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《华中农业大学》 2010年
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豇豆连作土壤中自毒物质鉴定及肉桂酸对豇豆光合作用的影响

黄兴学  
【摘要】: 豇豆是我国南方地区重要的蔬菜作物,连作障碍是制约豇豆产业发展的突出问题。目前对于豇豆连作障碍的成因,豇豆连作土壤中自毒物质的成分及其与豇豆生长发育的关系尚未明晰。本试验利用活性炭吸附技术研究了自毒物质对连作豇豆生长的影响,对豇豆连作土壤中导致连作障碍的自毒物质进行鉴定,研究鉴定的主要自毒物质肉桂酸对豇豆光合作用的影响,以期为阐明豇豆连作障碍机制,采用适合的手段来调控连作障碍提供参考。本研究主要结果如下: 利用活性炭吸附自毒物质的特性,研究了自毒物质对连作豇豆生长的影响。结果发现,自毒物质显著降低了连作豇豆根系活力、根系干重、地上部干重及茎粗。自毒物质也显著降低了连作豇豆的产量,连作地、活性炭处理后的连作地及活性炭处理后的轮作地总产量分别为轮作地的31.9%,68.9%,93.6%,而连作地经活性炭处理后,单株产量较连作地显著提高,但显著低于轮作地。活性炭处理后的轮作地与没有处理过的轮作地单株产量无显著差异,表明活性炭本身对豇豆生长没有影响。试验结果表明豇豆连作土壤中存在自毒物质,其造成的减产占连作减产的比重达38.0%-47.4%;采用活性炭吸附可以部分清除豇豆连作土壤中的自毒物质。 对豇豆连作土壤中自毒物质的种类和成分进行了鉴定。对连作0(轮作土壤),4和8年的土壤进行生物测定及化学组成分析,对其中重点的4种酚酸进行含量测定及生物测定,同时分析了根系浸提液的化学组成,以探明土壤中酚酸的来源。结果表明,相对于蒸馏水及轮作土壤,连作4年及8年土壤浸提液显著抑制了豇豆种子发芽率及胚芽生长。利用GC-MS技术,分别从0,4,8年连作土壤中发现25,27,28个主峰;3种土壤中含有共同化合物21种,包括有机酸,酯类,酮类,烃类等。随着连作时间延长,苯乙酸,肉桂酸,4-羟基苯甲酸相对含量增加;而鲨烯含量下降。HPLC测定结果显示,苯乙酸,肉桂酸,4-羟基苯甲酸及邻苯二甲酸等4种酚酸在土壤中的含量随连作时间延长而增加。通过对根系浸提液的组分进行GC-MS测定后发现,这些酚酸至少部分来源于根系浸提液,尽管根系中的很多其它有机酸在连作土壤中未检测到。上述结果证实了豇豆连作土壤中存在自毒物质,苯乙酸,肉桂酸,4-羟基苯甲酸及邻苯二甲酸在连作土壤中的积累是豇豆连作障碍的一个重要原因。 通过添加外源肉桂酸(CA)及活性炭使豇豆连作土壤处于不同的酚酸水平,研究了肉桂酸在大田中对豇豆生长发育的影响。结果发现,肉桂酸首先导致了根系膜质过氧化和膜渗漏,降低了根系活力。当土壤中肉桂酸水平上升时,叶片叶绿素含量降低,叶片MDA含量及相对电导率上升,叶片Mg, Zn, B含量下降。当加入活性炭使土壤中肉桂酸水平下降时,根系干重、根系活力上升,叶片叶绿素含量,Mg, Zn, B含量上升。肉桂酸对连作豇豆地上和地下部分的发育和生理功能的抑制使得最终的单株数和单株产量下降,从而使总产量下降。 采用营养液培养的方法,研究了肉桂酸对豇豆幼苗叶片光合特性的影响。结果表明,与对照(0 mmol·L-1肉桂酸)相比,两种浓度(0.1 mmol·L-1和1 mmol·L-1)的肉桂酸处理均显著降低了豇豆幼苗叶片光合速率(Pn);0.1 mmol·L-1肉桂酸对叶片胞间C02浓度(Ci)无显著影响,1 mmol·L-1肉桂酸在处理5d后提高了Ci。肉桂酸处理显著降低了豇豆幼苗叶片光呼吸速率(P,)、羧化效率(CE)、RuBP羧化酶活性,而对叶绿素相对含量、PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)、初始荧光(Fo)及处理后9d以前的光化学焠灭系数(qp)、电子传递速率(ETR)无显著影响,表明肉桂酸通过影响豇豆幼苗叶片RuBP羧化酶活性而不是叶绿素含量、光抑制和电子传递来影响光合速率。 利用多胺合成的抑制剂来调控不同的内源多胺水平,研究了豇豆叶片中肉桂酸对1,5-二磷酸核酮糖羧化酶活性及多胺含量的影响。结果显示,0.1 mmol·L-1肉桂酸降低了光合速率及RuBPC(1,5-二磷酸核酮糖羧化酶)活性,但没有改变PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm),实际光化学效率(ΦPSⅡ),胞间二氧化碳浓度(Ci)及相对叶绿素含量,表明光合速率下降至少部分归因于RuBPC活性降低。此外,0.1 mmol-L-1肉桂酸增加了腐胺(Put)含量,降低了亚精胺(Spd)及精胺(Spm)含量,因而降低了(Spd+Spm)/Put(多胺比率)。外源1 mmol·L-1 Spd缓解了肉桂酸的抑制作用,部分恢复了多胺比率及RuBPC活性。MGBG加剧了肉桂酸的作用;1 mmol·L-1 D-Arg降低了Put含量,增加了多胺比率和RuBPC活性。以上结果表明,0.1 mmol·L-1肉桂酸通过降低内源游离态Spm,结合态Spm含量及多胺比率来抑制RuBPC活性。肉桂酸作用下,外源Spd通过增加游离态Spm,结合态Spm含量及多胺比率来增加RuBPC活性。 本论文的研究结果表明,自毒物质抑制了连作豇豆生长发育,降低了豇豆产量;导致豇豆连作障碍的自毒物质包括苯乙酸,肉桂酸,4-羟基苯甲酸及邻苯二甲酸;其中肉桂酸抑制作用最大;肉桂酸降低了豇豆光合速率,其作用机理是通过降低豇豆叶片内源精胺含量及多胺比率为介导来降低RuBPC活性。
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