白 禎，黃 玥，黃建國

(西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，北碚 400716)

黃花蒿又名青蒿(Artemisia annua L.)，為菊科1年生草本植物，已入藥2000多年，具有清熱解毒的功效，是中醫(yī)常用中草藥之一。20世紀(jì)70年代，我國科學(xué)家從黃花蒿中分離出青蒿素，黃花蒿成為提取青蒿素的唯一原料藥材［1］。目前，全世界有40% 左右的人口受到瘧疾威脅［2］，青蒿素是世界衛(wèi)生組織(WHO)推薦治療瘧疾的首選藥物。

黃花蒿在生長過程中，通過根系分泌、降雨淋溶和枯枝落葉等多種途徑向土壤釋放化感物質(zhì)——青蒿素。Karina等［3］報道，在種植黃花蒿的北歐土壤中，青蒿素平均含量為11.7 mg/kg;種植黃花蒿之后，肯尼亞土壤中青蒿素含量高達(dá)到25 mg/kg［4］;土壤溶液中青蒿素濃度可能是風(fēng)干土壤的5倍以上［5］。研究表明，青蒿素及其前體可調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育［6］，抑制多種雜草的根芽和地上部生長［7-8］。當(dāng)土壤中的青蒿素濃度達(dá)到6—24 mg/kg時，抑制小麥、玉米、萵苣、蘿卜、油菜、甘藍(lán)等多種作物的種子發(fā)芽和幼苗生長［9-11］。在重慶市黃花蒿種植區(qū)，后茬作物小麥、油菜、青菜也有明顯的減產(chǎn)現(xiàn)象［12-13］。在土壤和水體中，當(dāng)青蒿素的濃度達(dá)到12 mg/kg時，對蚯蚓和綠藻產(chǎn)生毒害作用［14］，導(dǎo)致土壤肥力和水體生產(chǎn)力降低。因此，集約化種植黃花蒿之后，存在于土壤和水體中的青蒿素可能具有廣泛的生態(tài)危害［8，14-15］。

植物釋放的化感物質(zhì)對周圍其它植物產(chǎn)生有利或有害作用，使之處于生存競爭的優(yōu)勢地位，有利于擴(kuò)大自己的生存空間和種群數(shù)量［16］。研究化感作用可了解生態(tài)系統(tǒng)中植物群落的發(fā)生、發(fā)展和演替規(guī)律，調(diào)控植物的種群結(jié)構(gòu)和生長發(fā)育，減輕化感危害［17］。我國黃花蒿種質(zhì)資源豐富，種植面積和產(chǎn)量占全世界的90%以上。重慶市是我國黃花蒿的主產(chǎn)區(qū)，種植面積和產(chǎn)量約占全國的80%［14］。菜豆、豇豆、大白菜和小白菜是當(dāng)?shù)氐闹饕卟?，前兩者與黃花蒿同季節(jié)，后兩者是黃花蒿的后季節(jié)蔬菜，均不同程度地表現(xiàn)出生長抑制和減產(chǎn)現(xiàn)象。為了弄清黃花蒿對蔬菜生產(chǎn)的化感機(jī)理，減輕化感危害，提高土地整體生產(chǎn)水平，論文作者以上述四種蔬菜為對象，研究了青蒿素對種子萌發(fā)和幼苗生長的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試蔬菜分別為菜豆(Phaseolus vulgaris L)、豇豆(Vigna sinensis L)、大白菜(Brassica pikenensis)和小白菜(Brassica chinensis)，品種依次為蕓豐623、之豇19、華良早五號和四季快熟25d，購于重慶市北碚區(qū)種子門市部。供試青蒿素購于酉陽富民青蒿科技有限公司，純度98.7%。

1.2 試驗(yàn)方法

取健康、飽滿、均勻一致的供試蔬菜種子用 0.5%H2O2消毒 10 min，無菌水洗凈。配制 0、6、12、24、48 mg/L的青蒿素溶液?？紤]到配制高濃度的青蒿素母液需要少量的乙醇助溶，故不含青蒿素的溶液包括純水(對照1)和0.01%乙醇溶液(對照2，相當(dāng)于青蒿素母液稀釋后的最大乙醇濃度)。然后，在25℃的條件下，分別用不同濃度的青蒿素溶液浸種至露白，取菜豆和豇豆各20粒種子，均勻置于底部墊有雙層濾紙的塑料圓盤中(直徑×深度=15 cm×3 cm)，以消毒清潔的石英砂覆蓋;大、小白菜則各取50粒種子均勻置于底部墊有一層濾紙、直徑為9 cm的培養(yǎng)皿中。在25℃培養(yǎng)箱中用無菌水保持濕潤，發(fā)芽至10d備測有關(guān)項(xiàng)目。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

以芽長超過種子長度的1/2為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算發(fā)芽率，并測定苗高和胚根長度。然后，取幼苗根系測定其活力，幼苗葉片測定葉綠素含量。為了解發(fā)芽過程中，種子的碳氮代謝狀況，在浸種后48 h，分別測定種子的呼吸強(qiáng)度，游離氨基酸和可溶性糖含量。

用TD-HX01呼吸作用測定儀測定種子呼吸強(qiáng)度，TTC法測定根系活力;乙醇-丙酮混合提取分光光度法測定葉綠素，茚三酮比色法測定游離氨基酸，蒽酮-硫酸法測定可溶性糖含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

利用Excel進(jìn)行基本數(shù)據(jù)計(jì)算，DPS6.5軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，LSD多重比較法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，顯著水平為 P=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 青蒿素對蔬菜種子發(fā)芽性狀的影響

表1可見，0.01%的乙醇溶液浸種對蔬菜種子的發(fā)芽性狀，如發(fā)芽率、苗高和胚根長度均無顯著影響。但是，青蒿素顯著抑制蔬菜種子發(fā)芽和幼苗生長，抑制作用隨濃度增大而增強(qiáng)。用12 mg/L青蒿素溶液浸種，蔬菜種子的發(fā)芽率、苗高和胚根長度分別比純水浸種降低了41.86%、20.72%和35.67%(菜豆)，48.75%、52.17%和 31.85%(豇豆)，38.82%、47.41%和 42.09%(大白菜)，25.15%、51.94%和 75.00%(小白菜)。

表1 青蒿素對菜豆和豇豆種子發(fā)芽性狀的影響Table 1 Effect of artemisinin on seed germination characters of Phaseolus vulgaris L and Vigna sinensis L

值得注意的是，青蒿素對蔬菜種子發(fā)芽性狀的影響因蔬菜品種和發(fā)芽指標(biāo)不同而異。其中，豇豆種子發(fā)芽率和小白菜幼苗生長降幅最大。當(dāng)青蒿素濃度為48 mg/L時，豇豆發(fā)芽率降低75.00%，小白菜苗高降低88.37%，胚根停止生長。

2.2 青蒿素對蔬菜幼苗葉綠素含量的影響

青蒿素對蔬菜幼苗葉綠素含量的影響因品種不同而異。菜豆和豇豆幼苗葉綠素含量隨青蒿素浸種濃度的逐漸增加而提高，大、小白菜則顯著降低。用48 mg/L青蒿素浸種，菜豆和豇豆分別比對照提高了56.10%和 35.58%，大、小白菜則降低了 53.97%和 96.36%(圖 1)。

圖1 青蒿素對幼苗葉綠素含量的影響Fig.1 Effect of artemisinin on chlorophyll contents in the leaves of young seedlings

2.3 青蒿素對蔬菜幼苗根系活力的影響

圖2可見，用青蒿素浸種，隨著濃度的提高，蔬菜幼苗根系活力降低，其降幅因蔬菜品種不同而異。其中，大、小白菜的降幅顯著高于菜豆和豇豆。在青蒿素的濃度為48 mg/L時，菜豆、豇豆和大、小白菜的根系活力比對照分別降低了 7.76%、37.31%、62.62%和 100.00%。

2.4 青蒿素對蔬菜種子呼吸作用的影響

圖3可見，低濃度青蒿素刺激蔬菜種子的呼吸作用。浸種濃度為6 mg/L，菜豆、豇豆和大、小白菜的呼吸強(qiáng)度分別比對照提高了80%、50%、17.65%和175.0%。但是，高濃度青蒿素抑制種子呼吸。浸種濃度為48 mg/L，它們的呼吸強(qiáng)度分別比對照降低了40%、33.3%、78.5%和25%。

2.5 青蒿素對蔬菜種子可溶性糖的影響

蔬菜種子中的可溶性糖含量隨青蒿素浸種濃度的提高而增加。當(dāng)青蒿素濃度為48 mg/L時，菜豆、豇豆和大、小白菜中可溶性糖含量分別比對照提高 18.09%、43.08%、148.61%和 53.43%(圖 4)。

2.6 青蒿素對蔬菜種子游離氨基酸的影響

圖2 青蒿素對幼苗根系活力的影響Fig.2 Effect of artemisinin on root activities in the leaves of young seedlings

總體上，用青蒿素浸種提高種子中游離氨基酸含量。大白菜種子中的游離氨基酸含量波動較大。用濃度為0—12 mg/L的青蒿素浸種，小白菜種子中的游離氨基酸含量有所降低;當(dāng)青蒿素的濃度為24 mg/L時，則比對照提高了45.99%。隨著青蒿素浸種濃度的提高，菜豆和豇豆種子中的游離氨基酸含量持續(xù)增加，當(dāng)青蒿素濃度為48 mg/L時，比對照分別提高了37.22%和39.05%(圖4)。

圖3 青蒿素浸種對種子呼吸作用的影響Fig.3 Effect of artemisinin on seed respiration when soaking seeds

圖4 青蒿素浸種對白菜種子可溶性糖的影響Fig.4 Effect of artemisinin on soluble sugars in cabbage seeds

3 討論

化感作用普遍存在于自然界中。植物利用化感作用抑制其它植物生長，使自身處于生存競爭的優(yōu)勢地位。番茄根系的分泌物甚至抑制自身生長［18］，胡盧巴分泌的化感物質(zhì)7-羥基香豆素抑制黃瓜根細(xì)胞伸長，大蔥根尖細(xì)胞的有絲分裂，致使根系的縱向生長速率降低，但促進(jìn)根系的橫向擴(kuò)展［19-20］。青蒿素抑制同季菜豆和豇豆種子的發(fā)芽和幼苗生長，有利于擴(kuò)大生存空間;對后季大、小白菜的抑制作用可減少土壤養(yǎng)分消耗，保證來年的養(yǎng)分需要和生長發(fā)育。值得注意的是，化感作用對受體作物生長的影響具有明顯的濃度效應(yīng)和種間差異［21-23］，青蒿素對抑制蔬菜種子發(fā)芽率和幼苗生長的化感作用均隨濃度的提高而增強(qiáng)，其中豇豆種子發(fā)芽率和小白菜幼苗生長對青蒿素最為敏感，類似廣藿香根系分泌物對蘿卜生長的影響［24］。因此，在黃花蒿—蔬菜種植系統(tǒng)中，選擇對青蒿素相對不敏感的豇豆和大白菜，一定程度上可提高土地利用率和農(nóng)業(yè)整體生產(chǎn)水平。

在植物體內(nèi)，葉綠素含量與植物氮素營養(yǎng)密切相關(guān)。菜豆和豇豆幼苗葉片中葉綠素含量隨青蒿素浸種濃度的增加而提高，大、小白菜則顯著降低。在逆境條件下，植物生長受到抑制，植株養(yǎng)分含量表現(xiàn)出“濃縮/稀釋效應(yīng)”，葉綠素含量顯著增加或降低［25］。因此，用青蒿素浸種，葉綠素含量的增減實(shí)際上是抑制幼苗生長的生理表現(xiàn)。此外，根系活力是根系代謝強(qiáng)度的綜合反應(yīng)，與養(yǎng)分吸收能力密切相關(guān)［26］。青蒿素導(dǎo)致幼苗根系活力降低，可能干擾了根系的物質(zhì)能量代謝，不利于田間植株吸收土壤養(yǎng)分。

大量的研究表明，植物產(chǎn)生的化感物質(zhì)影響受體植物體內(nèi)的酶活性，干擾相應(yīng)的物質(zhì)能量代謝或信號轉(zhuǎn)導(dǎo)［27］。青蒿素對蔬菜種子的呼吸作用表現(xiàn)出低促高抑的濃度效應(yīng)，類似云霧山鐵桿蒿莖葉浸提液對百里香種子的影響［28］。小麥秸稈水浸提液能放出萜類化合物，低濃度促進(jìn)黃瓜幼苗生長，高濃度則產(chǎn)生抑制作用［29］。在種子萌發(fā)過程中，胚乳中儲存的淀粉和蛋白質(zhì)經(jīng)水解酶的作用形成低分子的糖類和氨基酸，再經(jīng)合成作用構(gòu)建植物體。用青蒿素浸種，蔬菜種子中的可溶性糖和游離氨基酸含量增加，但幼苗生長受到抑制，說明青蒿素對種子水解酶活性的影響不大，但抑制生物合成，導(dǎo)致代謝紊亂，妨礙幼苗生長甚至死亡。

總之，青蒿素抑制供試蔬菜的種子發(fā)芽、幼苗生長和根系活力，并表現(xiàn)出明顯的濃度效應(yīng)和種間差異。青蒿素可能降低種子碳氮代謝過程中合成反應(yīng)，導(dǎo)致幼苗不能正常生長。

圖5 青蒿素浸種對白菜種子游離氨基酸的影響Fig.5 Effect of artemisinin on free amino acids in cabbage seeds

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