陕西3个主产区核桃凋落叶的化感活性及其代谢产物差异分析.pdf
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1、54卷南 方 农 业 学 报 1198陕西3个主产区核桃凋落叶的化感活性及其代谢产物差异分析徐瑞1,郝苑汝1,鱼若萱1,卢璐1,葛香瑞1,孙琳娜1,陈鸿1,翟梅枝1,2*(1西北农林科技大学林学院,陕西咸阳712100;2陕西省核桃工程技术研究中心,陕西咸阳712100)摘要:【目的】探究纬度因子变化对核桃凋落叶化感活性及代谢产物的影响,为核桃凋落叶深度开发利用及核桃林下复合种植提供理论基础。【方法】以陕西3个主产区黄龙、临渭和商州的核桃凋落叶为试验材料,采用室内生物测定法,研究其水提取物及70%乙醇提取物对小麦的化感作用,筛选出最佳提取溶剂,通过液相色谱串联质谱法(LC-MS/MS)鉴定适宜
2、溶剂提取物的成分,进一步探究最佳溶剂提取物对小麦和黑麦草的化感作用,筛选敏感受体。【结果】相同试验条件下,不同产区核桃凋落叶提取物得率不同,2种提取液颜色均随纬度降低而加深。相同浓度处理液的化感活性为醇提物水提物,乙醇可作为提取凋落叶中化感物质的适宜溶剂;对醇提物化感作用的敏感性程度为黑麦草小麦,黑麦草可作为后续试验的敏感受体。3个主产区核桃凋落叶的化感活性依次为黄龙临渭商州。3个主产区核桃凋落叶70%乙醇提取物共检出13类1139种代谢物,黄龙、临渭和商州分别检出601、716和664种,均以脂类和类脂化合物为主;凋落叶中相对含量大于1%的物质有7类(主要为有机酸类)27种,其中丁二酸、对羟
3、基苯甲酸、苹果酸、右旋奎宁酸和石竹烯氧化物等5种化合物是已知的化感物质。【结论】不同产区核桃凋落叶提取物的化感活性随采样地纬度降低而减弱,可能是核桃生长环境的变化造成叶片中化感物质种类及含量不同,从而影响其提取物的化感活性。关键词:核桃;凋落叶;化感活性;代谢产物;主产区中图分类号:S664.1文献标志码:A文章编号:2095-1191(2023)04-1198-09收稿日期:2023-01-30基金项目:陕西省重点研发计划项目(2020NY-039,2023-ZDLNY-18)通讯作者:翟梅枝(1963-),https:/orcid.org/0000-0001-5624-247X,博士,教授
4、,主要从事林源植物副产品活性成分研究工作,E-mail:plum-第一作者:徐瑞(1998-),https:/orcid.org/0000-0001-7037-9739,研究方向为林产化学资源利用,E-mail:南方农业学报Journal of Southern Agriculture2023,54(4):1198-1206ISSN 2095-1191;CODEN NNXAABhttp:/DOI:10.3969/j.issn.2095-1191.2023.04.024Allelopathic activity and metabolite differences of walnut leafl
5、itter in the three main producing areas of Shaanxi ProvinceXU Rui1,HAO Yuan-ru1,YU Ruo-xuan1,LU Lu1,GE Xiang-rui1,SUN Lin-na1,CHEN Hong1,ZHAI Mei-zhi1,2*(1College of Forestry,NorthwestA&F University,Xianyang,Shaanxi 712100,China;2Shaanxi Walnut EngineeringTechnology Research Center,Xianyang,Shaanxi
6、712100,China)Abstract:【Objective】To explore the effects of latitude factor on the allelopathic activity and metabolites of walnutleaf litter,so as to provide a theoretical basis for the deep development and utilization of walnut leaf litter and compositeplanting under walnut forest.【Method】Taking th
7、e leaf litter of walnut from Huanglong,Linwei and Shangzhou,the threemain production areas of Shaanxi Province,as research objects,the allelopathic effects of aqueous extract and 70%ethanolicextract on wheat were studied by indoor bioassay.The optimal extraction solvent was selected,and the appropri
8、ate solventextracts components were identified by liquid chromatography-tandem mass spectrometry LC-MS/MS to further explorethe allelopathy of the best solvent extracts on wheat and ryegrass and screen the sensitive receptors.【Result】Under thesame experimental conditions,the yield of walnut leaf lit
9、ter extract varied in different producing areas,and the colors oftwo extracts deepened with decreasing latitude.The allelopathic activity of the same concentration treatment solution wasethanolic extractaqueous extract,indicating that ethanol could be used as a suitable solvent for extracting allelo
10、pathicsubstances from walnut leaf litter.The sensitivity level to the allelopathic effect of ethanolic extract was ryegrasswheat,indicating that ryegrass could be used as a sensitive receptor for subsequent experiments.The allelopathic activity of walnut4期11990引言【研究意义】化感作用指植物通过释放化学物质到环境中,对其邻近植物(含微生物
11、)及其自身产生直接或间接的有害或有益作用(师小平等,2020),主要影响植物生长发育和生理代谢过程。核桃(Juglans regia L.)是典型化感植物,在我国分布广泛。近年来,以核桃为主的农林复合种植产业不断发展,由于化感抑制作用的存在,复合系统中作物的正常生长发育会受到抑制,经济效益难以实现最大化(李胜繁,2022),但可通过充分利用农林废弃物,将上述化感抑制作用转为促进作用,同时减少合成化学品的使用、减缓环境恶化(Aci et al.,2022)。凋落物分解是植物释放化感物质最直接有效途径之一(Weir et al.,2004;Rukshana et al.,2014),核桃凋落叶生物
12、量极大,是一种丰富的生物资源,探究核桃凋落叶的化感作用不仅能为核桃凋落叶高附加值利用提供科学参考,也有助于建立科学有效的核桃林下间作和套种模式,提高农林复合生产效益。【前人研究进展】目前关于核桃的化感作用研究主要集中在根、茎、叶、花、果及内果皮等部位(贾彩霞等,2021;王一峰等,2021),且核桃青叶具有较明确的化感活性(orevi et al.,2022)。张如义等(2016)的研究显示核桃凋落叶腐解液在低浓度下促进萝卜(Raphanus sativus L.)种子的发芽及生长,而高浓度下则会抑制其种子萌发,并通过影响植物体内渗透调节物质的积累、破坏细胞膜系统和减弱抗氧化酶活性,以抑制幼苗
13、的正常生长发育。贾孟等(2021)研究指出核桃凋落叶腐解后会导致土壤硝态氮、铵态氮和脲酶等主要土壤环境因子发生显著改变。目前大多数研究主要集中在同一立地条件下核桃凋落叶对不同受体的影响,而植物的化感作用与其生长环境密切相关,植物为增强自身生存竞争能力,会通过化感作用来应对环境改变和其他生物的入侵(孔垂华等,2016;Kong et al.,2019)。化感物质多为植物的代谢产物,植物叶片代谢物质种类及含量是植物响应外界环境变化的重要性状(赵玮晗等,2022)。徐郑等(2015)采用气相色谱质谱(GC-MS)检测核桃凋落叶中代谢物质发现,川西核桃凋落叶的潜在化感物质相对含量高于秦巴山区,且盆栽试
14、验结果表明川西核桃凋落叶分解对小白菜产生的化感作用比秦巴山区强。说明核桃凋落叶中次生物质随生境变化而不同,其化感活性也会受到直接影响。【本研究切入点】目前有关不同生长环境下核桃凋落叶提取物的化感活性及其代谢产物的研究尚未见报道。【拟解决的关键问题】以陕西渭北、关中和陕南3个核桃主产区不同气候土壤条件下的核桃凋落叶为研究对象,采用室内生物测定法,选取生长快、反应敏感的小麦(Triticum aestivum L.)及黑麦草(Loliumperenne L.)为受体植物,探究核桃凋落叶提取物对其种子萌发及幼苗生长的化感效应,筛选出适宜的化感物质提取溶剂及敏感受体,并借助液相色谱串联质谱法(LC-M
15、S/MS)分析鉴定3个主产区核桃凋落叶最佳溶剂提取物的化学成分,明确不同生长环境下核桃凋落叶中代谢物质种类及含量,综合分析3个主产区核桃凋落叶的化感活性,为有效利用核桃凋落叶资源及构建合理的核桃林下复合种植模式提供理论支撑。1材料与方法1.1采样地概况在陕西境内,选择延安黄龙县、渭南临渭区和商洛商州区3个不同气候、土壤条件的10年生核桃园为采样点,种植均为陕西主栽核桃品种香玲。其中,黄龙县位于陕西中北部,属渭北旱塬区;临渭区位于陕西关中地区东部,属西北黄土高原区;商州区位于陕西东南部,属陕南土石山区。3个采样点地理坐标、土壤及生态气候条件详见表1。1.2试验方法1.2.1核桃凋落叶采集于202
16、1年11月中下旬采集核桃凋落叶。每个采样点选择3块标准地,标准地大小30 m20 m。按照五点采样法在每块标准地内leaf litter in different producing areas was in the order of HuanglongLinweiShangzhou.A total of 1139 metabolites in13 categories were detected in the 70%ethanolic extract of walnut leaf litter from the three regions.A total of 601,716 and664
17、metabolites were detected in Huanglong,Linwei and Shangzhou respectively,all of which were mainly lipids and lipid-like compounds.There were 7 types and 27 species of metabolites with a relative content greater than 1%in leaf litter,mainly organic acids.Five of these metabolites,including succinic a
18、cid,4-hydroxybenzoic acid,malic acid,quinic acid andcaryophyllene oxide,were known allelopathic substances.【Conclusion】The synthetic allelopathic effects of walnut leaf litterextracts from the different producing areas decrease with the decrease of sampling latitude,which may be due to changesin the
19、 walnut growth environment causing different types and contents of allelopathic substances in the leaves,therebyaffecting the allelopathic activity of the extracts.Key words:walnut;leaf litter;allelopathic activity;metabolites;main producing areasFoundation items:Shaanxi Key Research and Development
20、 Plan Project(2020NY-039,2023-ZDLNY-18)徐瑞等:陕西3个主产区核桃凋落叶的化感活性及其代谢产物差异分析54卷南 方 农 业 学 报 1200设置5个1 m1 m小样方,收集15个小样方内地表上的核桃凋落叶为一个采样点样品,带回实验室除杂、晾干、混匀、装袋,并置于阴凉通风处贮存备用。1.2.2核桃凋落叶粗提物及处理液制备粗提物制备:分别取粉碎后过60目筛的每个主产区核桃凋落叶粗粉各2份,每份50 g加入锥形瓶中,按1 10(W V)分别加入500 mL蒸馏水和500 mL 70%乙醇溶液,超声波辅助提取(时间30 min,温度30,功率100 W)后过滤,残
21、渣按上述方法再依次加入300和200 mL溶剂继续浸提2次,最后合并滤液,分别减压浓缩得水提物和醇提物浸膏,每处理3次重复,计算提取物得率,4 下保存备用。用于处理液制备和LC-MS/MS测定分析。处理液制备:称取适量浸膏,用无菌水分别配制成1、5、10、20和40 mg/mL水提物处理液(水提处理)和醇提物处理液(醇提处理)。1.2.3室内生物测定试验采用培养皿滤纸法进行室内生物测定(王田涛等,2021)。最佳提取溶剂筛选试验中,受体植物为周麦18小麦种子(由西北农林科技大学农学院提供),处理液分别为不同浓度的水提物及醇提物处理液;敏感受体筛选试验中,以上述周麦18小麦种子及黑麦草种子(购买
22、于当地种子商店)为受体植物,处理液为不同浓度的最佳溶剂提取物处理液。试验方法:选取大小均一、籽粒饱满的受体种子,用0.3%高锰酸钾溶液消毒10 min,用无菌水冲洗干净并浸泡使其吸胀以利发芽。在90 mm灭菌培养皿中放入2层无菌滤纸,各皿分别加入配制好的处理液10 mL,以无菌水为对照(CK),按55将25粒种子整齐摆放在滤纸上,在(221)、相对湿度80%、光照4000 lx、12 h/12 h(光/暗)条件下培养,每个处理设3个重复。1.2.4幼苗外观、萌发指数及化感效应测定自培养起计时,每24 h统计发芽数,以胚芽(根)长1 mm为发芽标准,于第7 d测量幼苗芽长及最长根长度;参照王田涛
23、等(2021)的方法计算各发芽指标及化感效应指数(RI):发芽率(%)=第7 d发芽种子总数/供试种子总数100发芽势(%)=自培养起3 d内发芽种子数/供试种子总数100发芽指数(GI)=(Gt/Dt)式中,Gt为第td种子发芽数,Dt为相应种子发芽天数。RI=1-C/T(TC)或RI=T/C-1(T0为促进作用,RI0为促进效应,SE0为抑制效应,以其绝对值大小衡量粗提物化感活性的大小。1.2.5代谢产物LC-MS/MS分析将前期经室内生物测定筛选出来化感活性较强的不同产地核桃凋落叶醇提物样品送北京诺禾致源科技股份有限公司进行LC-MS/MS检测和分析,代谢产物各成分相对百分含量用峰面积计
24、算。色谱条件:色谱柱Hyper-sil Gold column(100.0 mm2.1 mm,1.9 m);进样量100 L;柱温40;流速0.2 mL/min;正模式:流动相A(体积分数0.1%甲酸),流动相B(甲醇);负模式:流动相A(5 mmol/L醋酸铵、pH 9.0)、流动相B(甲醇)。色谱梯度洗脱程序见表2。质谱条件:离子源,电喷雾离子源;离子源温度320;扫描方式正负离子扫描;扫描范围1001500 m/z;喷雾电压3500 V;鞘气流速35 psi;辅助气流速10 L/min。采样点Sampleplot黄龙Huanglong临渭Linwei商州Shangzhou地理坐标Geog
25、raphicalcoordinate1095035E,35355N1093342E,34214N1095343E,335113N海拔(m)Altitude1080530719土壤类型Soiltype灰褐土塿土黄褐土气候类型Climatetype温带,半湿润易旱暖温带,半干旱季风暖温带,半湿润山地年均温()Annual meantemperature10.211.412.9年日照时数(h)Annual meansunshine hours200020662150年均降水量(mm)Annual meanprecipitation549.3568715无霜期(d)Frost-freeperiod18
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