathy of phenolic acids with different types on the growth of lettuce (LactucasativaL.)

YANG Xiaoyan1,2, LI Li1,2, ZHANG Qi1,2, XIE Kun1,2, LI Jiayu1,2, HE Haibin1,2

(1.School of Life Sciences/Agroecological Institute, Fujian Agriculture and Forestry University; 2.Key Laboratory of Crop Ecology and Molecular Physiology, Fujian Province University, Fuzhou, Fujian 350002, China)

Bioactivities of 4 benzoic acid derivatives (p-hydroxybenzoic acid, salicylic acid, vanillic acid, syringic acid), 4 cinnamic acid derivatives (cinnamic acid, ferulic acid,p-coumaric acid, caffeic acid), as well as their mixtures, were determined in laboratory bioassay withLactucasativaL. being the receptor. The regression analysis of inhibitory rates on the growth of lettuce was conducted, and the concentration required to obtain 50% inhibition (IC50) were calculated. The results showed that a single or mixed phenolic acids had significant inhibitory effects on the growths of lettuce at high concentrations, while the inhibitory effect attenuated or became stimulative effects at low concentrations. The IC50of mixture of benzoic acid derivatives on root length and plant height were 2.71×10-4and 1.56×10-3mol·L-1. And the values were 8.01×10-4and 1.77×10-3mol·L-1for mixture of cinnamic acid derivatives. To summarize, bioactivities of benzoic acid derivatives on lettuce were higher than those of cinnamic acid derivatives. And bioactivities of the mixture of phenolic acids were higher than those of any single one.

phenolic acid; bioactivity; bioassay; inhibitory rate; IC50

2016-06-28

2016-09-26

國家自然科學(xué)基金(31370380,31070447)；福建省2011協(xié)調(diào)創(chuàng)新項目(NO.2015-75).

楊小燕(1992-)，女，碩士研究生.研究方向:化學(xué)生態(tài)學(xué).Email:976796008@qq.com.通訊作者何海斌(1965-)，男，教授，博士,博士生導(dǎo)師.研究方向:植物化學(xué)與化學(xué)生態(tài)學(xué).Email:alexhhb@163.com.

S181

A

1671-5470(2017)01-0021-06

10.13323/j.cnki.j.fafu(nat.sci.).2017.01.004