射干的化感作用测定及连作障碍原因分析

宝 龙，海 龙，查木哈，德格吉日呼

（赤峰学院 继续教育学院，内蒙古 赤峰 024000）

射干（Belamcanda chinensis）是鸢尾科射干属多年生草本植物，别名：野萱花，卜西勒色（蒙语），根状茎横走，鲜黄色。根茎部位有很高的药用价值，主要我国辽宁、吉林、山西等地区分布，科尔沁沙地（辽宁阜新）也有采集样本的记载[1,2]。随近年中药材人工种植的普及射干在科尔沁地区开始种植，但种植过程中面临出苗率不足或根腐病等问题，而种植年份的增多而逐渐加剧趋势。在以往研究有射干的病虫害和根腐病相关报道[2,3]，但是从药用植物连作障碍的角度，分析射干出苗率不足和根腐病产生原因的研究较少。

药用植物自毒作用引起的连作障碍是制约中药材产业可持续发展的一道难题。据调查研究发现我国超过40%的中药材依靠人工栽培生产，其中，根块类中药材占栽培品种的70%左右，而根块类中药材栽培中普遍存在着连作障碍现象[4,5]。例如：地黄（Rehmannia glutinosa）、当归（Angelica sinensis）、白术（Atractylodes macrocephala）、半夏（Pinellia ternata）、太 子 参（Pseudostellaria heterophylla）、人 参（Panax ginseng）、百合（Lilium brownii）、三七（Panax pseudoginseng）、桔 梗（Platycodon grandiflorus）、西洋 参（Panax quinquefolius）、丹 参（Salvia miltiorrhiza）等[6,7]。连作障碍现象导致中药材产量的大幅减少及产品品质的下降，严重时候甚至绝收。因此，连作障碍是中药材生产中不可忽视的重要课题。

连作障碍是一种作物在同一块土地上连续种植而导致作物生长和产量下降的现象[8]。在以往的研究中发现产生连作障碍的原因，有病原微生物的增多或病虫害加剧、营养元素的吸收受到影响和土壤理化性状恶化、化感作用等[9,10]。其中化感物质进入土壤后直接或间接的影响作物自身或其他生物体的生长发育而引起自毒作用是药用植物常见的现象[11]。药用植物是生产多种天然化合物的高等植物种类，所以，在枝茎和叶子部分残留物掉落地面或根部残留物中的生物活性物质渗入到土壤里容易产生自毒作用。因此，测定药用植物地上部和根部的化感作用，阐明化感物质和连作障碍之间的关系是克服连作障碍问题的重要环节。

植物化感作用是某种植物释放的化学物质对其他植物（或微生物）的生长和发育产生抑制或促进作用的现象[12]。例如：在胡桃树（Juglans nigra）冠下不长杂草现象，是胡桃树释放的化感物质通过淋雨的途径进入到土壤抑制杂草的生长[13]。1937年德国植物学家Hans Molisch首次将这种现象称为化感作用（Allelopathy），并定义为植物或微生物之间的化学相互作用，包括促进和抑制两个方面[14]。化感物质引起的自毒作用是连作障碍现象产生的重要原因之一[15]。本研究从植物化感作用研究的角度，测定射干的地上部分（叶、茎）和根部化感作用，分析射干地上部和根部释放的化感物质，对连作障碍产生中的作用。

1 材料与方法

1.1 样本采集与处理

本研究样本通过自然采集和试验基地栽培两种途径取样。第一次，2017年8月通辽市奈曼旗中药材种植基地采集（前期研究使用），第二次，2021年8月10日至12日，在通辽市扎鲁特旗北部山丘采集样本。第三次，试验基地栽培（2021年4月-8月），射干种子由安国市天泽农业科技种植基地提供。采集的样本进行实验室处理（烘干箱调到60度烘干30个小时），采用封口标本袋子保存。

1.2 实验方法

1.2.1 三明治方法（Sandwich Method）

测定植物地上部分（叶，枝，花，果实）和残留物的化感效应的方法。针对测定落叶树木和残留物生物活性而研发的方法[16]。在先行研究中一般落叶树木的落叶量计算为平均1ha，3000kg/年，根据植物生长环境及地区的不同而有所差异，本研究按照先行研究为依据3000kg计算。具体操作中采用6孔细胞培养板（Multidish 6 Wells,Nunclon Delta Si,Thermo Fisher Scientific,China），处理好的样本分开10mg和50mg两种量（10mg为3孔，50mg为3孔），装进6孔细胞培养板，采用营养琼脂灭菌好，把装好的植物样本三明治状态夹层埋好，上面种植受体植物种子每孔种植5粒（3孔×5=15粒）22度恒温培养箱内发育3日。3日后测定幼苗长（Hypocotyl）和幼根长（Radicle），观察测定植物样本对受体植物幼苗生长的影响，推定样本植物的生物活性。本研究选择生菜（Lactuca sativa var.）为受体植物，原因生菜是双叶类植物的代表性植物，而且对外界影响感应比较敏感植物。

1.2.2 盘子方法（Dish-pack Method）

测定植物挥发物质化感效应的方法[17]。植物挥发性物质影响周边植物或微生物的生长，对植物群落的变迁及繁殖扩张过程产生重要的作用。具体操作：采用6孔细胞培养板，把样本植物的地上部分（叶，枝，花，果实）2g放入一个孔，其他5个孔铺好滤纸，提前处理好的受体植物种子，每孔放入7粒（5孔×7粒=35粒）发育3日。3日后测定受体植物幼苗的幼苗长和幼根长，推定样本植物挥发性物质的化感效应。

1.2.3 种子萌发数据处理

受体植物种子萌发测定结果参数使用相对比值（对照的百分比）表明发芽率和发芽指数。发芽率=发芽种子数/供试种子总数×100%。抑制率RI=（1-T/C）×100%（T≥C）或者RI=（T/C-1）×100%（T≤C）式中：C指对照值；T指处理值；RI＞0表示抑制作用?RI＜0表示促进作用?RI绝对值的大小与化感作用强度一致[18]。

2 结果与分析

2.1 射干叶子和根部对受体植物种子萌发与幼苗生长的影响

2.1.1 种子萌发测定

三明治方法测定中射干叶子1mg/mL浓度时对受体植物萌发没有表现抑制效应，5mg/mL浓度时对受体植物生菜种子萌发表现53%的抑制效应。射干根部对受体植物种子萌发的测试结果，1mg/mL浓度时没有表现抑制效应，5mg/mL浓度时表现11%抑制效应。在盘子方法的测定结果显示，射干挥发物对受体植物种子萌发没有抑制表现。

2.1.2 幼苗生长测定

三明治方法测定结果显示，射干叶子1mg/mL、5mg/mL浓度时，对受体植物幼苗胚根（抑制率：81%、97%）与下胚轴（抑制率：45%、83%）显著的抑制作用，如图1所示。射干根部1mg/mL、5mg/mL浓度时，对受体植物幼苗根长（74.5%、82%）和幼苗长（40%、58%）表现显著的抑制效应，如图2所示。盘子方法测定结果显示，对受体植物幼苗根长和幼苗长的抑制率（1.4%、20%）表现较弱的抑制效应，如图3所示。

图1 射干地上部对生菜幼苗生长的影响

图2 射干根部对生菜幼苗生长的影响

图3 射干挥发物对生菜幼苗生长的影响

2.2 结果分析

2.2.1 受体植物种子萌发测试

种子萌发不完整影响作物的产量，因此，种子萌发是作物种植过程中的重要环节。影响种子萌发的因素较多，自然气候条件、病虫害、种子自身因素、化感作用等，其中化感作用是多种生物活性化合物生产的药用植物的种植过程中常见的影响因素，所以，药用植物连作障碍形成原因分析研究中，对种子萌发的测试也是不可忽视的部分。植物释放的化感物质对其他植物或同种族的种子萌发产生较强的抑制作用，导致产生连作障碍。

本研究种子萌发测定结果表明，射干地上部分对受体植物生菜种子萌发，在1mg/mL浓度时，没有表现抑制效应，但5mg/mL浓度时，表现显著（53%）的抑制效应，而且浓度的提高而抑制作用增强。射干的种植过程中射干地上部残留物凋落到田间，重茬过程中对射干自身的种子萌发产生抑制作用的可能性。射干根部对受体植物的萌发，在1mg/mL浓度时，没有表现抑制效应，但5mg/mL浓度时，表现较弱（11%）的抑制效应。在盘子方法的测定结果显示，射干挥发物对受体植物种子萌发没有抑制表现。以上结果显示，射干地上部分和根部对受体植物种子萌发表现抑制作用，而浓度的提升而抑制作用增强。连作障碍现象形成的过程中，多种情况是随着种植年数的增多而逐渐严重化。因此，在射干的种植过程中地上部分的残留物和根部的残留物中的化感物质，渗入种植土壤中逐年积蓄而影响射干种子萌发的可能性。

2.2.2 受体植物幼苗生长影响测试

作物种植过程中连作障碍在种子萌发不完整之外，幼苗在生长的过程中受到外来影响生长不良或致死而产生。外来的影响因素主要自然气候条件、病虫害、化感作用等，其中，化感作用是药用植物的连作障碍中最常见的影响因素。而且，地上部分残留物、根部残留物是释放化感物质的主要部分，因此，药用植物地上部分和根部的化感作用测定有着重要意义。挥发物是在植物地上部分和残留物释放的化合物，其中含高活性化感物质的情况下，对其他植物或同种族之间产生的抑制作用。因此，挥发物的化感作用测定也是不可忽略的部分。

本研究测定结果表明，射干地上部分在1mg/mL浓度时，对受体植物生菜的胚根（Radicle）和下胚轴（Hypocotyl）生长表现显著的抑制作用（抑制率：81%，45%），5mg/mL浓度时，表现较强的抑制作用（抑制率：97%，83%），随着浓度的增强而抑制率表现增大。射干根部在1mg/mL浓度时，对受体植物生菜幼苗胚根和下胚轴的生长表现显著的抑制作用（抑制率：74.5%，39.7%），5mg/mL浓度时，表现较强的抑制作用（抑制率：82%，58.1%）随着浓度的增强而抑制率增大。以上结果显示，射干地上部分和根部表现较强的化感作用，而对受体植物胚根的抑制作用较强，由此，地上部分和根部残留物中的化感物质，积蓄到土壤中对幼苗胚根产生抑制作用途径，影响射干幼苗生长的可能性。挥发物对受体植物生菜的生长较弱的抑制作用，因此在连作障碍的产生中挥发物作用的可能性较小。

3 讨论

3.1 射干活性化学成分

射干的根茎部有药用价值，其生物活性化学成分的药理研究较多，主要鉴定黄酮类化合物、异黄酮类化合物、酚酸类化合物、苯醌类化合物、萜类化合物、类固醇等[19]。其中酚酸类化合物和萜类化合物中有高活性化感物质的报道。例如：射干化合物中鉴定的没食子酸（Gallic acid）和莽草酸（Shikimic acid）[20]（图4），其中没食子酸是在荞麦（Fagopyrum esculentum）的化感物质被鉴定，同时对种子萌发和幼苗生长有显著的抑制作用的报道[21]。裴毅在没食子酸水溶液对铜绿微囊藻的化感作用测定结果显示，有显著的生长抑制作用[22]。以上多个研究验证没食子酸是一种酚酸类化感物质。射干的连作障碍形成中没食子酸在土壤中积累所导致的可能性。除此之外，射干的根茎部鉴定出一定量的莽草酸，是木兰科植物八角茴香提取的活性化合物。莽草酸有抗炎、镇痛作用之外，对植物种子萌发和幼苗生长有抑制作用的报道[23]。因此，射干根茎部中存在活性化感物质，通过淋溶或残留物腐烂的途径，渗入土壤积累而产生化感自毒作用的可能性。确定化感物质的抑制作用，需要进一步的化感物质鉴定和测试研究。

图4 射干根茎部分潜力活性化感物质

3.2 射干病虫害与根腐病

病虫害是药用植物种植过程中常见的灾害，也是形成连作障碍的重要原因之一。因此，分析射干连作障碍问题时，病虫害是不可忽略的问题。据研究报道射干病害主要是锈病、根腐病，虫害主要为蛴螬、钻心虫等。锈病多于秋季发生，危害叶片，因此，对连作障碍形成的没有太大的影响。根腐病是发生于春夏多雨季节，多因带菌的种子或土壤积水，或使用未腐熟的畜粪作底肥而发病，导致射干根部腐烂，导致产生连作障碍现象的可能性。由此可见，射干连作障碍的形成过程中，病虫害等外来因素的胁迫和化感物质的自毒作用等复杂的因果关系。分析连作障碍产生原因时，先排除这些外来其他因素的基础上进一步，测定化感物质与分析连作障碍之间的关系是机关重要。

4 结论

射干是华北地区生长的道地中药材，随着药用植物人工种植面积的日益扩大，内蒙古通辽市奈曼旗和赤峰市周边地区开始种植，桔梗、黄芩、北沙参、蒙古黄芪、射干、丹参、甘草、等适合地区自然条件的药用植物。但是在药用植物种植过程中耕地面积有限，同种药材的连作种植是不可避免的种植模式。在连作种植过程中桔梗、丹参、射干等都面临不同程度的连作障碍的现象，导致产量减少或中药材品质的下降。因此，解决连作障碍问题已成为地区中药材种植产业发展的重要课题。

本研究从植物化感作用研究的角度，测定射干地上部分和根部化感作用，分析射干释放化感物质和连作障碍形成之间关系。首先，射干地上部和根部对受体植物种子萌发和幼苗生长表现较强的化感抑制作用，由此推定射干释放化感物质渗入土壤积累，在连作障碍形成的过程中产生抑制作用的可能性较大。其次，射干挥发物对受体植物种子萌发和幼苗生长表现微弱的抑制作用，因此，在连作障碍形成中产生作用的可能性较小。其三，要确定射干释放化感物质和连作障碍之间的关系，需要进一步的鉴定化感物质和测定莽草酸和没食子酸等化感物质对射干的种子萌发和幼苗生长的影响。根据测定结果来判定射干释放化感物质与连作障碍之间的关系，阐明射干连作障碍形成的真正原因，探索克服连作障碍问题的方案。