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葱属植物化感作用研究进展



全 文 :北方园艺2016(03):189~194 ·专题综述·
第一作者简介:杨阳(1982-),女,湖北松滋人,博士,副教授,现主
要从事蔬菜栽培生理生态及园艺植物与病原菌互作机制等研究
工作。E-mail:513214146@qq.com.
基金项目:国家自然科学基金资助项目(31401920);武汉市属高校
产学研结合资助项目(CXY201435)。
收稿日期:2015-10-08
DOI:10.11937/bfyy.201603051
葱属植物化感作用研究进展
杨   阳1,何 师 国2
(1.武汉生物工程学院 生命科学与技术学院,湖北 武汉430415;2.武汉生物工程学院 继续教育学院,湖北 武汉430415)
  摘 要:近年来关于葱属植物化感作用的研究日益增多,现主要从葱属植物化感潜势和化感
物质种类、葱属植物化感作用在农业生产中的应用、葱属植物化感物质对土壤生态环境影响、葱
属植物化感作用分子机理及未来发展趋势等方面进行了综述,以期为合理利用葱属植物化感作
用/促进农业生态系统良性循环发展提供参考。
关键词:葱属;化感作用;化感物质;分子机理
中图分类号:S 633 文献标识码:A 文章编号:1001-0009(2016)03-0189-06
  葱属(AliumL.)植物属百合科(Liliaceae)多年生草
本植物,是单子叶植物纲百合科中最大的属之一。植物
化感作用是指一种活体植物(供体)生成并通过挥发、淋
溶、分泌和分解等方式向环境释放某些化学物质而影响
周围其它植物(受体)的生长和发育的化学生态学现
象[1]。化感作用对自然植物群落的形成、演替和农作物
对病虫害的抗性以及连、间、套作方式有重要的影响[2]。
由于许多葱属植物可以有效杀灭某些有害病菌,减少相
关病害的发生[3],因此常被用于与其它作物轮作、间作
和套作[4]。近年来,利用化感作用原理合理安排间、轮、
套作解决连作障碍问题已成为研究热点之一[5-6]。现从
葱属植物化感潜势和化感物质种类、葱属植物化感作用
在农业生产中的应用、葱属植物化感物质对土壤生态环
境影响、葱属植物化感作用分子机理及未来发展趋势等
方面进行了综述,以期为合理利用葱属植物化感作用,
促进农业生态系统良性循环发展提供参考。
1 葱属植物化感潜势和化感物质种类
葱属植物许多种存在化感作用,如大蒜、小根蒜、胡
葱、大葱、洋葱、分蘖洋葱、细香葱和韭菜等(表1),而大
蒜、分蘖洋葱化感作用研究较为深入。葱属植物植株浸
提液、根系分泌物或挥发物等对多种受体植物种子萌发
和幼苗生长表现出“低浓度促进、高浓度抑制”、“促进”或
“抑制”效应,对多种枯萎病菌(Fusarium oxysporumf.sp.
Cucumerinum,F.oxysporiumf.sp.niveum、F.oxysporum
f.sp.Gladioli,Fusarium oxysporumf.sp.Cubense,F.
oxysporumf.sp.lycopersici),青枯病菌(Ralstonia
solanacearum,Pseudomonas solanacearum)和灰霉病菌
(Botrytis cinerea)的孢子萌发及菌丝生长起抑制作用。
植物所释放的次生代谢物是化感作用的媒体,称为
化感物质。RICE[7]将化感物质分为包括水溶性有机酸、
直链醇、脂肪族醛和酮;简单不饱和内酯;长链脂肪酸和
多炔;醌类;苯甲酸及其衍生物;肉桂酸及其衍生物;香
豆素类;内黄酮类;单宁;内萜;氨基酸和多肽;生物碱和
氰醇;硫化物和芥子油苷;嘌呤和核苷等在内的14类物
质。葱属植物被鉴定出的可能化感物质多为有机酯类、
有机酸类、酚类、有机硫化物、烷烃、烯烃、醛酮类、醇醚类
和含苯化合物等。
2 葱属植物化感作用在农业生产中的应用
通过确立葱属植物与其它作物之间存在的化感作
用关系,合理规划田间作物栽培模式,可解决设施栽培
中连作障碍难题[30]。目前,国内外研究者主要从控制病
虫害、抑草、提高光合作用、增产等角度设计葱属植物与
其它作物轮、间、套作种植模式。番茄-韭菜套作显著延
缓及抑制番茄细菌枯萎病的发生[28]。香蕉与韭菜轮作
或套作可控制香蕉巴拿马萎蔫病,提高耕地生物多样
性[6]。小扁豆(Lens esculinta L.)分别和孜然(Cuminum
cyminumL.)、茴芹(Pimpinela anisumL.)、洋葱、大蒜
套作可显著降低小扁豆猝倒病和根腐病[31]。化感潜力
强分蘖洋葱与黄瓜套作可降低黄瓜枯萎病发病率,并提
高黄瓜单株产量[25,32],使黄瓜667m2产量增加51%[33]。
番茄-分蘖洋葱套作,可使番茄抗病增产[34]。卷心菜
(Brassicae oleracea)-洋葱、卷心菜-大蒜套作显著降低虫
害流行、移栽后植物死亡率、叶片损害,并提高卷心菜产
量,行间套作优于行内套作[35]。油菜(Brassica napus)-大
蒜套作可降低蚜虫(Brevicoryne brassicae)数量、叶片损
害,提高叶重,建议推广给蔬菜种植户[36]。芹菜(Apium
graveons L.)-韭菜套作可抑制杂草生长,降低杂草相对
土壤覆盖41%,使欧洲千里光(Senecio vulgaris L.)密度
和生物量分别降低58%、98%,总产量提高10%[37]。将
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·专题综述· 北方园艺2016(03):189~194
    表1 葱属植物中存在化感作用的种及其化感潜势
  Table 1 Some species of Alliumwith demonstrated alelopathic potential

Species
释放方式
Release pathway
可能的化感物质
Putative alelochemicals
化感潜势
Alelopathic potential
大蒜
(Allium sativumL.)
根系分泌[8-9];鳞
茎粗提液[10];叶
片浸提液[11];秸
秆腐解物[12-13];
挥发物[14]
咖啡碱、N-叔丁氧羰基-L-缬氨酸、二氟尼酸[12-13];二烯
丙基二硫化物、1,3-二噻烷、邻苯二甲酸二丁酯、烷烃、
烯烃、酯类化合物和含苯化合物[14];2-甲氧基-1,6-己二
酸甲酯、邻苯二甲酸二丁酯、3-甲氧基-4-羟基-苯甲酸、
对羟基苯甲酸、对甲氧基苯酚[15];2,2′-亚甲基双(4-甲
基-6-叔丁基基)苯酚、邻苯二甲酸二辛酯、5-辛基巴比妥
酸、花生酸、阿魏酸、9-十六稀酸、肉豆蔻酸、二烯丙基二
硫化物[16]
对番茄和辣椒(Capsicum annuum L.)的生长整体表现为促进作
用[8];对莴苣(Lactuca sativa)种子萌发和幼苗生长“低促高抑”,抑
制黄瓜枯萎病菌(Fusarium oxysporumf.sp.Cucumerinum)和西瓜枯
萎病菌(F.oxysporiumf.sp.niveum)的孢子萌发及菌丝生长[9];抑
杀番茄灰霉病菌(Botrytis cinerea)[10];抑制Ralstonia solanacearum,
降低番茄枯萎病[11];对黄瓜(Cucumis sativus L.)种子萌发及幼苗
生长“低促高抑”双重浓度效应,对番茄(Lycopersicon esculentum
Mil.)和萝卜(Raphanus sativus L.)则表现出抑制作用[14]
小根蒜(Allium
macrostemnonBunge)
浸提液[17] 未检测
抑制反枝苋(Amaranthus retroflexus)、马唐(Digitaria sanguinalis)
和稗草(Echinochloa crusgalli)种子萌发及幼苗生长[17]
胡葱(Allium
ascalonicumL.)
浸提液[18] 未检测
抑制莴苣和萝卜种子萌发,对莴苣、小白菜(Brassica chinensis L.)、
萝卜和黄瓜幼苗生长有促进作用[18]
大葱
(Allium fistulosumL.)
根系浸提液[19];
根系分泌物[20];
挥发物[21]
杂环化合物、酯类、酰胺类、酸类、烃类、醛酮类、酚类、醇
醚类以及萘类等[20];1-甲乙基丙基二硫化物、二丙基三
硫化物、2,2-二甲基-1,-二噻烷、甲基丙基二硫化物、2-甲
基-2-丙烯酸-2-经基丙酯等[21];烯丙硫醇、环戊硫醇[22]
抑制樱桃萝卜(Raphanus sativus L.var.radculus pers)种子萌发,促
进幼苗苗高[19];对黄瓜种子萌发和芽苗生长均表现“低促高抑”,抑
制枯萎病菌菌丝生长和孢子萌发[20];抑制铜绿微囊藻(Microcystis
aeruginosa,M.aeruginosat)生长[22]
洋葱
(Allium cepaL.)
浸提液[23] 酮类、烷烃类和胺类、二甘醇、联苯、二丙基二硫醚[24]
抑制F.oxysporumf.sp.gladioli,降低剑兰(Gladiolus grandiflorus
L.)球茎腐烂病的发病率和病情指数[23]
分蘖洋葱(Allium cepa
L.var.multiplcans Bailey
syn.var.AgrogatumDon)
根系分泌[25-26]
甲酸、丙酸、丁酸、戊酸、羟酸、苯甲酸、苯乙酸、苯二甲酸
及二硫化物[27]
促进黄瓜种子萌发和幼苗生长,抑制黄瓜枯萎病菌孢子萌发和菌丝
生长[25];促进番茄幼苗生长,抑制番茄枯萎病菌(F.oxysporumf.sp
lycopersici.)孢子萌发,菌丝生长,生物量及孢子繁殖[26]
细香葱
(Allium tuberosum)
挥发物[21];根系
分泌[28]
二丙基二硫化物、二丙基三硫化物、1,2-二(硫代丙基)-
丙烷、1-丙硫醇、2-甲基-2-丙烯酸-2-羟基基丙酯等[21]
抑制番茄青枯病菌(Pseudomonas solanacearum)[28]
韭菜
(AliumtuberosumRotler)
挥发物[6]
2-甲基-2-戊醛和4种有机硫化物 (二甲基三硫醚、二甲
基二硫醚、二丙基二硫醚、二丙基三硫醚)[6]
抑制香蕉(Musaspp.)枯萎病菌(Fusariumoxysporumf.sp.Cubense)[6]
鸦葱(Allium vineale L.) 浸提液[29] 未检测 抑制小麦(Triticum aestivumL.)蚜虫[29]
洋葱或大蒜残茬烘干磨碎后拌入土壤,随着腐败分解,
将土壤温度升高至39℃时,可降低稗草(Echinochloa
crusgali(L.)P.Beauv.)、马齿苋(Portulaca oleracea
L.)、水蒜芥(Sisymbrium irio L.)等杂草种子萌发[38]。
AHMAD等[39]研究发现,与单作相比,套作大蒜可以提
高辣椒叶绿素含量,光合速率及过氧化氢酶(Catalase,
CAT)、过氧化物酶(Peroxidase,POD)、多酚氧化酶
(Polyphenol oxidase,PPO)等抗氧化酶活性。在印度雨
季,采用辣椒-洋葱、辣椒-大蒜、辣椒-芫荽(Coriandrum
sativumL.)套作栽培模式,在推荐施肥量下辣椒-大蒜套
作纯收益最高[40]。
3 葱属植物化感物质对土壤生态环境影响
作物的生长状况与其生长的土壤环境密不可分,土
壤养分、土壤酶活性及土壤微生物类群、数量、分布是综
合评价土壤生态环境的重要指标[41-42],研究者从上述3
个方面研究了葱属植物化感物质对土壤生态环境的影响。
大葱根系分泌物可显著提高黄瓜幼苗根际土壤的
pH值,降低EC值,增加速效氮、有效磷和速效钾含量,
增强土壤磷酸酶、脲酶和过氧化氢酶活性,增加土壤细菌、
放线菌和真菌数目,降低真菌在微生物总量中的比例[43]。
不同化感潜力的分蘖洋葱根系分泌物总体提高了黄瓜幼
苗根际土壤碱解氮、有机质、速效磷和速效钾含量,有利于
土壤过氧化氢酶、过氧化物酶、转化酶及脲酶活性的提
高[44],增加了土壤细菌和放线菌数量,降低了真菌和尖镰
孢菌数量,化感潜力强的品种(L-06)效果更显著[45]。在
莴苣整个生长期,蒜土比例(1∶100、3∶100和5∶100)
的大蒜秸秆腐解物显著促进土壤脲酶和蔗糖酶活性[13]。
与化感潜力强的分蘖洋葱套作,黄瓜根际土壤电导
率降低、pH值提高;根际土壤过氧化氢酶和转化酶活性提
高,过氧化物酶活性降低;根际土壤细菌丰富度增加[32]。
大棚黄瓜套作大蒜显著增加了土壤中的细菌数量[46]。
大棚番茄套蒜是丰富土壤微生物多样性和酶活性的有
效措施,连续3年定位套蒜可以改善大棚番茄连作带来
的土壤微生物数量少,土壤酶活性低的问题[47]。大棚番
茄冬闲季节轮作蒜苗显著增加基质中微生物总量、细菌
数量和细菌/真菌比例,降低真菌数量;提高基质中蔗糖
酶、脲酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶活性[48]。大蒜可促
进根际土壤细菌、放线菌和真菌的生长,间接提高根际
土壤脲酶、磷酸酶和过氧化氢酶的活性,从而提高大蒜
根际土壤中氮、磷等营养元素的周转与循环,为下茬作
物提供良好的微生态环境[49]。XIAN等[50]研究表明随着
套作大蒜鳞茎数量增加,黄瓜土壤有机质、速效N、P、K显
著增加,中等水平300、450、600g大蒜鳞茎与黄瓜套作,黄
瓜生物量和微量元素(N、P、K、Ca及Mn等)积累最多。
总之,葱属植物向环境释放的化感物质,提高受体作
物根际土壤养分,增加土壤酶活性和土壤微生物群落多样
091
北方园艺2016(03):189~194 ·专题综述·
性,创造良好的土壤营养环境,从而降低病害,增加产量。
4 葱属植物化感作用分子机理研究
随着分子生物学技术的发展,QTL定位[51],RAPD、
ISSR、RFLP、SSR分子标记技术[52-54],FQ-PCR[55],SSH[56],
双向电泳技术[57-59],RNA干扰[60],高通量测序[34]等技术
已成功应用于化感作用的研究。而由于化感作用涉及
的影响因素较为复杂,化感相关基因研究难度较大,目
前仅在水稻、紫茎泽兰、茶树、大豆等物种中取得了突
破[60-63]。在酚酸类化感物质合成代谢途径中,编码
苯丙氨酸解氨酶(PAL)、肉桂酸4-羟化酶(Cinnamate
4-hydroxylase,C4H)、查尔酮合成酶(Chalcone synthase,
CHS)及黄酮烷3-羟化酶(Flavanone 3-hydroxylase,F3H)
    
等基因是当前化感领域研究较多的基因。
目前,国内外采用分子手段研究葱属植物化感作用
的报道较少。YANG等[59]以化感潜力弱L04、化感潜力强
L06分蘖洋葱为材料,利用双向电泳及MALDI-TOF-TOF
质谱技术研究分蘖洋葱单作及与黄瓜套作栽培模式下
蛋白表达谱,共鉴定出47个差异蛋白点,其中13个差异
蛋白点参与苯丙烷代谢途径合成酚酸类化感物质,另有
10个差异蛋白点参与有机硫化物代谢途径合成有机硫
化物类化感物质,分蘖洋葱主效化感物质合成代谢途径
很可能为苯丙烷代谢途径(图1)和机硫化物代谢途径
(图2)。刘淑芹[34]采用转录组测序和双向电泳技术,筛
选出7个与分蘖洋葱化感作用相关的基因,分别为苯
    
  注:PAL,苯丙氨酸解氨酶;C4H,肉桂酸4-羟化酶;4CL,4-香豆酰辅酶A连接酶;CHS,查尔酮合成酶;CHR,查尔酮还原酶;CHI,查尔酮异构酶;
F3H,黄酮烷3-羟化酶;DFR,二氢黄酮醇4-还原酶;ANS,花青素合成酶。
Note:PAL,Phenylalanine ammonia-lyase;C4H,Cinnamate 4-hydroxylase;4CL,4-coumarate CoA ligase;CHS,Chalcone synthase;CHR,Chalcone re-
ductase;CHI,Chalcone isomerase;F3H,Flavanone 3-hydroxylase;DFR,Dihydroflavonol 4-reductase;ANS,Anthocyanidin synthase.
图1 苯丙烷代谢途径[64]
Fig.1 Phenylpropanoid pathway[64]
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图2 有机硫化物生物合成代谢途径[66]
Fig.2 Organosulphur compounds biosynthetic pathway[66]
丙氨酸解氨酶、蒜氨酸、f-box族蛋白、NAD-差向异构
酶、GTP结合蛋白、细胞色素b6-f复合物铁硫亚单位、
细胞色素P450。刘淑芹等[58]运用双向电泳技术和
MALDI-TOF-MS质谱鉴定技术研究番茄单作、番茄-分
蘖洋葱套作栽培模式下,番茄叶片蛋白质表达谱的变
化,共鉴定出39个差异表达蛋白,分为9类,差异较大
的是与光合(11个)、代谢(10个)、植物抗性(8个)相关
的蛋白,其中热激蛋白、硫氧还蛋白、多酚氧化酶、景天
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北方园艺2016(03):189~194 ·专题综述·
庚酮糖-1,7-二磷酸酶、S-腺苷硫氨酸脱氢酶、ATP 结合
蛋白在番茄套作后表达量均有不同程度上调,套作后番
茄植株抗性增强,为分蘖洋葱套作番茄的控病增产提供
有力的理论依据。刘丹等[66]克隆分蘖洋葱查尔酮异构
酶(Chalcone isomerase,CHI)基因并构建了超表达和干
扰载体,为CHI基因功能研究奠定基础。
5 展望
葱属植物化感作用的研究目前还主要集中在化感
潜势、化感物质的分离鉴定、抑菌、抑草、轮间套作、土壤
生态等方面。充分利用葱属植物在化感作用机理和应
用研究上的潜力,对促进农业生态系统的良性循环有着
重要意义。今后可加强以下几个方面的研究:葱属植物
具有化感潜势物种的调查与应用研究;葱属植物主效化
感物质的鉴定及合成代谢途径研究;葱属植物化感相关
基因克隆及功能研究;对受体作物基因表达调控研
究[67];将葱属植物化感物质开发成为实用除草剂和植物
生长调节剂[68];培育有益化感效应的葱属品种,抑制杂
草和病虫害[69]。
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Research Progress on AliumAlelopathy
YANG Yang1,HE Shiguo2
(1.Colege of Bioscience and Biotechnology,Wuhan Institute of Bioengineering,Wuhan,Hubei 430415;2.Colege of Further Education,Wuhan
Institute of Bioengineering,Wuhan,Hubei 430415)
Abstract:In recent years,the researches about Aliumplant alelopathy are increasing.This paper mainly reviewed the
research progress made in alelopathic potentials and alelochemicals of Alium,applications of Aliumalelopathy in
agricultural production,influences of Aliumalelochemicals on soil ecological environment,molecular mechanism and the
future research trends of Aliumalelopathy in order to provide the references to rational utilization of Aliumalelopathy
and realize the positive recycling of agroecological system.
Keywords:Alium;alelopathy;alelochemical;molecular mechanism
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