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第 16 第 1期
l 9 9 6年 1 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOG ICA SINICA
0)
Vo】1 6．No．1
Jan ，1 996
根际区他感化学物质的分离、鉴定
与生物活性的研究
艨 光琳 思思
t，8) r————一————●—● ) 一J
(中国科学院生态环境研究中 ，北京，100085)
摘要 丰文报道根际区他感化学物质对小麦．玉米等作物种子萌发 要劫苗生长抑制作用的研究结果 土
壤厦土壤溶液样 品提取物，用Gc及 GC—MS鉴定出各类化台物 50多种：重点研 究有代表性的 3种化台
物：十四烯一1．苯 甲醛以及未 见报道的．由作者鉴定出的他感化 台物：对 般 丁基苯甲酸 结果表明．十四
烯 1在浓度达 2000 mg门时．对玉米、小麦、田菁．稗子的种子萌发 幼根及幼芽生长均无明显影响}苯
甲醛谁度在 200mg／I以上时表现 出对试验种子萌发及幼苗生长有抑制作用；对 叔丁基苯甲酸在 100m 门
时就对试验种子有显著抑制作用，并且随浓度增加抑制效果越强烈．在 500 mg／]时，小麦．玉米的萌发
率，分别为对照的 41 厦 7 ．根生长分别为对照的 5．6 厦 3 5 ．并且．它严重抑制丁幼苗生长。对一
叔丁基苯 甲酸和苯甲醛对试验怍物种子用 tc 检验 ，表明当浓度大于 100 rag／1时与对照比 差异报显著：
此外·他曼 宴 ：王 9 ／【 度 ，对作物神子有 关键词}兰壁垒堕些l土壤溶藏·Gc MS分析， 壁兰皇塑 一定刺檄作用
生物检验．他感作用。 粤 、
STUDY ON ISOLATION，IDENTIFICATION AND BIOACTIVITY
oF ALLELoCHEM ICALS IN RHIZ0lsPHERE
Liu Xiufen M a Ruixia Yuan Guanglin Sun Sien
(Research 6~nter f0 ＆ E⋯ 0m d Sciences，Academia Siniea ＆ i g China 1 00085
Abstract his paper de~ribed the results of effects of some alelochemica[in the rhizosphere
soil solution on seed germination and seedling growth of some crops and weeds．Th。se extracts
of samples showed bioactM ty were selec ted for GC M S analysis。M ore than 50 different chem
icals,／,ere identified，Three chemicals have been studied in some details to evaluated their a1一
lelopathic effect on the germination，root and seeding growth of wheat，m aize．barnyard grass
and sesban．It v,ras not found up to nov~that published 4 tert—butylbenzoic acid showed allelo—
pathic activity．At concentt ation of 50 mg／1，altochemicals inhibited al seeds．and the inhibit
ing effects increased with concentration，The germination rate of wheat and malze seeds was
only 41 and 7 of the control at concentration 50 mg／1，respectively． Benzaldehyde showed
a mediate alelopathic activity．It inhibited the sprout of seeds at concentration over 200 mg／q．
· 国家 自然科学 基金资 助项 目。
收稿 日期：1994 09 28．修改稿牧到日期 ：199 5 04 26~
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2 生 态 学 报 l 6卷
tetradecent一1 was not considered as an alMochemica1．It didn t show any hioactivity for the
tested seeds even though the solution concentration as high as 2000 mg／1．
Key words：soil solution，GC—M S analysis．hioassay．alldoehemicals．
他感作用在农业生态系统中起着重要作用。当前研究重点：(1)减少他感的有害作用，
提高作物产量 ；(2)根据他感作用的生化化学机制，开发新一代无公害的生物农药和作物
生长调节荆。因此，他感作用的研究．对于农业增产和保护生态环境 ，提供了机遇和途径
Putnam和 DeFrank 曾研究了某些春、秋季作物残体对杂草他感作用。结果表明．
Tecumseh wheat和 Balboa rye残体能降低野草生长的 88 Worsham“：的研究结果也表
明，作物秸杆管理方式及耕作制度对早春杂草生长起重要影响。秸杆还田免耕制会抑制宽
叶草生长的 76％ 81 。Blumix]研究了免耕、耕作及休闲耕作制对土壤中他感化学物质产
生的影响时指出，不同耕作方式对土壤中具有他感作用的酚酸类物质的含量有明显差别。
有机农业是我国的优良传统。秸杆还 田是植物营养元素循环利用的有效措施，也是保
证我国农业的持续稳定发展的重要途径 。然而秸杆如何还田才能起到有益无害的作用，日
益受到重视。Chou等人 “在研究台湾南部双季稻产量低于单季稻产量 2O％的原因时发现，
单季稻秸杆还 田腐烂过程中产生了许多种他感化学物质，他感作用导致双季稻减产。采取
措施后，使双季稻产量达到单季稻产量水平，具有重大的经济效益 。KimberE 研究结果表
明，小麦秸杆堆积 6周后．其水提取物在无菌条件下抑制小麦生长。马永清等人 介绍了
FM．McCUa和 F．L．Duley的研究结果 ，他们发现，每公顷用 5—10 t麦秸覆盖土壤 ，玉米
平均发芽事减少了44％-92 。作者在河北省南皮县所做麦秸覆盖夏玉米的试验中发现，
在雨量多的年份 ，覆盖的麦秸对玉米早期生长发育有抑制作用，主要表现在叶片发黄，旋
肥也无济于事。作者在聊城自家洼科技农业园的试验田中也发现 ，洼地麦收后的夏玉米长
势差，产量很低 ，甚至无收成。
生物之间的他感作用，是通过他感化学物质实现的 因此 ，分析、鉴定出具有他感作
用的化学物质 ，特别是对作物生长具有直接作用的根际区的他感化学物质的研究．具有重
要意义。
本研究的目的在于建立分析方法与生物活性检验技术；分析根际区土壤溶液中的化学
物质．鉴定并经生物检验确定具有他感作用的某些化学物质，并研究其对某些作物的他感
作用。为进一步研究他感物质的来源、他感作用的机制以及利用他感作用实现提高作物产
量打下基础 。
1 材料与方法
1．1 试剂 甲醇 ，乙醇，均为分析纯；GDX一102，60 80目．分别用二氯甲烷 和甲醇提取
8 h；乙醚 ，乙酸乙酯均为分析纯。
1．2 试验样品采集
1．2．1 土壤样品 土壤样品采 自山东省聊城科技农业园试验 田，取根际区土壤。土壤属
中潮土壤．pH7．9．含有机质 1．13 ．全氮0．1 ，全磷 0．04 ，阳离子交换量为 l 3．4me／
100 g土 ，持水量为 l 6．5
1 2．2 土壤溶液 采土壤溶液使用的是德国GSF土壤生态研究所提供的土壤溶液采集
器，它是一个长 2O cm，内径2 cm的塑料管一端连接多孔陶土头，另一端与真空系统和水
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1期 刘秀芬等 ：根际 区他感化学物质的分离、鉴定与生物活性的研究 3
样收集瓶连接 。用土钻在地上打孔至所要求的深度，将采样管 小心插入土层 内，再用稀泥
密封空隙。之后 ，将整个系统用手泵抽至 6×10 Pa左右，维持 24—48 h(具体时间取决于
土壤含水量)。在减压条件下，土壤水经多孔陶土头被吸入采样瓶中
1．3 样品处理
1．3．1 土壤样品 把土壤样品风干 ，研细，过 4O目筛子，从中取出 40 g，加入 200mI无
水乙醇于三角瓶中，在康氏振荡器上振荡 1 h之后，过滤 ，所得滤液在旋转蒸发器上浓缩
至干，再用乙醚 1 rn／溶解。溶液进一步做 GC和 GC—MS分析。 ．
1．3．2 土壤溶液 将处理过的 GDX一102树脂装入内径 12mm，长 20 cm的玻璃柱中，先
用去离子水多次淋洗柱子。之后 ，将收集的土壤溶液 3500 nd过柱 ，再用 200 mI甲醇淋洗。
洗脱液在旋转蒸发器上蒸发至干，用 0．5 mI乙酸乙酯溶解 ，溶液用于 GC和 GC—MS分析。
1．4 GC和 GC—MS分析
1．4．1 GC分析 GC分析在 HP5890气相色谱仪上进行，采用FID检测器。实验条件：
Carbwax极性柱 ，30mXO．25mit1D(J＆Sci Instr Co．USA)载气 N2，流量 1ml／min，柱
温从 5O一2∞℃，程序升温 8℃／min，并在 200"C时保持 20min，进样口温度 230"C，检测器
温度 260℃，进样量 1 l
1．4．2 GC—MS分析 GC—MS分析在 TR102000色谱质谱仪上进行 GC条件：除载气为
He，流量 1ml／min，其它条件同上述 GC条件。MS条件：电子轰击源，扫描范围M／z3O一
800 AMU，扫描速度，0．2 s扫全程，离子源温度 150"C。通过计算机检索系统，进行未知
物的鉴定。
1．5 生物检验
从鉴定出的化台物中挑选对一叔丁基苯甲酸、苯甲醛、阿魏酸和十四烯一等 l4个化台物
作生物试验。配成不同浓度：0，50，i00，200和 500 mg／l。对玉米(中单 318)、小麦(北京
837)，田菁和稗子(均由中国农业科学院作物所提供)，进行发芽试验 每种浓度试验 3O粒
种子。均匀摆在垫有滤纸的直径 1 5 cm培养皿中，加入试样5 mI，在恒温培养箱内温度控
制在 25℃，36 h后 ，测其根长，芽长及萌发率，取平均值。
2 实验结果
2．1 GC—MS鉴定
根际区土壤和土壤溶液样品的 GC—MS鉴定结果列入表 l 所列出的化台物均属 GC-
MS鉴定在附和系数超过 75 以上化合物。对于那些弱峰，GC—MS鉴定出的化台物的可信
表 1 根际有机化合物 (包括他感化合物)
Table 1 org~ c Compounds(1ncl¨ ed kllelochemlcals)In Rhizospher
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4 生 态 学 报 1 6卷
度低 ，没有列凡表 1 土壤溶液样品的 GC—MS总离子流图TIC示于图 1。谱图中的 4个强
峰扫描号分别为 606，1383．2361和 2664．鉴定为乙酸，十五酸乙酯和邻苯二甲酸二丁酯
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1期 刘秀荐等：根际区他感化学物质的分离 、鉴定与生物活性的研究
和对 叔丁基苯甲酸．后者的标样及样品的质谱 图示于图 2 两张谱图基本一致。
2．2 生物试验结果
苯甲醛、对 叔丁基苯 甲酸、阿魏酸和十四烯 l在不同浓度条件下对 田菁 ，稗子，小麦
和玉米等种子萌发检验结果(相当对照萌发率)列入表 2。试验 已多次报道过的阿魏酸是为
了进行比较。这些化合物对不同物种生根与芽生长的抑制作用．分别示于图 3和圉 4中
扫描致sm n~abe．r
图 1 土壤溶液样品的 GC MS的总离子流 TIC图
Fig，1 GC—M S TIC spectrum of soi[sO[UttOn sample
图 2 4-叔丁基苯甲酸 EIMS谱图。对应 TIC图上扫描号 266
Fig．2 EI—MS spectrum of 4-T一13A corresponding to scan number 2664 in TIC spectrum
(a)样品 Sample (b)标样 Standard
3 讨论
土壤是一个十分复杂的生态环境，特别是最具有活性的植物根际区。微生物在土壤 中
进行生命活动．相互发生作用，参与一系列物质转化，直接或间接地影响作物生长。因此 ，
在根际区土壤和土壤溶液中存在着种类繁多的各种有机物，无机物和生物活性物质。除母
体化合物外 ，还有许多二级(次级)化合物 ，而且这些化台物随着微生态环境的不同会有很
大差异。表 1中所列出的化合物．包括有机酸、烃、醛、酮、酯、酚类等化合物 jp余种，尚不
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生 态 学 报 L6卷
表 2 不同浓度的他感物质对作物及杂草种子萌发的影响 ( )
Table 2 E~ect 0f alelochemicals in different concentration On
germination。f crop and weed seeds
萌发率 GerminationⅢ e
包括更多的含量低的未被鉴定出的化合物。这些化合物的来源．除因环境污染因素外，主
要是土壤微生物合成和分解的各类有机质 ，作物分泌物以及微生物代谢产物。具有他感作
用的物质，主要来源于微生物分解有机残体，根分泌物 ，微生物合成物，植物地上部分被
雨水淋入土壤中的化合物以及大 量的属于有机物在土壤微 生态环境 中的降解产物。文
献 中归纳了具有他感作用的各类化合物。表 2的结果表明，不同化台物在不同浓度条件
下对种子萌发率(％)具有明显差别 本文着重研究了玉米，小麦的萌发率。十四烯 1对玉
米，小麦的萌发率与对照比没有差别。即使是选择对萌发快速敏感的种子 ，田菁和稗子．
数据也表明没有差别，因此，十四烯一l不属于他感化合物。但仍把它列入表内是为了比较。
这说 明，一个化合物在土壤 中的浓度并不决定它是否具有他感作用。苯 甲醛，浓度在 200
rag／1以上对小麦玉米的萌发具有明显的抑制作用，在 200及 500 rag／1时，对小麦和玉米
的萌发率分别为对照的 9l ，74 和 82 ，75 ，并且在 50mg／[和 1O0rag／1时 ，对玉米
萌发还有刺激作用，阿魏酸是文献上多次报道过的他感化合物，在 200 mg／l以上对小麦萌
发略有抑制作用，但是对玉米萌发，浓度在 100 rag／1以上 ，就有明显的抑制作用 与对照
比较，抑制萌发率分别达 86 、67 、84 、和 86 。由本实验室鉴定出尚未见报道的对 叔
丁基苯 甲酸，在所研究的化台物中具有很强的他感作用，在浓度为 1O0，200及 500 rag／1
时 ，对小麦，玉米，稗子的萌发抑制率与对照比，分别达 9l 、87 、41 ；84 、68 、7 及
79 、53 、35 。数据表明，当浓度为 500 mg／1时，玉米的萌发率仅为对照的 7 。它是
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1期 刘秀芬等 ：艰际Ⅸ他感 化学物质的分离、鉴定 与 物} 性的研究 7
浓度 o B n(rag／L)
图 3 他感化台物对不同作物种子生根及发芽的抑村作用
Fig．3 Inhibition effects of alelochemicals 0n the root，shoot elongation of test crops．
a)1一十四烯对小麦、玉米、田菁、稗 子生根抑制 The effects of1 radecene 0nthe rootlength o wheat．Maize．sesheni
a．1~myard grass． b)对 叔丁基苯甲敬对小麦 、玉米、稗子生根抑制 The efects of 4 tert—huty[benzolc acid on the
rootlength ofwheat，Malee，Barnyard g ． c)苯甲醛对小麦 玉米、田肴、生根抑制 The efects of benz]dehyde。n
【he tO0~length ofwh翩t．M一 ，sesbania d)阿魏酸对小麦、玉米、稗子生根抑制 The effects offeruhe acid onthe
f00t length o wheat．MaJe，Barnyard g e)对 叔丁基苯甲酸对玉米、稗子芽生长的抑制 The effects of 4u【e
butylbenmic acid 0nthe shotlength ofMaize，Barnyard grass． )阿魏酸对小麦 玉米、稗于芽生长的抑制 The e
feCts of ferulic acid 0n the sho t length 0 wheat．Maize．Ba rnyard 啦
吼
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生 态 学 报 l 6卷
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嚣
蕺 度 Contentration(mB／L)
罔 4 对 掇丁基苯甲酸、苯 甲醛和阿魏酸对小麦、玉米的生根抑制作用
Fig 4 Inhibition percent ot root elongation of wheat and rftai2e by P T BA、BA and FA
一 种严重危害作物的他感化台物 。
图 3所示 ，几种他感化合物对某些作物和杂草的生根及发芽的他感作用 图 3(a)所示
十四烯一l，在不同浓度条件下 ．对小麦、玉米、田菁、稗子的作用。结果表明在 0—500mg／1．
对种子的根生长没有影响 即使浓度在 2000mg／L时．也没有影响，显著性 检验表明没
有差别。图 3(h)所示对一毅丁基苯甲酸在 o 5oo rag／1条件下对小麦．玉米和稗子根生长的
影响 结果表明，它是种较强的他感化合物．随浓度 100一-500 mg／1．对 3种作物生长的抑
制作用逐渐增加，在 500 mg／1时，根长已由对照的 23．6、l 7．9、30．3 mm分别降至 5．6、3．
5、6．2 mm，并且浓度小于 50 mg／1时，对小麦、玉米的根生长还有刺激效果。显著性 检验
结 果 3种物种均为 0．0t 图 3(c)所示苯甲醛对小麦、玉米和田菁种子生长的影响 对小
麦 、玉米有明显的抑制作用．浓度大于 200 rag／1， 显著性 f均为 0．ol，对 田菁则为 0．05。
浓度在 50 mg／l时，3种作物根长分别由对照的 21．5、25．8、l0．6 mm降至 l 3．8、l0．9、7．9
mm。图 3(d)所示阿魏酸在不同浓度条件 ，对小麦 ，玉米和稗子根生长的抑制作用 对小
麦、玉米和稗子的显著性 t检验分别为 0．05，0．05和 0．0l 在 500mg／l时，根长由对照的
23．5，l 8．3和 30．4 mm分别降至 t7．2，t3．8和 18．j 111。当浓度小于 50 mg／I．还表现出
剌激作用。
图 3(e)所示对一叔丁基苯甲酸对玉米 ．稗子芽生长的影响。显著性检验结果表明浓度
大于 200 mg／l时．对 2种种子的显著性 f均为 0．05。浓度为 500 mg／l时，芽长分别从对照
的 3．8和 32．4 into 降至 2．4和 14 inm，并且当浓度小于 50 mg／l时，表现 出剌激作用。图
3(f)所示，阿魏酸对小麦．玉米和稗子芽生长的抑制作用。当浓度大于 200 mg／l时除对小
麦显著性 t为 0．01．有明显抑制作用外 ，对玉米和稗子芽生长无明显作用．浓度为 0 500
mg／]时 ，芽长分别从对照的 l0．0、4．5、43．1 Ilm降至 4．4、4 5、37 inm
图 4所示对一叔丁基苯甲酸、苯 甲醛和阿魏酸对玉米、小麦生根抑制率 在低浓度条件
下(小于 50 mg／1)除苯甲醛外，对 叔丁基苯甲酸和阿魏酸都有刺激作用。对玉米 ．小麦．3
种他感物质抑制作用最强的为对 叔丁基苯甲酸，其次为苯甲醛，阿魏酸抑制作用最低。
如图 5a所示．苯甲醛浓度在 200 mg／]以下，对根和苗的生长没表现出抑制作用 ，而且
还有一定程度的剌激作用．这个结果与种子萌发数据相一致，只是当浓度达到 500 mg／l
二竺一
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]期 刘秀棼荨：根际医他感化学物质的分离、鉴定与生物活住的研究 9
a苯 甲鑫
b阿魏鞋 FA
c对一缸丁基甲鞍 乓fT·BA
图 j 3种不同浓度的他感化台物对小麦生长的影响
Fig 5 Efect of three aleloehemicals at different concentrations on the growth of wheat
a．苯甲醛 BA；b．阿魏酸 FA；c．对一叔丁基苯 甲酸 4一T BA
时，对小麦的根和苗的抑制作用才十分明显。图 5b所示阿魏酸对小麦的试验结果，当浓度
在 1O0 mg／1以下 对小麦生长略有影响，然而当浓度在 200 mg／1以上，对苗，特别是对根
有 明显的抑制作用 阿魏酸不抑制小麦种子的萌发 ，但抑制生长。圉 5c所示对一叔丁基苯
甲酸的试验结果 与对照比较，当浓度在 50 mg／1时对根及苗生长就产生抑制作用 并且
随浓度的增加这种抑制增强，到 200 rag／1 基本不长根 苗也很弱。这 3种他感物质对小
麦的试验结果表明，对 叔丁基苯甲酸是很强的一种他感化合物。
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l0 生 态 学 报 】6卷
4 结论
从鉴定出的化合物中挑选十四烯 1、苯甲醛和以前未见报道的、由本作者鉴定出的对
叔丁基苯甲酸，以及已经公布过的具有他感作用的阿魏酸。选择的依据是 ：样品提取物中
多次出现 未分离前样品生物检验对植物种子有抑制作用；从化合物结构上与已公布过的
具有他感作用化合物有相似性。它们不是来 自环境污染，包括样品处理过程中(由空白及对
照样品确定j以及使用农用化学 品及其在环境 中的降解物(聊城科技农业园试验田 前是荒
地，近两年开垦种小麦、玉米，施过尿素和磷酸二铵．使用的农药有 ：西维因、三氯杀螨醇、
1605、多菌灵 、辛硫磷和呋喃丹。根据文献报道 ，所选的化合物均不属于农药母体及其
在环境中的降解代谢产物)，这几种化合物可能是有机残体腐烂过程中产生的。这正是大
家所关心的一些他感他合物。
这 3种化合物的他感作用具有显著差别：十四烯一1，在浓度为 2000 mg／l时，对玉米、
小麦、田菁 、稗子4种植物种子无抑制作用．它不是他感物质 苯甲醛，浓度在 200 mg／l以
上对试验作物种子具有明显的抑制作用，他感作用最强烈的为对一叔丁基苯甲酸，它对所有
试验作物都有很强的抑制作用，包括对种子萌技．根生长以及苗生长 的抑制作用，而且仅
在浓度为 50 mg／1．这种抑制作用就表现 出来，随浓度增加抑制作用越强烈。在浓度 小于
50 mg／1时对一叔丁基苯甲酸和阿魏酸还表现出刺激作用。对一叔丁基苯甲酸，可能是至今报
道过的较强的一种他感化合物，将严重影响大 田作物生长及产量。作者将对这一化 台物产
生的条件、来源做进一步研究 此外，鉴定出的化合物类还包括酯类、酮、其它芳香醛等、
对这些化合物的生物活性试验有待进一步研究
参 考 文 献
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