豌豆土壤中潜在自毒物质的鉴定及自毒效应研究

doi:10.11686/cyxb2022388

草业学报 ›› 2023, Vol. 32 ›› Issue (6): 134-145.DOI: 10.11686/cyxb2022388

豌豆土壤中潜在自毒物质的鉴定及自毒效应研究

马绍英¹(), 陈桂平²^,³, 王娜⁴, 马蕾²^,³, 连荣芳⁵, 李胜²^,⁴(), 张绪成⁶()

^1.甘肃农业大学基础实验教学中心，甘肃兰州 730070
^2.省部共建干旱生境作物学国家重点实验室，甘肃兰州 730070
^3.甘肃农业大学农学院，甘肃兰州 730070
^4.甘肃农业大学生命科学技术学院，甘肃兰州 730070
^5.定西市农业科学研究院，甘肃定西 743000
^6.甘肃省农业科学院旱地农业科学研究所，甘肃兰州 730070

收稿日期:2022-09-27 修回日期:2022-10-31 出版日期:2023-06-20 发布日期:2023-04-21
通讯作者: 李胜,张绪成
作者简介:E-mail： gszhangxuch@163.com
E-mail： lish@gsau.edu.cn
马绍英（1975-），女，甘肃兰州人，高级实验师，硕士。E-mail： mashy@gsau.edu.cn
基金资助:
豌豆连作障碍的引发及反馈机理研究(21JR7RA822);寒旱区优势作物绿色提质生产技术研究与示范(20ZD7NA007);国家绿肥产业技术体系(CARS-22-G-12);国家自然基金(31460382);财政部、农业农村部国家现代农业产业技术体系-食用豆(CARS-08);国家自然科学基金(32260483)

Identification of potential autotoxic substances in pea soil and analysis of their autotoxic effects

Shao-ying MA¹(), Gui-ping CHEN²^,³, Na WANG⁴, Lei MA²^,³, Rong-fang LIAN⁵, Sheng LI²^,⁴(), Xu-cheng ZHANG⁶()

^1.Basic Experimental Teaching Center，Gansu Agricultural University，Lanzhou 730070，China
^2.State Key Laboratory of Arid Land Crop Science，Lanzhou 730070，China
^3.College of Agriculture，Gansu Agricultural University，Lanzhou 730070，China
^4.College of Life Science and Technology，Gansu Agricultural University，Lanzhou 730070，China
^5.Dingxi Academy of Agricultural Sciences，Dingxi 743000，China
^6.Dryland Agricultural Institute，Gansu Academy of Agricultural Sciences，Lanzhou 730070，China

Received:2022-09-27 Revised:2022-10-31 Online:2023-06-20 Published:2023-04-21
Contact: Sheng LI,Xu-cheng ZHANG

摘要/Abstract

摘要：

自毒作用是引发连作障碍的重要原因之一。为明确大田种植豌豆土壤中潜在自毒物质并探究其自毒效应，采用气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）鉴定大田种植的2种基因型豌豆（定豌10号、云豌8号）根际土壤中潜在的自毒物质。并通过水培的方式，研究了不同浓度的潜在自毒物质对豌豆（定豌10号、云豌8号）种子萌发、幼苗生长及生理指标的影响，以期为豌豆连作障碍的发生提供参考依据。结果表明，芥酸酰胺是2种基因型豌豆中共有的潜在自毒物质。0.1 mmol·L^-1的芥酸酰胺可促进定豌10号种子的萌发，0.10、0.25、0.50 mmol·L^-1的芥酸酰胺均可促进云豌8号种子的萌发。不同浓度芥酸酰胺显著降低了定豌10号植株体内超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）活性，增加了丙二醛（MDA）含量。高浓度的芥酸酰胺显著增加了云豌8号MDA含量，降低了脯氨酸（Pro）含量及根系POD活性。生长指标的综合化感效应结果表明，2种基因型豌豆植株的生长均受到抑制，且定豌10号的抑制程度大于云豌8号。说明，芥酸酰胺作为豌豆根际土壤中潜在化感物质，对豌豆种子的萌发具有低促高抑的浓度效应，对豌豆植株的生长产生抑制效应，且促进与抑制程度因豌豆基因型而异。

关键词: 豌豆, 自毒物质, 种子萌发, 幼苗生长, 自毒效应

Abstract:

Autotoxicity is one of the main problems in continuous cropping. The aims of this study were to identify potential autotoxins in soil where pea （Pisum sativum） had been cultivated and to explore their autotoxic effects. We collected rhizosphere soil from two pea genotypes （cultivars Ding wan 10 and Yun wan 8） in the field， and used gas chromatography-mass spectrometry （GC-MS） to identify potential autotoxins in these soil samples. Then， the effects of potential autotoxins at different concentrations on the seed germination， seedling growth， and physiological indexes of pea （cultivars Ding wan 10 and Yun wan 8） were evaluated using a hydroponic system. Erucamide was detected as a potential autotoxin in both pea genotypes. Erucamide at a concentration of 0.1 mmol·L^–1 promoted the germination of Ding wan 10 seeds， and erucamide at concentrations of 0.10， 0.25 and 0.50 mmol·L^–1 promoted the germination of Yun wan 8 seeds. It was found that erucamide at different concentrations significantly decreased the activities of superoxide dismutase （SOD） and peroxidase （POD）， and increased the malondialdehyde （MDA） content in Ding wan 10. A high concentration of erucamide significantly increased the MDA content in Yun wan 8， and decreased the proline （Pro） content and POD activity in pea roots. These analyses of the allelopathic effects of potential autotoxins on pea plants revealed that erucamide inhibited the growth of two pea genotypes， with a stronger inhibitory effect on Ding wan 10 than on Yun wan 8. Thus， erucamide is a potential autotoxin in pea rhizosphere soil， and its effects depend on its concentration. A low concentration can promote seed germination but higher concentrations can inhibit seed germination and plant growth. The degree of promotion and inhibition varies among different pea genotypes.

Key words: pea, autotoxins, seed germination, seedling growth, autotoxic effect

马绍英, 陈桂平, 王娜, 马蕾, 连荣芳, 李胜, 张绪成. 豌豆土壤中潜在自毒物质的鉴定及自毒效应研究[J]. 草业学报, 2023, 32(6): 134-145.

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图/表 14

图1 豌豆种子萌发及培养装置

Fig.1 Pea seed germination and culture equipment

图2 定豌10号（A）和云豌8号（B）根际土壤浸提液GC-MS分析色谱图

Fig.2 GC-MS analysis chromatogram of rhizosphere soil extracts of Ding wan 10 （A） and Yun wan 8 （B）

表1 定豌10号植株根际土壤浸提液成分

Table 1 Components of soil extracts from rhizosphere of Ding wan 10

时间 Time （min）	分子式 Molecular formula	名称 Name	相对含量 Relative content （%）
39.47	C₁₆H₁₃N	8-苄基喹啉 8-Benzylquinoline	18.42
53.80	C₂₂H₄₃NO	芥酸酰胺 13-Docosenamide，（Z）-	10.83
55.00	C₃₀H₅₀	角鲨烯 Squalene	6.80
44.88	C₂₃H₃₂O₂	2，2'-亚甲基双［6-（1，1-二甲基乙基）-4-甲基］苯酚 2，2'-methylenebis ［6-（1，1-dimethylethyl）-4-methyl］ phenol	4.26

表2 云豌8号植株根际土壤浸提液成分

Table 2 Components of soil extracts from rhizosphere of Yun wan 8

时间 Time （min）	分子式 Molecular formula	名称 Name	相对含量 Relative content （%）
39.51	C₁₆H₁₃N	1-萘氨基苯 1-Naphthalenamine， N-phenyl-	22.43
53.84	C₂₂H₄₃NO	芥酸酰胺 13-Docosenamide，（Z）-	11.40
44.90	C₂₃H₃₂O₂	2，2'-亚甲基双［6-（1，1-二甲基乙基）-4-甲基］苯酚 2，2'-methylenebis ［6-（1，1-dimethylethyl）-4-methyl］ phenol	8.72
14.81	C₁₁H₁₄O₂	1-［4-（2-羟基丙烷-2-基）苯基］乙酮 Ethanone， 1-［4-（1-hydroxy-1-methylethyl） phenyl］ -	4.73
16.15	C₁₉H₂₈O₄	2，4-二甲基戊二酸二甲酯 Pentanedioic acid，（2，4-di-t-butylphenyl） mono-ester	4.47

图3 不同处理对豌豆种子发芽势、发芽率的影响D10：定豌10号Ding wan No.10；Y8：云豌8号Yun wan No.8. 不同小写字母表示同一豌豆基因型在不同处理下差异显著，下同。Different lowercase letters indicate that the same pea genotype is significantly different under different treatments， the same below.

Fig.3 Effect of different treatments on germination potential， germination rate of pea seeds

图4 豌豆种子萌发的综合化感效应分析

Fig.4 Comprehensive allelopathy analysis of pea seed germination

图5 不同处理对豌豆植株SOD活性的影响

Fig.5 Effects of different treatments on SOD activity of pea plants

图6 不同处理对豌豆植株POD活性的影响

Fig.6 Effects of different treatments on POD activity of pea plants

图7 不同处理对豌豆植株Pro含量的影响

Fig.7 Effects of different treatments on proline content of pea plants

图8 不同处理对豌豆植株MDA含量的影响

Fig.8 Effects of different treatments on MDA content of pea plants

图9 芥酸酰胺处理下豌豆植株的表型变化特征

Fig.9 Phenotypic changes of pea plants under erucamide treatment

图10 芥酸酰胺处理下豌豆根系表型的变化特征

Fig.10 Phenotypic changes of pea roots under erucamide treatment

图11 芥酸酰胺对豌豆幼苗生长指标的影响

Fig.11 Effect of erucamide on growth index of pea seedling

图12 芥酸酰胺对豌豆植株生长的综合化感效应

Fig.12 Comprehensive allelopathic effect of erucamide on the growth of pea plants

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豌豆土壤中潜在自毒物质的鉴定及自毒效应研究

Identification of potential autotoxic substances in pea soil and analysis of their autotoxic effects

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