香豆素抑制黑麦草种子萌发及生长的机制

发布时间：2020-05-31 13:13

【摘要】：香豆素(coumarin)是一种重要的化感物质,在芸香科和伞形科等很多高等植物以及微生物代谢产物中广泛分布。其生物活性多样,在各个领域均有广泛研究。在医学、植保等领域具有良好的应用前景。在植保领域,目前在作为杀虫、杀菌剂方面已取得应用,在除草方面目前主要还是停留在研究其生物活性方面,大多数研究表明香豆素对多种杂草有良好的抑制活性,但其具体的作用机制及作用靶标尚未清楚。本文在研究香豆素对多种杂草种子萌发抑制活性的基础上,选用其抑制活性最好的黑麦草(Lolium perenne L)为对象,研究其抑制黑麦草种子萌发及生长的机制,为香豆素类化合物作为新型的除草剂研究提供一定的理论基础。1.生物活性测定研究结果表明,香豆素对黑麦草种子萌发、胚根及胚芽的生长具有良好的抑制活性,对黑麦草种子萌发抑制中浓度(IC_(50))为67.69 mg/L;采用水培及茎叶喷雾法研究香豆素的作用方式结果表明:茎叶喷雾法对黑麦草生长无显著影响;而水培法处理浓度为10 mg/L时即显著抑制黑麦草根、茎的生长,进一步测定水培处理后黑麦草根活力,随着处理浓度的增大及处理时间的延长,黑麦草根活力显著下降。表明香豆素主要作用于黑麦草根部,通过抑制黑麦草的根活力进一步抑制黑麦草的生长。2.测定50、100 mg/L香豆素溶液处理后黑麦草种子萌发过程中可溶性蛋白、总淀粉以及可溶性糖含量变化情况;表明香豆素对黑麦草种子中可溶性蛋白无显著影响;而处理60 h后,100 mg/L香豆素显著抑制了淀粉的分解及可溶性糖的合成;进一步测定不同浓度处理后种子的α-淀粉酶活性;与对照组相比,处理组α-淀粉酶活性受到显著抑制。表明香豆素通过抑制α-淀粉酶活性,影响种子萌发过程的物质及能量代谢,进而抑制种子萌发。3.测定50、100 mg/L香豆素处理后的黑麦草种子萌发过程中超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)的活性,浓度梯度下活性氧过氧化氢(H_2O_2)、超氧阴离子(O~(2-))含量以及膜脂过氧化指标丙二醛(MDA)、过氧化脂质(LPO)含量;处理浓度为100 mg/L时在各个时间点均显著抑制了CAT活力,而处理60 h后SOD、POD活力显著上升;随着处理浓度的增大,活性氧、丙二醛及过氧化脂质含量显著上升。表明黑麦草种子在经受香豆素溶液处理60 h后,其内部的保护酶系统被破坏,导致活性氧的积累造成了细胞的氧化损伤进而抑制黑麦草种子的萌发。4.种子萌发过程中激素含量测定结果表明:香豆素对黑麦草种子萌发过程中脱落酸(ABA)含量无显著影响,浓度为100 mg/L时则显著抑制了种子萌发过程中赤霉酸(GA_3)的合成;表明香豆素处理影响了种子萌发过程中的激素代谢。5.采用Illumina Hiseq高通量测序平台对香豆素处理后的黑麦草种子进行转录组测序,组装后共获得41,683条Unigene。其中长度在1kb以上的Unigene有17,306条。对Unigene进行功能注释,包括与NR、Swiss-Prot、KEGG、COG、KOG、GO和Pfam数据库的比对,共获得27,919条Unigene的注释结果。对差异表达基因进行筛选,100 mg/L处理24 h后有1814条差异表达基因,50、100 mg/L处理48 h后分别有3675、1848条差异表达基因。通过对差异表达基因GO功能富集分析,表明差异基因在BP大类中,最具有代表性的为代谢过程、细胞过程、单一生物过程、刺激反应;在CC大类中,细胞、细胞组分、膜、膜组分、细胞器最具代表性;在MF大类中,结合、催化活性、转运蛋白活性、抗氧化活性的活动最具代表性;差异表达基因KEGG通路富集分析表明,显著富集的通路有TCA循环、氧化磷酸化、核糖体、蛋白酶体及碳代谢等。进一步分析得出,α-淀粉酶、SOD、POD、CAT等相关基因在香豆素处理24 h、48 h后表现出上下调,进一步从分子水平上验证香豆素抑制黑麦草种子萌发的分子机制。
【图文】：

黑麦草,香豆素,种子萌发,处理浓度

图 2-1 香豆素抑制黑麦草种子萌发图Fig. 2-1 Coumarin inhibits germination of ryegrass seeds2.2.3 香豆素水培处理测定结果图 2-2、图 2-3 分别表示香豆素水溶液水培处理后对黑麦草株高、根长、茎重、根鲜重增长量情况，可以看出，随着处理浓度的增大，黑麦草株高、根长茎鲜重、根鲜重增长量显著降低。其中水培处理后对黑麦草根的影响较为明显处理浓度为 10mg/L 时，黑麦草根长增长量接近为零；处理浓度达 50mg/L 时，完全抑制了黑麦草株高、茎鲜重的增长；处理浓度达 25mg/L 时，则完全抑制了麦草根鲜重的增长。51015ck10 mg/L25 mg/L50 mg/L100 mg/Laba生长（量mc）

茎叶处理,香豆素,水培,鲜重

第 2 章香豆素生物活性测定及作用方式研究图 2-5 香豆素水溶液茎叶处理后对黑麦草茎鲜重、根鲜重的影响Fig. 2-5 Effects of stem and leaf treatment of coumarin aqueous solution on stem and root freshweight of ryegrass茎叶处理（处理前）水培处理（处理前）茎鲜重根鲜重0.000.050.100.150.200.25ck50 mg/L100 mg/L500 mg/L1000 mg/Laaaa aaaaaa鲜重生长（量g）
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S543.6

【参考文献】