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第 1 6卷 第 6期
1 9 9 6年 1 2月
生 态 学 报
ACTA ECOLOG ICA SINICA
7
Vo1．1 6，No 6
Dec．， l996
小麦根区微生物分解小麦残体产生
的化感物质及其生物活性的研究
-6瑞覆 刘秀芬√袁光林 孙思．皂
— — — ～
冲聃 申杏珊 f0／
『
摘要 取小麦根区 壤馓生物于不同pH(5 7．sj条件 F，在室 内腐解成熟期麦秸 对不同时间提取物做
生物活性 拉验 ．部分样品进行 Gc MS测定 结果表明：酸性提取液对小麦 ，玉米种子萌发均表现出抑制
作用 ．其强弱与腐解对间有关 第 1天的提取物对小麦、玉米根长的抑制 作用极显著 (尸<0．o1)．第 2周
的提取物， pH7时对小麦抑制最强 ，萌发童为零 。第 4周提取物 pH 8(A)对小麦不但无抑制作用．反而
毒明显的刺激作用，pH5(B)和 pH7(B 样品对玉米的根和芽也表 现出明显的刺激作用 ，差异显著性分别
为
行生物 活哇检驻 结果也证明起抑制作用的化感物质主要是酚 ，酸，醛，酮类化合物 起刺激作用的物质，
主要是一些台氯化舍物 ，包括生钧碱
． 关键诃 ．兰 ! 墨圭 ’ ! ’兰竺兰里 ． 感作用’生物检验’Gc M 测定
j 孵 ，
STUDY 0N ALLELOCHEMICALS IN THE pR0CESS
0F DECQ34POSITII)N OF WHEAT STRAW BY
M ICROOGANISM S AND THEIR BIOACTIVITY
M a Ruixia Liu Xiufen Yuan Guanglin Sun Si en
Research CeraCer j E㈣ Em iraene~al s⋯ ，the chi~se Az．odemy ofS,ie~es Beijing，10(1085，Chi~ )
Abstract W heat straw of mature period was decomposed under laboratory conditions：pH 5．
pH7 and pH8 by microoganisms．Filtrates of rot．ted wheat straw after 1 day,．1 week．2 weeks
and 4 weeks of neubation were tested for bioassay，and their some extracts obtained under
acidic and basic conditions were anaty．~d by GC M S．It was found that alM opathic effects of
extracts on the germination of wheat and maize seeds are obviously dependent on the period of
decomposition．pH value and variety of crops．All acidic extracts showed inhibition to the ger—
mination and root growth to some degree．Al basic extracts showed a little inhibition or some
匡家 自然科学基金资肚项目
收稿 日期 ：1 994 l1 10．修改稿收到日期：1 996 05 1 5。
／
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6期 马瑞霞等 ：小麦根区微生物分解小麦残体产生的化感物质驶其生物活性 的研究 633
simulation to seed germination and root growth．The samples of 1 day incubation under pH5
(A)，pH7(A)，and pH8(A)have shown a obvious inhibition( < O．01)of root extension of
wheat and maize．The sample of two weeks incubation under pH 7(A )showed very strong in
hibition for germination of wheat seed．The samples of four weeks incubation under pH8(A)
indicated some stimulation to wheat growth，significant differences( < 0．O1 and p< 0．05)
was detected respectively．
The extracts showing Mlelopathic actively were analysed by GC—MS．A wide rarity of
chemicals，such as phenolic acids，organic acids，aldehydes，alcohol and elc—were indentified．
Some chemicals jdentified to be responsible for the jnhibition were selected again to conferm
their bioactively． ResuLts indicate that phenolm acids，organic acids were more strong inhibi
tiors．Nitrogen—contained chemicals were we ker inhibitors and showed in some cases a stimu
lations to tlae experimental plants，
Key words： mierooganisms，decomposition，alM ochemicals，allelopathyc．bioassay
自化感概念的提出口 ，特别是 7O年代以来 ．人们运用现代化学方法和技术 ，对一些宏
观生态学问题有了更新的理解0 。近年来对秸杆还 田作为农业增产措施就有了新的看法，
秸杆在土壤微生物分解过程中，会产生有毒物质危害下茬作物生长已有报道 。Mccala
T．M．和 Duley．F．L ET3认为，秸杆覆盖影响玉米长势，特别是在多雨年份 ，影响更为明显。
马永清等人 报道 ，5～10 t／hm 麦秸覆盖土壤 ．玉米平均发芽率减少 44 ～92 。对玉
米早期发育的抑制作用，主要表现叶片发黄 ，增施化肥未见成效。笔者在聊城科技农业园
试验田中也发现，在有麦茬的积水洼地 ，干后播种的玉米，玉米幼苗弱小而发黄．导致严
重减产。
2O年来国外对化感作用的研究日益活跃_l ．国内在该领域的研究，起步于 80年代末。
秸杆还 田产生的化感物质的研究 ，国内报道 尚不多见。本文研究了小麦残体分解产生的化
感物质及生物活性、产生该物质的规律，探讨 了小麦自身中毒并抑制下茬玉米生长，导致
减产的机理 ，为农业增产及合理利用秸杆还田产生更高的经济效益，提供科学依据
1 材料和方法
1．1 样品采集 1 994年 6月 10日麦收前 1周 ，在中国农业大学小麦试验 田中．采集连根
小麦(品种为北京 437)，切成 1 cm 以下小段 ，在无菌间紫外灯下照射 3 h(距紫外灯 0．5 m，
并不时翻动麦秸)。将上述小麦根上附着的土抖下来，并混合均匀备用。
1．2 麦秸分解试验条件和提取液制取 根 区微生物培养 ，采用微生物分解纤维索的培养
基 。培养液经常规灭菌后 ，在无菌室内分别被调成 pH5，pH7和 pH8三种处理 在 500
ml棕色广口瓶中．加入上述培养液 250 ml，消毒过的碎麦秸 20 g，根际土 20 g作为微生物
菌源放置 25℃恒温培养，未加秸杆的作为对照。
将培养 24 h．1周 ，2周和 4周的培养液，分别调至 pH2和 pH 12，用二氯 甲烷(50m1)
提取两次．分别得劐酸性提取液 pH5(A)．pH7(A)．pH8(A)，对照(A)4l处理 和碱性提
取液[pH5(B)，pH7(BY，pH8(BY，对照(B)4个处理]。提取液经旋转蒸发器浓缩至 1 ml。
从中取出 0．5 ml做 GC—MS测定，剩余的0．5 ml用于生物活性测定。
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生 态 学 报 6卷
1．3 生物活性测定 · 一
分别用酸性提取液(pH5．pH7．pH8和对照)及碱性提取液 (pH5，pH7．pH8和对照】
对小麦，玉米种子萌发进行试验。在直径为 9 cm的培养皿内．每皿摆 l0粒小麦种子．在直
径 13 crl2的培养皿内．摆 2o粒玉米种子．每处理均重复 3皿 ，小皿内放 3ml提取液 ，大皿
内放 5ml提取液．每皿底铺一层滤纸用于保湿．培养皿放入 25c恒温下，48 h后取出．分
别测量小麦 ．玉米的根长和芽长。
1．4 提取 液的 ( MS分析
GC型号为HP5890．FID检测器。毛细管柱 ：DB-5柱和 Carbowax柱 ( 0．25 ram×30
m)，进样口240C，检测器分别为 280 C和 275c。柱温 50 C(2 rain)．以 6 C／min程升分
别至 275 C(保持 20 min)和 250"C(保持 15 rain)。载气为 He．流量 1 ml／min，进 样量 为
1 l。GC—MS型号是 TRIO2000色谱质谱仪．电子轰击源，扫描范围 M／Z 30 600AMU，扫
描速度 【】_2 s扫全程 ．离子源温度 1 50 C。通过计算机检索系统，进行未知物的鉴定。
2 实验结果
2．1 提取液对小麦 ．玉米等作物种子萌发的化感作用
不同时间小麦秸杆腐解产生的化感作用的活性不同。24 h后，除 pH8(A)对玉米芽无
抑制作用外 ，其它对小麦及玉米都表现出抑制作用 ( <0．05，p<0．01)。其中 pH5(A)
的抑制效果更为明显。pH5(A)处理的小麦根长、芽长分别比对照短 77 ，20 ，玉米的根
长．芽长分别比对照短 77 和 68 。所有碱性提取物 ，抑制作用不明显，反而对小麦根和
芽有一定刺激作用。第 1周所有酸性提取物对小麦．玉米萌发都具抑制作用。除pH7(A)对
小麦芽抑制作用较弱外 ，其余的差异显著性均为p<0．01。在碱性提取物中，除对玉米芽
的促进效果 <0．05外．其余 p
发．pH7(B)，pH8(B)对玉米萌发也具抑制作用．但对小麦根无抑制作 用。4周后的样品
pH5(A)，pH7(A)，pH8(A)对玉米芽和根仍有抑制作用(
显著的刺激作用(声<0．o1，p<0．05)。详见图 1、图 2。
2．2 GC—MS测定结果
由表 1可见．在生物活性检验中，24 h的 pH5(A)表现抑制作用最显著，pH5(A)中含
有比 pH7(A)，pH7(B)更多的酸及酚类物质，这些物质对小麦和玉米种子的萌发有较强的
抑制作用 pH7(A)中也含有一些酸类及酚类物质．因此也表现出一定的抑制作用。而在
pH7(B)中，没有鉴定出酸类物质，酚类也只有一种。它含有 pH5(A)及 pH7(A)中新没有
的吲哚类物质 ，所以它对小麦和玉米的抑制作用不明显，反而有促进作用。为进一步确定
具有化感作用的化台物，从中挑选几种化台物再进行生物活性检验 。
2．3 GC—MS鉴定出的酚酸类化台物的生物检验结果
由于标样所限对一些仅有的低碳脂肪酸，芳香酸和酚类进行了试验 ，结果见图3～5。
图 3所示．500mg／[的戊酸和正已酸对生根抑制效果，分别表现为从对照的根 长 12．9 mil
降至 2．5 Film和 5 5 Film．对芽的抑制从对照的芽长 3．5 mm分别降至 1．5和 1．35 mm。
500 mg／l的二甲基戊酸和正 已酸对芽的抑制分别从对照的芽长 3．55 ITlm降至 1_5和 1．35
Film。500 mg／[的二甲基戊酸和正 已酸对芽的抑制分别从对照的芽长 3．5j rlrl降至 0．25
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6期 马瑞甏等：小麦根 区微生物分解小麦残体产生的化感物质及其生物活 的研究 635
和 】．45 mm．二 甲基戊酸在 SOO mg／l时．对芽抑制最强．仅 为对照芽长的 7 ．但是在浓
度小于 100 mg／1时，这两种化合物对根和芽都表现出刺激作用 50 rag／1时．根长分别比
对照约长 15 和 1o o／：,．芽长 比对照约长 25 和 1 5 。随着化合物浓度的增加，抑制作用
也逐渐加强。这 4种酸对玉米的根及芽生长抑制作用不明显
囝 2 小麦秸杆 酸性提取渣及碱 哇提取液对玉米报长和芽长的彩响
Fig．2 Influence of pH5(A)，pH7‘A)，pH8(A)，pHS(B)．pH7(B)．pH8(B】to r∞t and shoot
图 4所示 ，500 mg／1的苯甲酸和苯乙酸使玉米的根长，分别是对照的 55 和 35 ．小
麦的根长分别为对照的 60 和 25％。对两种作物芽的抑制作用，在 500 rag／1时，也是苯乙
酸比苯甲酸强。不论对玉米还是对小麦种子萌发的抑制作用，苯乙酸都强于苯甲酸
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生 态 学 报 l 6卷
表 1 微生物分解小麦残体产生的北学物质(质谱分析结果)
Table 1 Chemical s produced by micz-o~．anisms decomposed wheat re．dues
一
韶
堆度 0蹦 岫 f ‘^ ) 傩度 ∞r·o∞“t I Cm‘／0
图 3 4种有机酸对小麦种子萌发的抑制作用
Figf3 Inhibition of organic acid to germlr．aQon of wheat
图5所示，邻甲酚对玉米的根及芽生长的抑制作用均低于间甲酚，但对小麦的根及芽
生长的抑制作用，间甲酚高于邻甲酚。这表明化合物的异构体具有不同的生物活性 生物
活性检验结果表明它们全属一类比较强的化感物质
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6期 马瑞霞等：小麦根区微 生物分解小麦残体产生的化感物质及其生物活性 的研究 637
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图 5 邻 甲酚 、问 甲酚 对玉 米 小麦 种子 萌 发 的揶 制 作用
Fig 5 Inhibition of D—methylpenol，m—methylpermol igermi~ tion。f w “ aM mmze
3 讨论
3，1 小麦秸杆分解产生的化感物质对小麦和玉米种子萌发的抑制作用
研究结果表明，秸杆腐解产生的化感物质对小麦和玉米的抑制作用有程度差别。这一
结果与土壤真菌，细菌产生的化感物质对小麦．玉米抑制作用的规律是一致的 。
McCala，T．M．等报道 抑制作用是通过对酶活性和其他植物生理活性产生影响而引
起的。不同作物或同一作物的不同品种，对化感物质反应有明显差别。有报道说明小麦秸
杆产生的毒性对燕麦，大豆及高梁等影响程度不同 ，并根据大豆对其毒性所具有的化感作
用，建立了评价和筛选大豆种质的一套技术，同时还测定了固化感物质 ，而影响高梁基因
的变化。研究化感作用，对作物育种及遗传基囤的影响，具有理论及实际意义。
· 马瑞霞等． 小麦根区土壤微生物产生的忧感物质及生物 活性的研竞”．将发表
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生 态 学 报
3．2 小麦秸秆分解产生化感作用的规律
样品的生物活性与腐解时间有关 ，在 1～2 d和 1．4 d腐解时间的样品，GC删定的峰 多
而强．化感作 用在两周 时也最 明显 ，生物活性检验与 GC—MS分析结果是完全 一致 的。
Kimber FI：J研究小麦秸杆腐烂时的水提取物 ．对小麦，燕麦的抑制作用时 ，发现最大值在 2
～ 6 d，对小麦种子发芽抑制作用可持续 1 8 d 张玉铭等人在覆盖麦秸的地中，播种玉米后
5～l0 d，对玉米苗期生长抑制作用最强。本研究，发现不仅有抑制 作用而且还有刺激作
用。第 4周的提取物中，pH8(A)及 pH5(B)．pH7(B)对小麦和玉米的根长 ．芽长具有刺激
作用．这一结果与土壤真菌 ，细菌所产生的化感物质的规律是一致的 Cochran~ 等人在进
行小麦残体的研究中，也发现抑制物质与刺激物质的产生有周期性 。
3．3 小麦秸杆分解过程中 pH变化及化感物质产生的环境因子
本实验腐解小麦秸杆所用培养液 pH值分别为 5，7，8，但在腐锯中pH发生变化，在 1
周 内各处理样品均变为 pH5 8，产生具有抑制作用的化感物质为高峰期，两周后 pH变为
7．5～8 0，抑制效果减弱或消失 因此，在酸性土壤条件下 ，不宜进行小麦秸杆还田，应采
取其他措施使土壤 pH有所改变或使秸杆快速分解，以减少有害化感作用 ，如我国台湾学
者应用化学生态原理 ，查出导致二季稻减产的生物化学机制，酚酸类化感物质起作用，调
节土壤 pH值，使二季稻产量达到一季稻产量水平。
3．4 小麦秸杆分解产生的化感物质与微生物密切相关
小麦秸杆产生化感物质的高峰时间与小麦根区微生物(真菌和细菌)产生的高峰期是一
致的，两周内的提取物都是对小麦抑制作用强于对玉米的，4周后的提取物出现刺激效果。
质谱分析结果也表明，有很多类似化合物．这些都充分说明小麦秸杆的分解与微生物的作
用有着密切关系。xed,麦、玉米的抑制作用是秸杆分解产生的有毒物质和微生物所产生的
有毒物质，二者综合作用的结果。土壤微生物种类繁多，各自产生的化感物质也不相同。
McCalia，T．M． 认为．小麦秸杆分解产生的化感物质抑制三叶草的根瘤生长 ，大豆根医的
某些细菌产生化感物质抑制大豆根 瘤菌的生长，从而抑制大豆生长 ，使大豆变黄。因此 ，
微生物不仅在养分转化过程中起着重要作用，而且在 产生有害于作物 生长的化感物质方
面 ，也起着重要作用 在农业实践中 ，充分利用和控制非致病微生物的潜力对实现作物增
产，稳产具有重要意义一Ⅲ。
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第二届全国生物多样性保护与持续利用
研讨会会议纪要、
第二届全 国生物多样性保护与持续利用研讨会于 1996年 l1月 20～22日在北京香山召开．奉次会议
是 由中国科学院、林业部 、农业部 、国家环保局和国家教委等单位联合组织，来 自 84个科研教学和管理
单位的 l 6O名代表出席 了会议 ，代表面覆盖全国 26十省区。
会议分太会主题报告与分组专题报告两种交流形式 。洪德元院士 、裴维蕃院士、陈灵芝教授、钱迎情
教授 、李典谟教授、汪松教授等 1 7位专家做 了大会报告 t内容包括物种多样 眭、菌物多样性、生物多样
性科学前沿、生物多样性的经济价值、遗传多样性 ．生物安全、外来生物 、自然保护区管理、森林多样性、
生物多样性与生命科学 、多样性分布格局、野生近缘种及家养动物种质资源等。报告 内容丰富、议题广
泛 ，尤其涉及到部分国际生物多样性研究的前沿领域。共有 32位代表在分组会上做 专题报告，内容包
括 ：涉危种迁地保护、火饶迹地物种恢复、早春植物 多样性、人工林生物多样性 、水域生态系统多样性、
湿地生物多样性、小种群灭绝的计算机模拟、种群生存力、易地保护、城市建设与多样性变化、水利工程
对环境影响等 。
中国科学院副院长陈宜瑜院士致闭幕词，他指 出，生物 多样性保护不仅深为国家社会重视 ．政 府决
策，而且 日益深入人心，形成公窳意识 尤为重要的是生物多样性 已成为当今科学界研究的热点之一。积
极推进生物多样性保护事业 的发展，将有利于我国缓解人口增长和经济发展而带来的压力，并使我国丰
富的生物多样性得以妥善保护和生物资源能持续利用 。
经过交流和讨论 ，代表们认为近期应开展的主要研 究包括 ：完成物种本底调查．研究生物多样性 的
发生和灭绝过程；以物种多样性 为基础、重点开展生态系统多样性研究 ；确定关键 同题 ，在关键地区应用
关键技术对关键物种进行深入研 究；干扰和生境丧失对物种濒危的影 响，物种有效种群 的重建与退 化生
态系统的恢复；生物多样性经济价值的评估及其国际决策和 国民经济 的影响；生物多样性保护与 自然资
源持续利用的关键 。
这次会议在全体与会代表的共同努力下，取得了满意的结果．大家在有关生物多样性研究目标和内
容上达成了共识。这必将会激发广大科技人员的工作热情，而使我国生物多样性研究跃上一十新的台阶
(马冗平供稿)
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