青蒿素對蔬菜種子發(fā)芽和幼苗生長的化感效應

白 禎，黃 玥，黃建國

(西南大學資源環(huán)境學院，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70年代，我國科學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——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到25 mg/kg［4］;土壤溶液中青蒿素濃度可能是風干土壤的5倍以上［5］。研究表明，青蒿素及其前體可調節(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］。當土壤中的青蒿素濃度達到6—24 mg/kg時，抑制小麥、玉米、萵苣、蘿卜、油菜、甘藍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現(xiàn)象［12-13］。在土壤和水體中，當青蒿素的濃度達到12 mg/kg時，對蚯蚓和綠藻產生毒害作用［14］，導致土壤肥力和水體生產力降低。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對周圍其它植物產生有利或有害作用，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，調控植物的種群結構和生長發(fā)育，減輕化感危害［17］。我國黃花蒿種質資源豐富，種植面積和產量占全世界的90%以上。重慶市是我國黃花蒿的主產區(qū)，種植面積和產量約占全國的80%［14］。菜豆、豇豆、大白菜和小白菜是當?shù)氐闹饕卟耍皟烧吲c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)出生長抑制和減產現(xiàn)象。為了弄清黃花蒿對蔬菜生產的化感機理，減輕化感危害，提高土地整體生產水平，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備測有關項目。

1.3 測定項目與方法

以芽長超過種子長度的1/2為標準，計算發(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進行基本數(shù)據(jù)計算，DPS6.5軟件進行統(tǒng)計分析，LSD多重比較法進行差異顯著性檢驗，顯著水平為 P=0.05。

2 結果與分析

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。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7-羥基香豆素抑制黃瓜根細胞伸長，大蔥根尖細胞的有絲分裂，致使根系的縱向生長速率降低，但促進根系的橫向擴展［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，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業(yè)整體生產水平。

在植物體內，葉綠素含量與植物氮素營養(yǎng)密切相關。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”，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度的綜合反應，與養(yǎng)分吸收能力密切相關［26］。青蒿素導致幼苗根系活力降低，可能干擾了根系的物質能量代謝，不利于田間植株吸收土壤養(yǎng)分。

大量的研究表明，植物產生的化感物質影響受體植物體內的酶活性，干擾相應的物質能量代謝或信號轉導［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，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，低濃度促進黃瓜幼苗生長，高濃度則產生抑制作用［29］。在種子萌發(fā)過程中，胚乳中儲存的淀粉和蛋白質經水解酶的作用形成低分子的糖類和氨基酸，再經合成作用構建植物體。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，導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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