3种天然二萜的化感作用及机制的研究

doi:10.7525/j.issn.1673-5102.2022.01.009

摘要/Abstract

摘要：

以黑麦草（Lolium perenne L.）和莴苣（Lacutuca sativa L.）为受试植物，研究了3种对映—贝壳杉烷二萜wangzaozin A、leukamenin E和weisiensin B对受试植物种子萌发、幼苗生长、叶绿素和膜损伤的影响，旨在评估3种二萜的化感作用潜能。结果显示：不同浓度的3种二萜对黑麦草和莴苣种子的萌发稍有降低，但明显延迟种子萌发时间；较高浓度下，3种二萜对黑麦草和莴苣幼苗的根长、苗长、鲜质量和干质量均有显著的抑制作用，并显示了浓度依赖性；同时，3种二萜显著降低黑麦草和莴苣幼苗叶片叶绿素a和叶绿素b含量，显著升高丙二醛（MDA）含量和相对电导率，而相对含水量呈下降趋势。上述结果表明，3种二萜通过影响受试植物的光合作用能力，引起细胞膜氧化损伤，导致叶片保水性降低，抑制受试植物幼苗的生长。

关键词: 黑麦草, 莴苣, 对映—贝壳杉烷二萜, 化感作用

Abstract:

To evaluate the allelopathic potential of three diterpenes， including wangzaozin A， leukamenin E and weisiensin B， Lolium perenne L. and Lacutuca sativa L. were taken as materials and the effects of three ent-kaurene diterpenes on the seed germination， growth， chlorophyll， membrane damage of tested plants were studied respectively. It was found that three diterpenes with different concentrations had a slightly decrease on germination of L. perenne L. and L. sativa L. seeds， but the germination time was delayed obviously； three diterpenes at higher concentrations had significant negative effects on the root length， seedling length， fresh weight and dry weight of plants respectively， and it showed clearly concentration-dependent trend； meanwhile， the chlorophyll a and chlorophyll b contents were significantly reduced but the malondialdehye（MDA） content and relative electricity conductivity were increased， however， the relative water content showed downward trends. The results showed that three diterpenoids inhibited the growth of tested plants by affecting its photosynthetic capacity， causing oxidative damage to the cell membrane and reducing the water retention of the leaves.

Key words: Lolium perenne L., Lacutuca sativa L., ent-kaurene diterpenes, allelopathy

中图分类号:

S543+.6

郇兆蔚, 欧巧明, 丁兰. 3种天然二萜的化感作用及机制的研究[J]. 植物研究, 2022, 42(1): 81-92.

Zhaowei Huan, Qiaoming Ou, Lan Ding. Allelopathy and Its Mechanism of Three Natural Diterpenes[J]. Bulletin of Botanical Research, 2022, 42(1): 81-92.

图/表 9

图1

表1

表2

表3

图2

图3

图4

图5

图6

参考文献 46

1	Cheng F，Cheng Z H.Research progress on the use of plant allelopathy in agriculture and the physiological and ecological mechanisms of allelopathy［J］.Frontiers in Plant Science，2015，6：1020.
2	平晓燕，王铁梅.植物化感作用的生态学意义及在草地生态系统中的研究进展［J］.草业学报，2018，27（8）：175-184.
	Ping X Y，Wang T M.Ecological significance of plant allelopathy and progress in allelopathy research in grassland ecosystems［J］.Acta Prataculturae Sinica，2018，27（8）：175-184.
3	Farooq M，Hussain T，Wakeel A，et al.Differential response of maize and Mungbean to tobacco allelopathy［J］.Experimental Agriculture，2014，50（4）：611-624.
4	Jabran K，Mahajan G，Sardana V，et al.Allelopathy for weed control in agricultural systems［J］.Crop Protection，2015，72：57-65.
5	Liu J，Li D W，Wang D M，et al.Allelopathic effects，physiological responses and phenolic compounds in litter extracts of Juniperus rigida Sieb.et Zucc［J］.Chemistry & Biodiversity，2017，14（8）：e1700088.
6	Zhang S，Sun S W，Shi H L，et al.Physiological and biochemical mechanisms mediated by Allelochemical Isoliquiritigenin on the Growth of Lettuce Seedlings［J］.Plants，2020，9（2）：245.
7	Poonpaiboonpipat T，Pangnakorna U，Suvunnamek U，et al.Phytotoxic effects of essential oil from Cymbopogon citratus and its physiological mechanisms on barnyardgrass（Echinochloa crusgalli）［J］.Industrial Crops and Products，2013，41：403-407.
8	Kong C H，Xuan T D，Khanh T D，et al.Allelochemicals and signaling chemicals in plants［J］.Molecules，2019，24（15）：2737.
9	Tholl D.Biosynthesis and biological functions of terpenoids in plants［J］.Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology，2015，148：63-106.
10	Weir T L，Park S W，Vivanco J M.Biochemical and physiological mechanisms mediated by allelochemicals［J］.Current Opinion in Plant Biology，2004，7（4）：472-479.
11	Sun H D，Huang S X，Han Q B.Diterpenoids from Isodon species and their biological activities［J］.Natural Product Reports，2006，23（5）：673-698.
12	程蔚玲，丁兰，李金平，等.Leukamenin E调节拟南芥幼苗生长发育的模式及其机制［J］.生态学杂志，2017，36（3）：676-686.
	Cheng W L，Ding L，Li J P，et al.The pattern and mechanism of seedling growth and development regulated by Leukamenin E in Arabidopsis thaliana［J］.Chinese Journal of Ecology，2017，36（3）：676-686.
13	何静，丁兰，李芃，等.Leukamenin E调节拟南芥幼苗根部生长素极性运输及根系生长发育［J］.生态学杂志，2019，38（10）：2959-2967.
	He J，Ding L，Li P，et al.Regulation of Leukamenin E on polar auxin transport and root growth and development in Arabidopsis thaliana seedlings［J］.Chinese Journal of Ecology，2019，38（10）：2959-2967.
14	Li P，Ding L，Zhang L，et al.Weisiensin B inhibits primary and lateral root development by interfering with polar auxin transport in Arabidopsis thaliana［J］.Plant Physiology and Biochemistry，2019，139：738-745.
15	李芃，郇兆蔚，丁兰.Rabdosinate调节生长素极性运输蛋白PIN1、PIN3和PIN4抑制拟南芥幼苗根生长［J］.植物研究，2019，39（6）：908-916.
	Li P，Huan Z W，Ding L.Rabdosinate regulates polar auxin carriers PIN1，PIN3 and PIN4 and inhibits root growth of Arabidopsis thaliana seedlings［J］.Bulletin of Botanical Research，2019，39（6）：908-916.
16	杨鹏军，陈璐，仇奕之，等.二萜类化合物蓝萼甲素（glaucocalyxin A）对拟南芥四种磷脂酶的影响［J］.生态学杂志，2018，37（4）：1058-1064.
	Yang P J，Chen L，Qiu Y Z，et al.Effects of glaucocalyxin A on four phospholipases in Arabidopsis thaliana［J］.Chinese Journal of Ecology，2018，37（4）：1058-1064.
17	安炎黄，赵启安，陈璐，等.磷脂酶参与二萜类化合物冬凌草甲素（oridonin）对拟南芥的化感作用［J］.生态学杂志，2019，38（4）：995-1003.
	An Y H，Zhao Q A，Chen L，et al.Phospholipase is involved in the allelopathy of diterpenoid oridonin to Arabidopsis thaliana［J］.Chinese Journal of Ecology，2019，38（4）：995-1003.
18	Ding L，Qi L L，Jing H W，et al.Phytotoxic effects of leukamenin E（an ent-kaurene diterpenoid） on root growth and root hair development in Lactuca sativa L.seedlings［J］.Journal of Chemical Ecology，2008，34（11）：1492-1500.
19	Ding L，Jing H W，Wang T，et al.Regulation of root growth in Lactuca sativa L.seedlings by the ent-kaurane diterpenoid epinodosin［J］.Journal of Plant Growth Regulation，2010，29（4）：419-427.
20	Ding L，Jing H W，Qin B，et al.Regulation of cell division and growth in roots of Lactuca sativa L.seedlings by the ent-kaurene diterpenoid rabdosin B［J］.Journal of Chemical Ecology，2010，36（5）：553-563.
21	王瀚，丁兰，刘国安，等.拟缺香茶菜二萜成分及细胞毒活性研究［J］.西北师范大学学报：自然科学版，2005，41（6）：54-57.
	Wang H，Ding L，Liu G A，et al.Studies on antitumor activity diterpenoids from Isodon excisoides［J］.Journal of Northwest Normal University：Natural Science，2005，41（6）：54-57.
22	Ding L，Liu G A，Yang D J，et al.Cytotoxic ent-kaurane diterpenoids from Isodon weisiensis C.Y.Wu［J］.Pharmazie，2005，60（6）：458-460.
23	何军，王三根，丁伟.青蒿浸提物对小麦化感作用的初步研究［J］.西南农业大学学报：自然科学版，2004，26（3）：281-284，288.
	He J，Wang S G，Ding W.Study on allelopathic effects of alcohol extracts from Artemisia annua L.［J］.Journal of Southwest Agricultural University：Natural Science，2004，26（3）：281-284，288.
24	Williamson G B，Richardson D.Bioassays for allelopathy：measuring treatment responses with independent controls［J］.Journal of Chemical Ecology，1988，14（1）：181-187.
25	高俊凤.植物生理学实验指导［M］.北京：高等教育出版社，2006.
	Gao J F.Experimental guidance for plant physiology［M］.Beijing：Higher Education Press，2006.
26	Wu F B，Zhang G P，Dominy P.Four barley genotypes respond differently to cadmium：lipid peroxidation and activities of antioxidant capacity［J］.Environmental and Experimental Botany，2003，50（1）：67-78.
27	Walker D J，Romero P，Correal E.Cold tolerance，water relations and accumulation of osmolytes in Bituminaria bituminosa［J］.Biologia Plantarum，2010，54（2）：293-298.
28	杨莉，韩梅，肖春萍，等.入侵种加拿大蓬对玉米的化感潜力及机制研究［J］.华南农业大学学报，2011，32（4）：1-5.
	Yang L，Han M，Xiao C P，et al.Allelopathic potential and mechanism of Erigeron canadensis on Maize［J］.Journal of South China Agricultural University，2011，32（4）：1-5.
29	Ma M Z，Christensen M J，Nan Z B.Effects of the endophyte Epichloë festucae var.lolii of perennial ryegrass（Lolium perenne） on indicators of oxidative stress from pathogenic fungi during seed germination and seedling growth［J］.European Journal of Plant Pathology，2015，141（3）：571-583.
30	侯雅琼.盐碱胁迫下四种景天属植物的生理响应及适应性研究［D］.呼和浩特：内蒙古农业大学，2012.
	Hou Y Q.Studies on physiological response and adaptability under saline-alkali stress in Sedum plants［D］.Hohhot：Inner Mongolia Agricultural University，2012.
31	杨壹，刘建军.屋顶绿化5种常绿植物的抗旱性研究［J］.西北林学院学报，2020，35（1）：73-79.
	Yang Y，Liu J J.Drought resistance of five kinds of roof greening evergreen plants［J］.Journal of Northwest Forestry University，2020，35（1）：73-79.
32	刘雅婧，蒙仲举，党晓宏，等.狼毒浸提液对3种牧草种子萌发和幼苗生长的影响［J］.草业学报，2019，28（8）：130-138.
	Liu Y J，Meng Z J，Dang X H，et al.Allelopathic effects of Stellera chamaejasme on seed germination and seedling growth of alfalfa and two forage grasses［J］.Acta Prataculturae Sinica，2019，28（8）：130-138.
33	谢志军，厚毅清，王炜，等.萜类化合物的化感功能及其开发应用前景［J］.中国农学通报，2010，26（24）：233-237.
	Xie Z J，Hou Y Q，Wang W，et al.The allelopathic functions of terpenoids and its application prospects［J］.Chinese Agricultural Science Bulletin，2010，26（24）：233-237.
34	Shao H，Peng S L，Wei X Y，et al.Potential allelochemicals from an invasive weed Mikania micrantha H.B.K［J］.Journal of Chemical Ecology，2005，31（7）：1657-1668.
35	Xu M M，Galhano R，Wiemann P，et al.Genetic evidence for natural product-mediated plant-plant allelopathy in rice（Oryza sativa）［J］.New Phytologist，2012，193（3）：570-575.
36	赵启安，刘博，张玥，等.磷脂酶Dα1与H₂S参与冬凌草甲素对拟南芥的化感作用［J］.应用生态学报，2020，31（3）：959-968.
	Zhao Q A，Liu B，Zhang Y，et al.Phospholipase Dα1 and hydrogen sulfide were involved in the allelopathy of oridonin to Arabidopsis thaliana［J］.Chinese Journal of Applied Ecology，2020，31（3）：959-968.
37	Hejl A M，Koster K L.Juglone disrupts root plasma membrane H⁺-ATPase activity and impairs water uptake，root respiration，and growth in soybean （Glycine max） and corn（Zea mays）［J］.Journal of Chemical Ecology，2004，30（2）：453-471.
38	Radhakrishnan R，Alqarawi A A，Abd_Allah E F.Bioherbicides：Current knowledge on weed control mechanism［J］.Ecotoxicology and Environmental Safety，2018，158：131-138.
39	Garsaball J A L，Natera J R M.Allelopathic effects of aqueous extracts of leaves of tree marigold［Tithonia diversifolia（Hemsl.） A.Gray］ on seed germination and seedling growth of lettuce（Lactuca sativa L.）［J］.Scientia Agropecuaria，2013，4（3）：229-241.
40	Shah K，Singh P，Nahakpam S.Effect of cadmium uptake and heat stress on root ultrastructure，membrane damage and antioxidative response in rice seedlings［J］.Journal of Plant Biochemistry and Biotechnology，2013，22（1）：103-112.
41	Golldack D，Li C，Mohan H，et al.Tolerance to drought and salt stress in plants：unraveling the signaling networks［J］.Frontiers in Plant Science，2014，5：151.
42	Macias F A，Galindo J C G，Molinillo J M G.Allelopathy：chemistry and mode of action of allelochemicals［M］.Boca Raton，FL：CRC Press，2004.
43	Ma H Y，Chen Y，Chen J H，et al.Comparison of allelopathic effects of two typical invasive plants：Mikania micrantha and Ipomoea cairica in Hainan island［J］.Scientific Reports，2020，10（1）：11332.
44	Elisante F，Tarimo M T，Ndakidemi P A.Allelopathic effect of seed and leaf aqueous extracts of Datura stramonium on leaf chlorophyll content，shoot and root elongation of Cenchrus ciliaris and Neonotonia wightii［J］.American Journal of Plant Sciences，2013，4（12）：2332-2339.
45	刘成，吴明，陈晓德，等.芦苇水提液对加拿大一枝黄花生长及光合作用的化感效应［J］.生态学杂志，2014，33（3）：624-630.
	Liu C，Wu M，Chen X D，et al.Allelopathic effects of aqueous extracts from Phragmites communis on the growth and photosynthesis of Solidago canadensis［J］.Chinese Journal of Ecology，2014，33（3）：624-630.
46	田雅丽，常顺利，张毓涛，等.天山雪岭云杉森林化感物质对种子萌发的影响［J］.中国农学通报，2019，35（2）：35-41.
	Tian Y L，Chang S L，Zhang Y T，et al.Effect of allelochemicals of Picea schrenkiana forests on seed germination in Tianshan［J］.Chinese Agricultural Science Bulletin，2019，35（2）：35-41.

化合物种类 Compounds types	浓度 Concentration /（μmol·L^-1）	萌发率 Germination rate /%	萌发指数 Germination index	根长 Root length /cm	苗长 Seedling length /cm	鲜质量 Fresh weight /mg	干质量 Dry weight /mg
wangzaozin A	0	94.44±1.15	46.73±1.63	3.35±0.27	2.73±0.15	6.29±0.51	1.57±0.06
	5	90.00±2.65	39.93±3.19^**	2.86±0.18^**	2.56±0.12^**	6.11±0.48^*	1.23±0.21^**
	10	88.89±3.21	38.38±2.05^**	2.01±0.18^**	1.94±0.11^**	3.99±0.13^**	1.09±0.08^**
	25	85.56±1.53	35.51±1.90^**	1.14±0.06^**	1.48±0.05^**	2.40±0.14^**	0.83±0.07^**
leukamenin E	0	94.44±1.15	46.73±1.63	3.35±0.27	2.73±0.15	6.29±0.51	1.57±0.06
	5	95.56±0.58	47.52±1.10	3.05±0.31*	2.61±0.29	5.95±0.69	1.53±0.11
	10	90.00±3.46	39.32±3.37^**	2.78±0.42^**	1.96±0.08^**	5.22±0.23^**	1.44±0.04^**
	25	86.67±4.36	37.17±6.00^**	1.21±0.14^**	1.63±0.27^**	3.81±0.78^**	1.17±0.04^**
weisiensin B	0	94.44±1.15	46.73±1.63	3.35±0.27	2.73±0.15	6.29±0.51	1.57±0.06
	5	92.22±3.21	40.79±5.19	3.07±0.06^**	2.46±0.17^**	6.10±0.19	1.55±0.03
	10	87.78±2.52	37.63±3.46^*	2.74±0.15^**	2.12±0.08^**	5.73±0.40^**	1.50±0.21
	25	88.89±2.52	38.54±3.66^*	1.24±0.22^**	1.34±0.08^**	4.21±0.21^**	1.17±0.14^**

化合物种类 Compounds types	浓度 Concentration /（μmol·L^-1）	萌发率 Germination rate /%	萌发指数 Germination index	根长 Root length /cm	苗长 Seedling length /cm	鲜质量 Fresh weight /mg	干质量 Dry weight /mg
wangzaozin A	0	91.11±2.52	38.46±2.25	3.67±0.15	2.48±0.11	14.53±0.24	1.19±0.07
	2	86.67±1.73	32.43±1.78*	3.77±0.41	2.74±0.14^**	13.25±0.39^**	1.26±0.10^*
	4	85.56±3.06	31.06±4.07*	2.96±0.28^**	2.13±0.20^**	12.05±1.29^**	1.06±0.10^**
	8	80.00±1.73	26.82±1.89^**	1.17±0.31^**	0.98±0.13^**	8.49±1.45^**	0.96±0.088^**
leukamenin E	0	91.11±2.52	38.46±2.25	3.67±0.15	2.48±0.11	14.53±0.24	1.19±0.07
	2	87.78±3.06	33.54±5.40	3.82±0.23	2.89±0.07^**	15.39±0.29^*	1.32±0.05^**
	4	85.56±4.16	32.38±5.63	3.21±0.19^**	2.34±0.21^*	12.33±0.23^**	0.92±0.05^**
	8	82.221±1.15	29.62±1.87^*	2.12±0.09^**	1.35±0.22^**	9.42±0.22^**	0.80±0.06^**
weisiensin B	0	91.11±2.52	38.46±2.25	3.67±0.15	2.48±0.11	14.53±0.24	1.19±0.07
	2	88.89±4.16	34.08±4.87	3.39±0.16^**	2.45±0.13	13.48±1.11^*	1.07±0.05^**
	4	83.33±2.65	31.11±3.06^*	3.29±0.18^**	2.30±0.21^*	13.05±0.32^*	1.00±0.15^**
	8	85.56±1.53	32.41±1.30^*	2.82±0.22^**	1.79±0.38^**	12.07±0.26^**	0.94±0.08^**

受试植物 Tested plant	化合物种类 Compounds types	浓度 Concentration /（μmol•L^-1）	化感效应指数RI值 Allelopathic response index
受试植物 Tested plant	化合物种类 Compounds types	浓度 Concentration /（μmol•L^-1）	萌发率 Germination rate	萌发指数 Germination index	根长 Root length	苗长 Seedling height	鲜质量 Fresh weight	干质量 Dry weight
黑麦草 L. perenne L.	wangzaozin A	5	-0.05	-0.15	-0.15	-0.06	-0.03	-0.22
		10	-0.05	-0.18	-0.40	-0.29	-0.37	-0.31
		25	-0.09	-0.24	-0.66	-0.46	-0.62	-0.47
	leukamenin E	5	0.01	0.02	-0.09	-0.04	-0.05	-0.03
		10	-0.05	-0.16	-0.17	-0.28	-0.17	-0.08
		25	-0.09	-0.22	-0.64	-0.40	-0.39	-0.25
	weisiensin B	5	-0.02	-0.13	-0.08	-0.10	-0.03	-0.01
		10	-0.07	-0.19	-0.18	-0.22	-0.09	-0.12
		25	-0.06	-0.18	-0.63	-0.51	-0.33	-0.25
莴苣 L. sativa L.	wangzaozin A	2	-0.05	-0.16	0.03	0.09	-0.09	0.06
		4	-0.06	-0.19	-0.19	-0.14	-0.17	-0.11
		8	-0.12	-0.30	-0.68	-0.60	-0.42	-0.19
	leukamenin E	2	-0.04	-0.13	0.04	0.14	0.06	0.10
		4	-0.06	-0.16	-0.13	-0.06	-0.15	-0.23
		8	-0.10	-0.23	-0.42	-0.46	-0.35	-0.33
	weisiensin B	2	-0.02	-0.11	-0.08	-0.01	-0.07	-0.10
		4	-0.09	-0.19	-0.10	-0.07	-0.10	-0.16
		8	-0.06	-0.16	-0.23	-0.31	-0.17	-0.21

[1]	王欢, 徐云飞, 刘一伯, 刘沁松, 徐文娟, 龙芸, 胥晓. 珙桐—灯台树枝和叶的水提物对白菜种子萌发和幼苗生长的化感效应[J]. 植物研究, 2022, 42(5): 866-875.
[2]	张玥, 张泉灵, 洪志, 阚子涵, 储昭月, 陶冶. 入侵植物北美车前和野胡萝卜种内及种间的化感作用[J]. 植物研究, 2021, 41(3): 441-448.
[3]	周泽建, 刘妮妮, 伍冰倩, 张红, 赵珩. 3种速生树种落叶水浸提液对走马胎幼苗生长的化感效应[J]. 植物研究, 2018, 38(4): 568-574.
[4]	张权1；姚小华1*；滕建华2；邵慰忠3；傅松玲4. 薄壳山核桃根系水浸提液对2种作物种子萌发及幼苗生长的影响[J]. 植物研究, 2016, 36(2): 204-210.
[5]	裴毅1；杜宪1；聂江力1*；翟欢欢2；张宝坤1. 没食子酸对铜绿微囊藻的化感作用[J]. 植物研究, 2014, 34(6): 840-844.
[6]	温都日呼;王铁娟*;韩文娟;代亭亭. 4种植物水浸提液对乌丹蒿的化感作用研究[J]. 植物研究, 2013, 33(1): 86-90.
[7]	王冬梅;李登武;曹哲. 侧柏不同器官水提取物对油松种子萌发和幼苗生长的他感效应[J]. 植物研究, 2012, 32(6): 675-679.
[8]	刘建新;王瑞娟;贾海燕;. 硝普钠缓解镧引起的黑麦草幼苗生长抑制和根系氧化损伤[J]. 植物研究, 2012, 32(6): 680-684.
[9]	刘建新;王鑫;王瑞娟;李东波. 碱胁迫对黑麦草幼苗根系活性氧代谢和渗透溶质积累的影响[J]. 植物研究, 2011, 31(6): 674-679.
[10]	周伟佳;吴颖胤;郑思思;郑倩倩;李琼;丁炳扬. 黑荆（Acacia mearnsii*）对几种林下植物种子萌发的化感作用[J]. 植物研究, 2011, 31(2): 235-240.
[11]	刘建新;王鑫;胡浩斌;王瑞娟;李东波. 硝酸镧对碱胁迫下黑麦草幼苗生长和光合生理的影响[J]. 植物研究, 2010, 30(6): 674-679.
[12]	周小梅;许瑾;王慧;李君剑*. 中草药浸提物对农杆菌抑制和对黑麦草愈伤组织生长、分化影响[J]. 植物研究, 2010, 30(3): 365-368.
[13]	何杨艳;马丹炜*;李群;王亚男;田佳乔;成为为. 温度胁迫对白车轴草水浸提液化感作用的影响[J]. 植物研究, 2010, 30(2): 243-247.
[14]	刘建新;胡浩斌;王鑫. 外源NO对盐胁迫下黑麦草幼苗活性氧代谢、多胺含量和光合作用的影响[J]. 植物研究, 2009, 29(3): 313-319.
[15]	杨建;谢小龙;胡延萍;王莉;李毅*. 唐古特大黄药材提取物对小麦和垂穗披碱草种子萌发和幼苗生长的影响[J]. 植物研究, 2009, 29(3): 320-324.