收稿日期：2012 － 08 － 20 基金项目：国家“十一五”科技支撑项目（ 2006BAD07B04） ； 辽宁省自然基金项目（ 201202192） 作者简介：李亮亮（ 1971 － ） ，男，北京人，副教授，博士，主要从事设施园艺及农业环境生态研究。 通讯作者：李天来（ 1955 － ） ，男，辽宁朝阳人，教授，博士生导师，主要从事设施园艺及分子生物学方面的研究。
碳化玉米芯缓解肉桂酸对番茄幼苗生长的抑制作用
李亮亮，李天来，张恩平，吴正超，臧 健，陈 彬，刘文娥，席联敏
（ 沈阳农业大学，辽宁 沈阳 110161 ） 摘要：研究不同浓度肉桂酸对番茄苗期生长抑制作用以及加入碳化玉米芯缓解肉桂酸对番茄苗期生长抑制作用 的效果。以肉桂酸作为番茄的连作障碍自毒物质，珍珠岩为基质进行盆栽试验，并就生物量、光合作用、根尖超微结 构和 MDA 含量等指标的变化进行了讨论。结果表明，施用肉桂酸对幼苗的光合作用指标、生物量及叶绿素的含量具有 显著的抑制作用。高浓度的肉桂酸处理使根尖的超微结构受到破坏。同时使幼苗体内 MDA 的含量显著增加。加入碳 化玉米芯有效地缓解了肉桂酸对番茄幼苗的毒害作用。因此，施用碳化玉米芯可作为防止番茄连作障碍的措施之一。 关键词：肉桂酸； 番茄； 自毒作用； 光合作用； 超微结构； 丙二醛； 碳化玉米芯 中图分类号：S641． 1 文献标识码：A 文章编号：1000 － 7091（ 2012） 05 － 0139 － 05Effect of Cinnamic Acid on Physiological Characteristics of Tomato Seedlings
and Alleviation by Carbonized Maize Cob Application
LI Liang-liang，LI Tian-lai，ZHANG En-ping，WU Zheng-chao，ZANG Jian，
CHEN Bin，LIU Wen-e，XI Lian-min
（ Shenyang Agricultural University，Shenyang 110161，China）
Abstract： We examined the effects of cinnamic acid on the growth of tomato seedlings，and its alleviation of ap-plied carbonized maize cob was shown． The tomato seedlings were transplanted in the hydroponic system with perlite as substrate，and the biomass，photosynthesis，ultrastructure of root and MDA were investigated． The results showed that cinnamic acid inhibited the biomass，photosynthesis and chlorophyll contents of tomato seedlings． Deformation of the ultrastructures of root was observed and the MDA content was increased by the treatment of high content cin-namic acid． But the inhabitations were alleviated by applied carbonized maize cob． Carbonized corn cob can be used to prevent the plants from monocropping obstacles．
Key words： Cinnamic acid； Tomato； Autotoxicity； Photosynthesis； Ultrastructure； MDA； Carbonized maize cob 蔬菜连作后会出现生长衰退、产量下降、品质变 劣等连作障碍的现象。连作障碍的原因很多，自毒 作用是其中重要的原因之一，因此，研究自毒物质对 植物的作用就显得十分重要。以往的研究表明，酚 类物质对作物和蔬菜的影响主要表现在抑制幼苗生 长、光合作用、离子吸收、脂膜透性增加、保护酶活性 降低等［1 － 2］ 。Yu［3］证实了豌豆、番茄、黄瓜、西瓜和 甜瓜根系分泌物和残茬所引起的自毒作用，并从中 分离出以肉桂酸为代表的多种自毒物质。周志红 等［4］研究了番茄根系分泌物、植株浸提液及挥发物 质的化感作用，表明番茄具有自毒性。姚军［5］的研 究表明，肉桂酸、苯甲酸和邻苯二甲酸均抑制了不同 品种加工番茄种子的萌发，表现在萌发率、胚根长较 对照均有所降低。目前，防止连坐障碍的方法包括 客土改良、土壤微生物区系的改善、嫁接等多种办 法，其中施用有机物被认为是一种简便易行的方 法［6］ 。吕为光等［7］的研究表明，施用有机肥能减轻 肉桂酸对黄瓜的抑制作用，显著提高黄瓜的株高、叶 片数、叶面积和生物量。Yu 等［8］的研究表明，活性 炭对有机生长抑制物质具有较强的吸附能力，可以 利用活性炭来消除番茄自毒物质的的自毒作用。因 此，本研究采用珍珠岩为基质进行盆栽试验，研究添 加肉桂酸以及同时添加碳化玉米芯后番茄幼苗在生 长发育中生理生化指标的变化。探讨肉桂酸对番茄 幼苗的毒害作用以及碳化玉米芯是否能够缓解肉桂 酸对番茄幼苗的伤害，为进一步揭示肉桂酸的作用
机制提供新的资料和依据，为制定适于生产应用的 防止番茄自毒作用的措施提供理论依据。
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材料和方法
1． 1 试验材料 试验于 2010 年 4 － 6 月在沈阳农业大学园艺试 验基地塑料大棚及实验室进行。供试番茄（Lycoper-sicon esculentum Mill） 品种为辽园多丽。活性炭是购 于化学试剂商店的高纯度粉状活性炭。碳化玉米芯 来自沈阳农业大学稻作所，经酸洗、碱洗和水洗净化 后烘干备用。试验所用药品均为分析纯。 1． 2 试验设计 将事先挑选好的番茄种子播于穴盘中，培养至 四叶一心时，将优良壮苗移栽到盛有珍珠岩的 10 cm × 10 cm 的塑料钵内。采用如下处理进行室内培养。 CK： 珍珠岩为基质，浇灌 1 /2 Hoagland 营养液； A： 珍珠岩为基质，浇灌 0． 25 mmol /L 肉桂酸的 1 /2 Hoagland 营养液； B： 珍珠岩为基质，浇灌 2． 5 mmol /L 肉桂酸的 1 /2 Hoagland 营养液； C： 珍珠岩混 2% 碳 化玉米芯为基质，浇灌 2． 5 mmol /L 肉桂酸的 1 /2 Hoagland 营养液； D： 珍珠岩混 2% 活性炭为基质，浇 灌 2． 5 mmol / L 肉桂酸的 1 /2 Hoagland 营养液。 每处理定植 10 株，3 次重复，随机排列。前期 每日每钵浇灌 100 mL，后期浇灌 150 mL，每处理浇 灌培养液的量保持一致，其他栽培管理与生产相同。 1． 3 试验方法 生长指标的测定： 处理后 20 d，测定幼苗根鲜质 量、叶片鲜质量、地上部鲜质量及根长。地上部及地下 部鲜质量采用称质量法测定； 根长采用钢卷尺测定。 光合作用相关指标和叶绿素的测定： 处理后 20 d，选择晴天上午，用 Li-6400 型便携式光合作用测 定系 统，温 度 为 30℃ ，空 气 相 对 湿 度 为 （ RH，% ） 50% ～ 70%，采用开放式气路测定番茄幼苗功能叶 片（ 第 6 片叶） 的净光合速率（ Pn） ，蒸腾速率（ Tr） ， 气孔导度（ Gs） ，细胞间隙 CO2浓度（ Ci） 。叶绿素含 量的测定按 Arnon 的方法［9］ 。 丙二醛含量测定采用硫代巴比妥酸法［10］。 根系的超微结构的观察： 取培养 20 d，对照、B 处理、C 处理和 D 处理样品的根尖，用双面刀片切 成 2 mm 长，迅速放入戊二醛（ 0． 1 mol /L 的 pH 值 6． 8 磷酸缓冲液） 固定，用真空抽气法将材料沉入固 定液底部，4℃ 保存。用 1% 锇酸固定 1． 5 h，梯度乙 醇 － 丙醇脱水，丙酮置换，Epon-812 环氧树脂包埋。 LKB-5 型超薄切片机切片，JEM-1200X 型透射电镜 观察照相。 1． 4 数据处理方法 原始 数 据 的 处 理 采 用 Excel 软 件 完 成，采 用 SPSS 11． 5 统 计 分 析 软 件 对 调 查 数 据 进 行 方 差 分 析。
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结果与分析
2． 1 碳化玉米芯对肉桂酸影响幼苗生物量及叶绿 素的缓解作用 从表 1 可以看出，不同处理对番茄幼苗的生物 量及叶绿素的影响具有显著的差异。除了地上部鲜 质量外，A 处理与对照在各指标上差异均不显著。 B 处理与对照相比各项指标均有显著差异，根鲜质 量、地上部鲜质量和叶鲜质量只有对照的 40% ～ 50%，根长减少了 36% ，叶绿素 a、b 也分别减少了 23%，36% 。说明高浓度的肉桂酸对番茄幼苗的生 物量造成了较大的抑制。 表 1 不同处理对番茄幼苗生物量及叶绿素含量的影响Tab． 1 Effect of different disposal on biomass and chlorophyll content of tomato seedlings 处理 Treatment 根鲜质量 / g FW of root 地上部鲜质量 / g FW of aboveground 叶鲜质量 / g FW of leaf 根长 / cm Root length 叶绿素 a /（ mg /g） Chlorophyll a 叶绿素 b /（ mg /g） Chlorophyll b CK 10． 62 ± 0． 54a 26． 88 ± 0． 44a 15． 62 ± 0． 75a 25． 4 ± 0． 92a 1． 11 ± 0． 04a 0． 37 ± 0． 05a A 11． 18 ± 0． 32a 23． 54 ± 0． 43b 16． 8 ± 0． 68a 24． 5 ± 1． 42a 1． 15 ± 0． 42a 0． 35 ± 0． 05a B 5． 15 ± 0． 25c 13． 24 ± 0． 59c 7． 26 ± 0． 25c 16． 30 ± 1． 95c 0． 85 ± 0． 21b 0． 24 ± 0． 04b C 9． 28 ± 0． 21b 22． 14 ± 0． 39b 9． 15 ± 0． 34b 21． 26 ± 1． 54b 0． 90 ± 0． 19ab 0． 30 ± 0． 06ab D 9． 97 ± 0． 42b 21． 56 ± 0． 68b 10． 97 ± 1． 36b 20． 37 ± 1． 87b 0． 98 ± 0． 24ab 0． 31 ± 0． 08ab
注： 不同字母表示同一列平均数差异显著（ P ＜ 0． 05） 。表 2 同。
Note： Different letters followed means in a column stand for significant difference at 0． 05 leve1． The same as Tab． 2．
加入碳化玉米芯的 C 处理和加入活性炭的 D 处理之间各指标差异不显著，但与处理 B 相比各项 指标均显著提高，这一现象说明与活性碳一样，碳化 玉米芯虽然不能完全避免肉桂酸对番茄幼苗的伤 害，但能够缓解、降低肉桂酸的毒害作用。 2． 2 碳化玉米芯对肉桂酸影响幼苗光合作用的缓 解作用 由表 2 可知，A 处理与对照之间的差异不显著 （ 净光合速率除外） 。B 处理在净光合速率、气孔导 度和蒸腾速率上均有较大的下降。这说明高浓度的
141 肉桂酸处理引起番茄幼苗的气孔关闭、CO2进入受 阻，从而使光合速率和蒸腾作用的强度下降，吸收和 同化的物质和能量降低，抑制幼苗的生长。 D 处理与 C 处理之间的差异不显著，与对照相 比，在净光合速率、气孔导度和蒸腾速率上均有明显 降低，但与 B 处理相比在这 3 个光合作用指标上均 有显著提高。由此可以说明，碳化玉米芯可以明显 地缓解肉桂酸对番茄光合作用的影响。 表 2 不同处理对番茄幼苗光合作用的影响
Tab． 2 Effect of different disposal on photosynthesis of tomato seedlings 处理 Treatment 净光合速率 /（ μmol /（ m2·s） ） Photosynthesis rate 气孔导度 /（ mmol /（ m2·s） ） Stomatal conductance 胞间 CO2浓度 /（ μL /L） Intercellular CO2concentration 蒸腾速率 /（ mmol /（ m2·s） ） Transpiration rate CK 8． 64 ± 0． 42b 0． 147 ± 0． 026a 322 ± 21a 2． 12 ± 0． 13a
A 11． 60 ± 0． 42a 0． 164 ± 0． 015a 337 ± 15a 2． 14 ± 0． 15a B 3． 65 ± 0． 37c 0． 112 ± 0． 026b 285 ± 12ab 1． 22 ± 0． 11b C 7． 76 ± 0． 24b 0． 126 ± 0． 020ab 297 ± 19ab 1． 72 ± 0． 10ab D 7． 32 ± 0． 49b 0． 136 ± 0． 024ab 316 ± 18a 1． 68 ± 0． 14ab
图 1 不同处理对番茄幼苗 MDA 含量的影响
Fig． 1 Effect of different disposal on MDA of tomato seedlings
2． 3 对膜质过氧化的影响 由图 1 可知，番茄幼苗的根系和叶片中对照的 MDA 含量一直保持在较低水平，且变化很小。B 处 理对番茄幼苗 MDA 的增加有较大的影响，并随着 生长发育时间的延长而逐渐升高，在第 20 天番茄幼 苗根系中 MDA 含量达到对照的 2． 5 倍，在番茄幼苗 叶片中的 MDA 含量是对照的 1． 8 倍，说明随着处理 番茄幼苗时间的延长，植株自身的有毒物质累积量 增加，组织内剩余活性氧增多，质膜受到自由基的伤 害，导致了幼苗体内膜质过氧化水平提高。D 处理 与 C 处理的变化趋势相似，MDA 的含量均高于对 照，但明显低于 B 处理的 MDA 含量。说明添加碳 化玉米芯与添加活性炭有类似的作用，可以在一定 程度上降低酚酸物质对膜质的过氧化程度，对番茄 幼苗起着一定程度的保护作用。 2． 4 对叶片表面和根系的超微结构的影响 从图 2 可以看出，对照的番茄根细胞液泡比较 小，数量少，细胞核形状规则，边缘清晰，细胞壁结构 完整。肉桂酸处理过的番茄根细胞有明显的大液 泡，数量增多，细胞核形状不规则，边缘不清晰，细胞 壁不完整。表明番茄幼苗在高浓度的肉桂酸处理 下，幼苗根尖的超微结构受到破坏。加入碳化玉米 芯的 C 处理中也有明显的数量较多的大液泡，但细 胞核的边缘完整清晰，细胞壁结构也比较完整。D 处理与 C 处理的结果类似。表明添加碳化玉米芯 和活性炭虽然不能完全消除肉桂酸对根尖细胞的伤 害作用，但是能在一定程度上减少伤害的强度。 1． CK（ × 10K） ； 2． B 处理（ × 10K） ； 3． C 处理（ × 10K） ； 4． D 处理（ × 10K） ； N． 细胞核； P． 质体； V． 液泡； B． 细胞壁。 1． CK（ × 10K） ； 2． B treatment（ × 10K） ； 3． C treatment（ × 10K） ； 4． D treatment（ ×10K） ； N． Cell nucleus； P． Plastid； V． Vacuole； B． Cell wall．
图 2 CK、B 处理、C 处理和 D 处理番茄幼苗根尖的超微结构 Fig． 2 Ultrastructure of root tip of tomato
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结论与讨论
植物通过组织分泌或残茬分解等途径产生的酚 酸类物质具有化感作用，会抑制邻近植物或下茬植 物的生长发育［11 － 13］，阿魏酸、咖啡酸和香草醛等化 感物质通过降低植物叶片的光合作用、叶绿素含量 和气孔导度等生理指标而抑制植物生长［14］ 。吴凤 芝［15］的研究表明苯丙烯酸和对羟基肉桂酸对黄瓜 幼苗的生长有抑制作用，鲜质量、株高、茎粗、叶面积 均有减小，随处理浓度的增加抑制作用增强。张江 红等［16］也证明了高浓度自毒物质可以降低平邑甜 茶幼苗的光合速率和蒸腾速率。本试验结果也说明 高浓度的肉桂酸处理引起幼苗的光合速率、气孔导 度和蒸腾作用的强度下降，同时也降低番茄幼苗生 物量和叶绿素的含量。其原因可能是自毒物质会抑 制光合作用中的电子传递、循环和非循环光合磷酸 化。引起脂质过氧化，促进叶绿素的降解，使叶片光 合下降、气孔关闭［17 － 18］。造成番茄幼苗光合作用强 度降低，幼苗缺乏快速生长所必需的物质和能量，抑 制了植株的生长。形成番茄幼苗根长变短，根鲜质 量、地上部鲜质量及叶鲜质量的明显降低的现象。 MDA 是膜脂过氧化产物，其含量可以用来反映逆境 下细胞膜的稳定性。不同的化感物质都会对 MDA 含量产生一定的影响［19］ 。本试验结果表明，低浓度 的肉桂酸处理虽然使 MDA 含量升高，但最后趋于 对照； 高浓度肉桂酸处理使 MDA 含量升高，但未能 恢复到对照的水平。其原因可能是在高浓度肉桂酸 作用下番茄幼苗体内过氧化产物增多，随着处理时 间的延长，当体内氧化产物累积到一定水平时，各种 酶不能正常发挥作用，导致酶活性下降，根系清除氧 自由基的能力下降幅度增大，其内部 O2 －的增加速 率大于保护性酶清除 O2 －的速率 ，过剩的活性氧会 引发或加剧膜质过氧化的作用，对膜系统造成严重 的伤害，进而影响植株正常的生长发育。 孙会军等［20］研究表明 ，肉桂酸、肉桂酸处理可 导致根尖细胞的细胞核变形，核仁异常，细胞质稀 疏，液泡增多、变大。本研究发现细胞核变形，核膜 和细胞壁受损，液泡增多变大，这与之前的研究是一 致的。 从本试验的结果来看，加入碳化玉米芯之后，有 效地缓解了肉桂酸对番茄幼苗的伤害，在一定程度 上维持了作物的光合作用，保证了番茄幼苗生物量 的增长。其中的原因可能与活性炭和碳化玉米芯具 有比较大的吸附作用有关，当酚酸类物质浓度较高 时，非极性固体吸附剂如石墨、炭等在水溶液中吸附 酚类物质的状态为垂直取向，增大了吸附量［21］ 。碳 化玉米芯具有极为发达的内部孔隙结构和较大的比 表面积。在试验初期，由于碳米化玉芯对肉桂酸有 较强的吸附作用，使溶液中的肉桂酸浓度降低，因 此，保护酶的活性变化幅度较小，随着番茄幼苗的生 长，对逆境的抗性增强，使番茄幼苗在试验后期的生 长趋于正常，从而降低了番茄幼苗在生物量、光合作 用上的变化幅度，为番茄的后期生长奠定了基础。 综上所述，加入碳化玉米芯能缓解番茄因自毒 作用引起的生长障碍，对土壤物理性质有较好的改 善作用，在土壤中也不易分解，而且碳化玉米芯的成 本在每公斤 0． 2 元，相对于目前市场上销售的活性 炭有着巨大的价格优势，在生产实践中可行性极大。 因此，在土壤中添加碳化玉米芯是解决肉桂酸对番 茄的毒害作用发生、防止连作障碍的有效方法。 参考文献：［1］ Cruz R，Ayala C G，Anaya A L． Allelochemical stress pro-duced by the aqueous leachates of Callicarpa acuminata： effect on roots of beans，maize and tomato［J］． Physiologia Piantarum，2002，116： 20 － 27．
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