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植物化感作用是植物通过茎叶挥发、雨雾淋溶、根系分泌以及植物残株的腐解等途径向环境中释放某些化学物质而影响其他有机体的化学生态学现象,包括植物、微生物和动物(受体)及自身的生长和发育。在生态系统中,植被形成和演替、农作物连作障碍、森林更新以及生物入侵等都存在着化感作用,对作物增产、森林抚育、植物保护和生物防治等方面有着广泛的影响[1-3]。许多研究表明,化感作用是外来植物成功入侵的重要机制之一,大多数成功入侵的外来植物,如紫茎泽兰 Ageratina adenophora[4],豚草 Ambrosia artemisiifolia[5],薇甘菊 Mikania micrantha[6],五爪金龙 Ipomoea cairica[7],加拿大一枝黄花 Solidago canadensis[8],香附子 Cyperus rotundus[9],矢车菊 Centaurea maculosa[10-11]和银胶菊 Parthenium hysterophorus[12]等都被证实具有明显的化感作用。目前,植物化感作用研究主要集中在农业、作物和林业等方面,而对园林植物化感作用的研究鲜见报道。白三叶 Trifolium repens,又名白车轴草,为豆科 Fabaceae三叶草属 Trifolium多年生草本,原产欧洲和北非,19世纪从欧洲传入中国,在湿润草地、河岸、路边呈自生状态,后成为入侵杂草之一[13]。修剪频繁、浇水量大已成为中国禾草草坪发展的限制条件,而白三叶草坪具有不需修剪,管理强度小;浇水次数少,耐粗放管理;成坪快,观赏性好等优点,可以在园林绿化中广泛应用。此外,白三叶还可以作为观花植物与一串红Salvia splendens,香雪球Lobularia maritime,石竹Dianthus chinensis等草本花卉配置在缀花草坪与花境中,与高羊茅Festuca arundinacea,马蹄金Dichondra repens等常用草坪草配置形成丰富多彩的草坪景观,打破草坪单一呆板的色调和格局,同时丰富了自然的色彩组合且增强了绿化效果和艺术欣赏价值。白三叶也具有很强的入侵性,可迅速向周边蔓延,对其他园林植物幼苗生长具有明显的抑制作用[14]。因此,本研究采用气相色谱-质谱(GC-MS)联用技术分析了白三叶叶片水浸提液的组成成分,并选用不同质量浓度白三叶叶片水浸提液处理园林绿化常用植物一串红、香雪球、石竹、高羊茅和马蹄金幼苗,研究其浸提液对园林植物幼苗生长、根系活力、叶绿素含量以及幼苗体内抗氧化物酶活性和细胞膜受损程度的影响;从生理生化角度,探讨白三叶叶片水浸提液与园林植物生长的关系,为园林植物的配置提供新的理论依据。
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白三叶叶片水浸提液样品经乙酸乙酯萃取后进行GC-MS分析(图 1),经GC-MS联用仪标准质谱数据库NIST2008的计算机检索,并采用面积归一化法确定了它们的相对百分含量。
鉴定出叶中主要含有42种化合物(表 1),主要成分是4-羟基-紫罗兰酮(16.4%),乙酸异戊酯(11.0%),二氢香豆酮(9.6%),乙烯基愈创木酚(7.4%),喇叭茶醇(6.4%),菖蒲酮(5.5%),麦芽酚(4.9%),紫罗兰酮环氧化物(4.7%)和2-羟基-6-甲基苯甲醛(4.2%),合计占到总量的70.1%。
tl min 化合物 分子式 相对含量/% 5.76 苯酚phenol C6H6O 3,9 6.84 乙酸异戍酷isoamyl acetate C7H14O2 11,0 7.00 麦芽酚maltol C6H6O3 4,9 7.32 苯甲酸 benzoic acid C7H6O2 0,8 7.71 3-甲基茚P哚 3-methylindene C10H10 1,6 7,76 二氢香豆酮 dihydrocoumarone C8H8O 9,6 7.89 5-氨基-2-甲氧基苯酚 5-amino-2-methoxyphenol C7H9NO2 0,7 7.98 苯 乙 酸 benzeneacetic acid C8H8O2 0,7 8.19 对苯二酚 hydroquinone C6H6O2 0,5 8,53 乙烯基愈创木酚p-vinylguaiacol C9H10O2 7,4 8,79 二 甲 氧基 苯酚 syringol C8H10O3 0,2 9,21 异香兰素isovanillin C8H8O3 0,4 9,36 对羟苯基乙醇tyrosol C8H10O2 0,6 9,44 2 -羟基-6-甲基苯甲醒 benzaldehyde,2-hydroxy-6-methyl- C8H8O2 4,2 9,67 间氨基苯乙醚m-phenetidine C8H11NO 0,6 9,90 布枯棒脑diosphenol CKH16O2 0,3 9,98 2-甲基十一醛 undecanal, 2-methyl- C12H24O 0,8 10,33 橄榄醇olivetol C11H16O2 0,7 10,57 二氢猕猴桃(醇酸#内酷dihydroactinidiolide C11H16O2 1,3 10,71 乙酰黎芦丽acetoveratrone C10H12O3 1,5 10,91 石竹烯氧化物caryophyllene oxide C15H24O 0,3 10,96 异戍酸香叶酷geranyl isovalerate C15H26O2 0,4 11.05 駄酸二乙酷 diethyl phthalate C12H14O4 1,4 11,10 紫罗(兰)酮ionone C13H20O 1,1 11.44 香橙烯氧化物 aromadendrene oxide- C15H24O 0,7 11.69 3 -氧代-紫罗兰酮3-oxo-ionone C13H20O2 2,8 11.80 2,4,6-三甲氧基甲苯 toluene,2,4,6-trimethoxy- C10Hl4O3 0,3 11,91 4 -羟基-紫罗兰酮 4-hydroxy-ionone C13H20O2 16,4 12,03 丙烯酸月桂酷lauryl acrylate C15H28O2 1,3 12,14 紫罗兰酮环氧化物ionone epoxide C13H20O2 4,7 12,36 菖蒲酮 shyobunone C15H24O 5,5 12.44 雪松醇cedrol C15H26O 0,3 12,55 百里酉昆thymoquinone C10H12O2 0,8 12,63 反式红没药烯环氧化物trans-L- bisabolene epoxide C15H24O 1,1 12,82 3 蒈-4-乙酰基 3-carene,4-acetyl- C12H18O 1,2 13,04 羟基醚韦得醇 widdrol hydroxyether C15H26O2 0,4 13,14 喇叭茶醇palustrol C15H26O 6,4 13,89 八仙花甙hydrangin C9H6O3 0,7 14.00 棒脑肟 camphor oxime C10H17NO 0,4 14,06 乙酸香草酯 vanillin,acetate C10H10O4 1,2 14,55 乙基乙酸香叶酷ethyl geranyl acetate C14H24O2 0,7 14,95 羟基月桂酸 hydroxylauric acid C12H24O3 0,4 Table 1. Chemical components of aquatic extracts from leaves of Trifolium repens
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不同质量浓度白三叶叶片水浸提液对一串红、香雪球、石竹、高羊茅和马蹄金幼苗生长存在不同的影响(表 2)。低质量浓度(5 g·L-1)白三叶叶片水浸提液对一串红、香雪球、马蹄金幼苗苗高和根长无明显影响,对石竹和高羊茅幼苗高生长具有显著的抑制作用(P<0.05);对其根长生长具有极显著的抑制作用(P<0.01),与对照相比分别降低了35.7%和21.4%;随着白三叶叶片水浸提液质量浓度的提高,对5种植物幼苗苗高和根长的抑制作用逐渐增强;当质量浓度增加到25 g·L-1时,对一串红、香雪球、石竹和高羊茅等幼苗根长生长的抑制作用达到极显著水平(P<0.01),与对照相比分别降低了30.1%,57.7%,35.5%和27.6%;当质量浓度增大到50 g·L-1时,对一串红、石竹和高羊茅幼苗苗高生长的抑制作用达到极显著水平(P<0.01),与对照相比分别降低了24.9%,49.0%和32.5%,对香雪球和马蹄金幼苗苗高具有显著的抑制作用(P<0.05),与对照相比其抑制率为19.2%和11.1%。
受试植物 处理/(g·L-1) 苗高/cm 根长/cm 鲜质量/(mg•株-1) 干质量/(mg •株-1) 一串红 对照 3.79 ± 0.45 3.27 ± 1.05 57.73 ± 8.70 3.48 ± 0.61 5 3.57 ± 0.54 3.23 ± 0.99 52.19 ± 9.62 2.99 ± 0.655 25 3.16 ± 0.44* 2.26 ± 0.52** 44.36 ± 10.33** 3.08 ± 0.54* 50 2.84 ± 0.43** 2.16 ± 0.86** 43.93 ± 1.51** 3.08 ± 0.57* 香雪球 对照 4.70 ± 0.2* 2.60 ± 0.50 32.11 ± 1.39 3.43 ± 0.13 5 4.60 ± 0.40 2.10 ± 0.3** 25.99 ± 1.59* 2.59 ± 0.32** 25 3.93 ± 0.81* 1.10 ± 0.46** 14.41 ± 0.80** 1.42 ± 0.12** 50 3.80 ± 0.42* 1.70 ± 0.40** 13.64 ± 0.42** 1.44 ± 0.27** 石竹 对照 5.12 ± 0.49 2.47 ± 0.82 32.77 ± 7.14 2.88 ± 0.64 5 4.35 ± 0.77* 1.59 ± 0.39** 30.51 ± 8.81 2.63 ± 0.65 25 2.86 ± 0.52** 1.60 ± 0.70** 22.36 ± 10.35** 1.93 ± 0.86** 50 2.61 ± 0.74** 1.50 ± 0.74** 16.32 ± 8.81** 1.44 ± 0.88** 高羊茅 对照 12.61 ± 2.01 6.22 ± 1.55 15.42 ± 2.65 2.93 ± 0.27 5 10.67 ± 2.11* 4.89 ± 1.16** 12.85 ± 1.31* 2.43 ± 0.48* 25 9.41 ± 2.19** 4.51 ± 1.50** 11.61 ± 1.25** 2.12 ± 0.32** 50 8.51 ± 2.65** 4.27 ± 1.88** 11.17 ± 1.60** 2.33 ± 0.52** 马蹄金 对照 3.52 ± 0.67 2.33 ± 1.04 28.21 ± 1.54 3.09 ± 0.4* 5 3.82 ± 0.88 2.59 ± 0.73 27.35 ± 1.0* 2.89 ± 0.24 25 3.42 ± 1.02 2.27 ± 1.12 26.44 ± 1.65 2.53 ± 0.12* 50 3.13 ± 0.77* 2.01 ± 0.83* 24.11 ± 4.7** 2.17 ± 0.24** 说明:*为P<0.05,差异显著;* *表示P<0.01,差异极显著。 Table 2. Effects of aquatic extracts from leaves of Trifolium repens on seedling growth of five garden plants
由表 2可以看出:低质量浓度(5 g·L-1)白三叶叶片水浸提液仅对香雪球幼苗干质量有极显著抑制作用,比对照降低了24.6%(P<0.01);当质量浓度达到50 g·L-1时,对马蹄金幼苗鲜质量呈显著抑制作用(P<0.05),对一串红、香雪球、石竹和高羊茅等幼苗鲜质量的抑制作用呈极显著水平(P<0.01),与对照相比其抑制率分别为23.9%,57.5%,50.2%和27.6%;对香雪球、石竹、高羊茅和马蹄金等幼苗干质量的抑制作用呈极显著水平(P<0.01),抑制率分别为57.9%,49.8%,20.3%和29.9%,对一串红幼苗干质量的抑制作用呈显著水平(P<0.05),与对照相比降低了11.5% 。
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低质量浓度白三叶叶片水浸提液对一串红、香雪球、石竹、高羊茅和马蹄金幼苗叶绿素质量分数无明显影响;当白三叶叶片水浸提液增加到50 g·L-1时,与对照相比,一串红和马蹄金幼苗叶绿素质量分数分别降低了13.6%和13.8%(P<0.05),香雪球、石竹和高羊茅等幼苗叶绿素分别下降了43.1%,30.5%和57.1%(P<0.01)(图 2)。
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低质量浓度(5 g·L-1)白三叶叶片水浸提液仅对石竹幼苗根系活力具有显著的抑制作用(图 3),与对照相比降低了20.2%(P<0.05),对其他4种植物幼苗根系活力无明显影响;当质量浓度增加到50 g·L-1时,对一串红、香雪球、石竹等幼苗根系活力的抑制作用呈极显著水平(P<0.01),与对照相比分别降低了24.0%,42.8%和51.6%,对高羊茅和马蹄金幼苗根系活力具有显著的抑制作用(P<0.05),与对照相比其抑制率分别为16.1%和14.9%。
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当白三叶叶片水浸提液质量浓度为25 g·L-1时,一串红、香雪球、石竹、高羊茅和马蹄金等幼苗体内过氧化物酶活性表现出极显著的增加(P<0.01),与对照相比过氧化物酶活性分别提高了34.5%,62.8%,110.0%,69.4%和40.4%(图 4);随着白三叶叶片水浸提液质量浓度的增加,过氧化物酶活性开始极显著下降(P<0.01),与最高值相比,一串红、香雪球、石竹和高羊茅幼苗过氧化物酶活性分别降低了20.4%,53.9%,52.6%和36.5%,马蹄金幼苗过氧化物酶活性无明显变化。
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白三叶叶片水浸提液对5种植物幼苗体内超氧化物歧化酶活性的作用表现得更为明显(图 5)。25 g·L-1白三叶叶片水浸提液使一串红、香雪球、石竹、高羊茅和马蹄金等幼苗体内超氧化物歧化酶活性表现出极显著增高(P<0.01),与对照相比,超氧化物歧化酶活性分别增加了56.2%,65.9%,37.5%,100.0%和96.9%。当质量浓度增加到50 g·L-1 时,对香雪球、石竹幼苗超氧化物歧化酶活性表现出抑制作用,与对照相比超氧化物歧化酶活性分别降低了25.8%和39.6%。
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随着白三叶叶片水浸提液质量浓度的增加,5种植物幼苗体内过氧化氢酶活性呈先显著上升后显著下降(图 6)。当浸提液质量浓度为25 g·L-1时,一串红、香雪球、石竹、高羊茅和马蹄金等5种植物幼苗体内过氧化氢酶活性表现出极显著的促进作用,与对照相比过氧化氢酶活性分别增加了0.5,1.0,0.4,1.7和1.4倍;当质量浓度增加到50 g·L-1时,过氧化氢酶活性明显下降,与最高值相比,一串红、马蹄金幼苗体内过氧化氢酶活性分别降低了13.5%和10.8%(P<0.05),香雪球、石竹和高羊茅等幼苗体内过氧化氢酶活性分别降低了61.2%,48.4%和51.3%(P<0.01)。
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香雪球、石竹和高羊茅幼苗在5 g·L-1质量浓度白三叶叶片水浸提液处理下,膜脂过氧化明显增加 (P<0.05),显示植物在此时受到伤害(图 7);当白三叶叶片水浸提液质量浓度增加到50 g·L-1时,一串红、香雪球、石竹、高羊茅和马蹄金等幼苗的膜脂过氧化程度明显加重,与对照相比其丙二醛摩尔质量浓度分别增加了0.4,1.8,1.9,1.4和0.5倍。