全 文 ：园 艺 学 报 2004，31(2)：183～188
Acta Hoaieulturae Sinica
一
苯丙烯酸对黄瓜幼苗光合作用和细胞超微结构的影响
吴凤芝 ， 潘 凯 马凤鸣 王学东
(’东北农业大学，哈尔滨 150030； 东北林业大学，哈尔滨 150040)
摘 要：通过基质栽培研究不同浓度的苯丙烯酸对黄瓜幼苗光合作用和超微结构的影响。结果表明，
苯丙烯酸浓度在80 p,mol·L 时显著地降低了黄瓜幼苗的叶面积、叶绿素a含量、光合速率、蒸腾速率、
根系活力和气孔张开数 (P<0．05)；叶绿体和线粒体等超微结构也受到破坏，而浓度在150 p,mol·L 时
显著减少了全株干质量和气孔总数，细胞器出现解体现象。
关键词：黄瓜；苯丙烯酸；根系活力；光合作用；超微结构
中图分类号：S 642．2 文献标识码：A 文章编号：0513-353X(2004)02-0183-06
Effects of Cinnamic Acid on Photosynthesis and Cell Ultrastructure of
Cucumber Seedlings
Wu Fengzhi ，Pan Kai ，Ma Fengming ，and Wang Xuedong
(。Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China； Northeast Forestry University，Harbin 150040，China)
Abstract：，I’he innuence of cinnamic acid at diferent concentrations(O，80，150 ixmol·L )on leaf
gas exchange and cel uhrastructure of cucumber seedlings was investigated in substrate culture． Resulted
showed that the einnamie acid at 80 ixmol·L～ significantly reduced the leaf—area，the content of chlorophyll
a，the photosynthesis rate，the respiratory rate，the activity of root an d the opening number of stomata，ac-
eompanied by a deformation of the uhrastructures of chloroplast， mitoehondfion． More sign ifcan t efects were
observed at a 150 p~mol·L～ cinnamie acid treatment． All these showed that cinnamic acid significantly in—
fluenced the photosynthesis by reducing the activity of root，function of the chloroplast and mitoehondrion，sto-
mata operation．
Key words：Cucumb er；Cinnamic acid；Root activity；Photosynthesis；Uhrastructure
黄瓜是设施栽培的主要种类，生产上因连作而引起的产量下降和品质变劣问题十分严重 ．¨2 J。近
年来的研究结果表明，蔬菜作物的连作障碍与根系分泌的自毒物质密切相关 J，并已从黄瓜的根系
分泌物中分离出1 1种酚酸类物质，有1O种具有生物毒性，其中苯丙烯酸 (Cinnamic acid)是毒性较
强的一种。当黄瓜连续种植时，根系分泌的酚酸类物质积累到一定程度，就会抑制黄瓜的生长，对黄
瓜产生自毒作用 (化感作用) J。业已证实，自毒物质显著地影响细胞内保护酶 (SOD、POD、CAT)
的活性，使酶系统代谢紊乱，抑制离子吸收，增加离子外渗，降低气孔导度，导致光合速率和蒸腾速
率降低，从而抑制黄瓜的生长 J。然而，自毒物质是否通过抑制叶绿素的合成或通过破坏细胞的超
微结构而影响光合作用，目前未见报道。作者通过基质栽培试验，研究苯丙烯酸对黄瓜幼苗光合作用
及超微结构的影响，为进一步揭示黄瓜自毒作用机制提供科学依据。
1 材料与方法
1．1 材料及处理
供试黄瓜 (Cucumis sativus L．)品种为 ‘山东密刺’，由东北农业大学园艺学院提供；供试苯丙
收稿日期：2003—06—16；修回日期：2003—10—13
基金项目：国家 自然科学基金项 目 (30070430)；黑龙江省 自然科学基金项 目 (coo一05)；哈尔滨市青年科学基金项 目
(0061218018)
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184 园 艺 学 报 3l卷
烯酸 (肉桂酸)由北京原平皓生物技术有限公司提供。采用的栽培基质为蛭石，供试营养液为
Hogland营养液。
挑选籽粒饱满、大小均匀的黄瓜种子，经消毒后于28 c【=浸种催芽。选择发芽势一致的刚刚萌动
的种子播于10 cm x 10 cm盛有蛭石的营养钵中。采用小区栽培，两小区间距为0．5 m，区边用砖垒
砌，区底铺双层塑料薄膜。每个处理设3次重复，随机排列。小区面积为0．9 m ，栽培株数为70株，
设保护行。子叶展平后用 1／4 Hogland营养液浇灌，两叶一心时开始用 1／2 Hogland营养液配制成0、
80和150 mol·L 苯丙烯酸溶液浇灌，分别以对照、B80和B150表示，每3 d浇灌一次，7 d用清
水浇灌一次，以除去基质内积累的盐分。营养液的pH值控制在6．0～6．1，常规管理。处理后第 16
天进行黄瓜幼苗叶面积、全株干质量、光合作用等指标分析测定和超微结构电镜观察。
1．2 测定项目与方法
光合速率和蒸腾速率的测定采用美国CID公司CI一310便携式光合测定仪测定。叶面积采用美国
生产的LI．COR．3000型叶面积仪测定。根系活力采用氯化三苯基四氮唑 (1Trc)还原法测定 ⋯¨，单
位为I,zg·g一·min FM。叶绿素含量测定采用丙酮乙醇等量混合浸提法 ¨，根据色素分子 (叶绿素
a、b)的吸收光谱不同，测定各特定峰值波长下的光密度，以mg·g。。FM为单位。
取根尖及幼苗下数第2片叶进行透射电镜 (根尖和叶片超微结构)和扫描电镜观察 (气孔开张
和关闭情况)。(1)透射电镜观察：将幼苗根尖和叶片用双面刀片切成 1 mm x2 mm，迅速放入戊二
醛固定过夜 (0．1 mol·L 的pH 6．8磷酸缓冲液)，用真空抽气法将材料沉入固定液底部，于4．0 c【=
下保存。然后用1％的锇酸固定1．5 h后，用乙醇梯度脱水，丙酮置换，环氧树脂812包埋，60 c【=恒
温聚合。用超薄切片机切成0．7～0．8 nm的超薄切片，经醋酸双氧铀、柠檬酸铅双重染色，JEM一
1200EX透射电镜下观察并拍摄电镜照片。(2)扫描电镜观察：将幼苗叶片的叶肉用双面刀片切成2
mm x5 mm的小条，迅速放入戊二醛固定过夜 (0．1 mol·L 的pH 6．8磷酸缓冲液)，用真空抽气
法将材料沉入固定液底部，于4．0 c【=下保存。磷酸缓冲液冲洗，乙醇梯度脱水，醋酸异戊酯置换，
CO 临界点干躁，离子溅射镀膜。KYKY一1000B扫描电镜下观察叶片背面并拍摄电镜照片。每个处
理取3张同样大小 (9 cm x6 cm)同样倍数 (×500)的照片记录气孑L数，然后根据照片上的标尺
换算。
试验原始数据的整理采用Excel软件完成，差异显著性测验采用SAS软件完成。
2 结果与分析
2．1 苯丙烯酸对黄瓜幼苗叶面积、全株干样质量和叶绿素含量的影响
表1是苯丙烯酸处理后黄瓜幼苗叶面积、全株干样质量和叶绿素含量的分析结果。结果表明，
B80和 B150处理的叶面积与对照相比分别减少了 36．6％和 53．7％，达到了差异显著水平 (P<
0．05)，但B150与B80之间则没有显著差异。苯丙烯酸也明显地减少了植株的干物质积累，与对照
相比，B80处理全株干样质量下降了19．2％，没达到差异显著水平，B150处理的干物质产量下降了
44．6％，达到了显著水平。此外，苯丙烯酸对叶绿素含量也产生影响。B80、B150处理的叶绿素a，
叶绿素 (a+b)与对照比较均达到了差异显著水平，B80和B150处理间无显著差异。B80处理的叶
绿素b与对照和B150间无显著差异，B150与对照差异显著。苯丙烯酸对叶绿素a的影响大于叶绿素
b，说明苯丙烯酸可能使叶绿体的光系统反应中心受到较大的伤害 ¨。
2．2 苯丙烯酸对黄瓜幼苗光合作用的影响
表2是苯丙烯酸处理后黄瓜幼苗光合作用和根系活力的测定结果。结果表明，苯丙烯酸降低了黄
瓜幼苗的光合速率。与对照相比，B80、B150的光合速率分别降低了34．6％和60．9％，达到了差异
显著水平 (P<0．05)，B150与B80相比降低了40．3％，也达到了差异显著水平，说明当苯丙烯酸浓
度达到80 I,zmol·L。。时已显著降低了黄瓜幼苗的光合速率，并随着处理浓度的增加，对光合速率的
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2期 吴凤芝等：苯丙烯酸对黄瓜幼苗光合作用和细胞超微结构的影响 185
影响较大。苯丙烯酸降低了黄瓜幼苗的蒸腾速率和根系活力。B80和B150与对照相比，蒸腾速率分
别降低了44．2％和70．5％，均达到了差异显著水平，B150与B80相比降低了47．1％，差异显著。与
对照相比，B80和B150的根系活力分别降低了42．3％和62．4％，达到了差异显著水平，B150比B80
降低了34．9％，但没有达到差异显著水平。说明苯丙烯酸的浓度为80 mol·L 时显著降低了黄瓜
幼苗的蒸腾速率和根系活力，浓度增加到150 I~mol·L 对蒸腾速率的影响显著，而对根系活力的影
响不显著。
表1 苯丙烯酸对黄瓜幼苗叶面积、全株干样质量、叶绿素含量的影响
Table1 SignificantdHTerence analysis ofthe efectof cinnamic acid onleafarea。drymass and c~orophyU
contents in cucumber seedling
注：a、b、C不同字母表示差异显著水平 (P<0．05，以下同)
Note：The values with the same leter are not signifcantly diferent(P表2 苯丙烯酸对黄瓜幼苗光合作用及根系活力的影响
Table 2 Efects of dnnamie acid on photosynthetic rate and root activity of cucumber seedling
2．3 苯丙烯酸对黄瓜幼苗超微结构的影响
图版I是苯丙烯酸处理 16 d后黄瓜叶片和根系的超微结构变化。图版 I，A1和 A2是对照和 B80
叶片叶绿体超微结构，可见对照叶绿体基质片层和基粒片层结构完整，界限清晰。而处理B80的基
质片层肿胀，界限不清晰。从图版I，B1和B2看出，对照线粒体完整，数多而大，嵴清晰，而经苯
丙烯酸处理后，线粒体嵴结构失去完整性。从图版I，C1和C2可见，对照根系贮藏组织丰富，淀粉
粒多而清晰，而经苯丙烯酸处理后内容物减少，淀粉体受到破坏，根系的储藏功能减弱。
表3 苯丙烯酸对黄瓜幼苗叶片气孔的影响
Table 3 Efects of P．illlstmle acid onleaf stoma of cucumber seedling
图版Ⅱ和表3是苯丙烯酸处理后的气孔结构变化，对照叶片的气孔数多，其中张开数占总气孔数
多，而经苯丙烯酸处理的黄瓜叶片气孔数减少，其中张开数占气孔总数减少。此外，对照的气孔向下
凹陷，气孔张开度大，而B150处理的气孔凸起，气孔张开度小 (气孔导度降低)。表3表明，B150
的气孔数显著少于对照和B80，对照和B80差异不显著；B80和B150的气孔张开数均显著低于对照，
B80和B150间差异显著；B80张开气孔占总气孔数百分比显著高于B150，低于对照，B150则显著低
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于对照和B80。以上气孑L的变化表明，苯丙烯酸影响了气孑L的结构，使气孑L关闭，cO：进人受阻，从
而影响光合作用。气孑L超微结构的这种变化，与Yu等 报道的气孑L导度结果一致。
3 讨论
Yu等" 研究结果表明，根系分泌物、提取物对水培黄瓜幼苗蒸腾速率的影响大于对光合速率的
影响，当根系提取物和酚类化合物在100 mg·L 时对蒸腾速率的抑制率分别为85％一95％和5l％一
87％，对光合速率的抑制率分别为49％一83％和7％一43％。本研究结果表明，苯丙烯酸在所试的浓
度范围内，对黄瓜幼苗蒸腾速率的影响小于光合速率，其抑制率分别是 6．75％ 一23．98％和
34．62％一123．64％。出现这种差异的可能原因有两点，一是不同的自毒物质对植物的自毒作用的方
式可能不同；二是不同的黄瓜品种，即植物的基因型不同，其对自毒物质的反应具有一定差异，具体
原因有待进一步研究证实。
Paterson L】 认为，1 mmol·L 的咖啡酸等1O种有机酸可明显抑制大豆的生长。Kim等 ¨¨ 认
为，5 mmol·L 的阿魏酸可明显抑制种子发芽和幼苗生长。祝心如等 ¨认为苯丙烯酸在100 mmol·
L 可抑制小麦种子萌发。Chou和Leu ¨在研究水稻减产原因时发现，双季稻减产的主要原因是自
毒作用，当水稻根系分泌及秸杆腐解释放的杏仁酸达到0．1 mol·L 时水稻减产。本研究结果表明，
苯丙烯酸浓度在80 Ixmol·L 时对叶面积、全株干样质量、叶绿素a、根系活力、光合作用均产生显
著或极显著抑制作用，较前人研究结果降低了一个数量级。其可能的原因有三点，一是前人采用的化
感物质是根系分泌物的提取物或残茬的浸提物，例如Paterson和Kim等均采用的是根系分泌物的提
取物，而本研究采用的是根系分泌物中自毒物质之一的苯丙烯酸；二是化感物质不同，作用的受体不
同，其临界浓度则不同。例如他们采用的化感物质是咖啡酸和阿魏酸等，作用受体是大豆，而本研究
采用的是苯丙烯酸，作用受体是黄瓜；三是作用不同，其化感作用浓度不同。即使是同一化感物质，
作用同一受体，但温度、湿度和营养等不同，其化感作用浓度不同。祝心如等 ¨采用的虽然是苯丙
烯酸，但作用的受体是小麦，而不是黄瓜。
本研究表明，苯丙烯酸对黄瓜幼苗的叶绿体、线粒体等细胞器的超微结构具有明显的破坏作用，
从而影响叶绿素的合成。150 Ixmol·L 高浓度处理使细胞器解体变为泡状体，气孑L开度变小可能是
造成光合速率、蒸腾速率降低的主要原因。此外，根系与叶片不仅在同化产物上存在库与源的关系，
同时存在水分和无机营养的供需关系。本研究结果表明，苯丙烯酸对黄瓜幼苗的根系活力具有明显的
抑制作用，使吸水能力降低，地上部叶片因生理缺水而造成气孔关闭，进而影响光合作用。
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圈版 I 苯丙烯酸对黄瓜幼苗超微结构的影响
Al，A2，Bl，B2：叶片；C1，C2：根；A1，B1，C1：对照；A2，B2，C2：苯丙烯酸80 m0l·L_。；CH：叶绿体；M：线粒
体；s：淀粉粒。
Plate I Efects of~jnnalnl1]~acid on ultrastructure of cucumber seedlings
Al，A2， Bl， B2： Leaf；C1，C2：Root； A1，B1， C1： Control；A2， B2
，
C2：Cinnamic acid 80 mol·L～ ； CH ：Cholroplast；
M ：Chondriosome； S： Starch slain．
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l88 园 艺 学 报 3l卷
图版Ⅱ 苯丙烯酸对黄瓜幼苗叶片气孔超微结构的影响
A1，B1：对照；A2：苯丙烯酸 80 txmol·L～；A3，B2：苯丙烯酸 150 txmol·L～。
Plate I Efects of cinnamic acid Ol leaf stomata ultrastructure of cucumber seedlings
A1．B1：Control；A2： Cinnamic acid 80 trmol·L～ ； A3，B2：Cinnamic acid 150 txmol·L
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