稻壳酮（momilactones）在水稻化感中的角色

摘要

来自众多国家的研究者们通过田间试验和室内实验证明了水稻是具有化感活性的，具有化感活性的水稻品种会向周围的环境中释放化感物质。酚酸、脂肪酸、苯基链烷酸、异羟肟酸、萜烯及吲哚等物质被认为是水稻中潜在的化感活性物质。这篇综述认为半日花烷相关的二萜物质稻壳酮（momilactones）是这些化感物质中最重要的一类物质，尤其是稻壳酮B（momilactones B, 以下简称MB）。水稻在其整个生命周期都能够通过根系向周围的环境中释放MB，MB也是水稻化感作用的主要贡献者。遗传学实验发现如果从水稻根系分泌物复合物中将MB去除的话，水稻根系分泌物的化感活性会大大降低，这个结果表明稻壳酮是具有化感活性的物质。此外，稻壳酮相关的基因在水稻基因组上总是成簇存在的。

Introduction

什么是化感？可以理解成不同植物之间的化学拮抗作用。关于化感研究的文献越来越多。这些文献表明特定的植物会向其周围的环境中释放化感物质，这些化感物质会影响周围植物的生长和发育。如高粱就能通过其根尖释放浓度范围在10-100μM的奎宁高粱油酮。高粱油酮具有潜在的化感活性，其浓度在10μM时便能抑制杂草的出芽生长。具有化感活性的小麦分泌的苯并嗪类物质在植物中以糖苷结合物的形式不断被合成。因此，化感互作在自然植物生态系统中可能有着重要的作用。

一些田间试验和室内实验发现水稻能够抑制一些植物的生长，这些发现表明水稻具有化感活性。化感在水稻的进化中可能扮演着重要的角色。

考虑到水稻在农业上的重要性，其化感活性被大量研究，这些研究从水稻植株提取物、根系分泌物及植株降解残体中鉴定到了大量潜在的化感活性物质。

田间条件下水稻的化感活性

第一次发现水稻的化感活性的实验地是在美国，研究人员发现5000个水稻品种中的191个左右能够抑制水生杂草鸭沙拉的生长。这个发现直接导致了后续大量的类似的田间实验。研究人员共研究了来自99个国家的16000个水稻品种在田间的化感活性，其中412个能够抑制鸭沙拉的生长，145能够抑制水苋属杂草的生长。后续大量的研究发现特定的水稻品种能够抑制某些种类植物的生长。

控制条件下的水稻化感活性

植物-植物间的干扰是资源竞争（如光、水分、营养）与化感互作的复杂结果。因此，需要设计实验来排除资源竞争的影响，以此来说明化感作用在植物-植物干扰中的作用。因此，需要格外注意某些实验条件，如培养基的pH和渗透压等。

位于菲律宾的国际水稻研究所就设计过水稻整株 bioassay 的方法来研究水稻化感作用。在这个实验中排除了资源竞争对实验的影响，在一定程度上证明了水稻的化感活性。利用这种方法鉴定到了几种具有强烈化感作用的水稻。

后续大量的研究表明大约3-4%的水稻品种具有强烈的化感效应。

2001年的一个实验利用8个水稻栽培种来研究水稻的化感作用，发现这8个栽培稻都能抑制苜蓿、水芹及生菜的出芽及生长（下图）。其中Koshihikari这个水稻品种的化感活性最强。这个实验的巧妙之处在于研究阶段中这些植株的营养物质都来自胚乳，这就巧妙地避免了营养竞争造成的影响。

水稻中潜在的化感活性物质

酚酸、脂肪酸、苯基链烷酸、异羟肟酸、萜烯及吲哚等物质被认为是水稻提取物和植株残体中潜在的化感活性物质。但是不知道这些物质在生长的水稻植株中是否会被释放，如果被释放，那是不是真真正正的的化感物质呢？

虽然许多植物组织中都含有潜在的化感活性物质，但是只有那些被释放到环境中的物质才可能会抑制周围植物的出芽及生长，这些释放到环境中的物质才可能是化感物质。鉴于此，比起那些在植物组织中存在的物质，根系分泌物中的物质才更可能是潜在的化感物质。此外，Wu等发现植物组织种具有生长抑制活性的物质的含量与其在根系分泌物中的量是没有明显的相关性的。

水稻中的酚酸不太可能是化感物质

在植物和土壤中广泛存在的酚酸被认为是潜在的化感物质，在水稻田、水稻植株残体及水稻根系分泌物中也检测到了酚酸。但是，在稻田土中检测到的酚酸的量不足以引发植物毒性效应，这也让人怀疑水稻中的酚酸类物质到底是不是化感物质。稻田土中酚酸的含量少于5mg/kg，这个含量远低于植物毒性效应的阈值；此外，具有化感活性的水稻与不具有化感活性的水稻分泌的酚酸含量并没有显著差异。那酚酸是不是存在协同作用呢？研究者将5种酚酸混合后来研究混合物对慈姑的抑制效应，发现要达到50%抑制率的话，酚酸混合物的浓度需要达到502μM，这个浓度远远超过根系分泌物中检测到的实际浓度。总之，这些结果表明水稻根系分泌物中的酚酸类物质对水稻的化感作用没有贡献。

水稻根系分泌物中的稻壳酮

前面提到Koshihikari这个水稻品种具有很强的化感活性。一项研究水培了约5000株Koshihikari幼苗，希望 从中分离其分泌的化合物，从其中收集到2.1mg具有植物毒性的物质。从质谱数据中比对到这个潜在的化感物质的结构属于MB。Kong等人随后也在其他的水稻品种中鉴定到了MB。Koshihikari这个水稻品种中还存在一个潜在的化感活性物质稻壳酮A（momilactone A, MA）。后续的研究发现在许多水稻品种中都有MA和MB。

MA和MB最初是在稻壳中分离得到的，当时就发现这两个物质能够抑制植物的生长。随后的分析认为MA是植物抗毒素，因为后续的研究发现MA和MB能够抑制稻瘟病菌的生长。后续 有许多关于MA作为植物抗毒素的研究，许多证据表明MA在水稻抗真菌中具有一定的作用。相反，少有研究认为MB是植物抗毒素。最近的研究发现MA和MB也是苔藓Hypnum plumaeforme Wils中的化感物质。这个苔藓和水稻在系统发育上具有明显的距离，这表明这水稻和这种苔藓有着趋同进化的关系。

稻壳酮的化感活性

MA和MB在较低浓度下（1-10μM）就能抑制稗草的生长。要对稗草根达到50% 抑制率，MA需要的浓度是28.7μM，MB需要的浓度是6.1。后续的研究也发现MB的抑制活性是MA的4.7-19倍，这表明MB比MA具有更高的抑制活性。

稻壳酮不会毒害水稻

稻壳酮A和B浓度分别在100和300μM以上时才能有效抑制水稻根和茎的生长，此时的抑制效率相当于稻壳酮对稗草抑制率的1-2%。MA和MB在对其他植物产生细胞毒性的时候，对水稻植株没有明显的损伤，即使有损伤也是微不足道的损伤。

水稻选择性分泌MB

水稻在其整个生命周期都能向其根际分泌MA和MB。开花是分泌水平的临界线，植株开花后其分泌水平便开始降低。在第80天的时候，MA和MB的分泌量分别能够达到1.1μg/株/天和2.3μg/株/天，这个分泌量是30天时的55-58倍。但是有趣的是水稻茎秆内MA和MB的含量分别在4.5μg/g和3μg/g，稻壳里面的含量是4.9μg/g和2.9g/g，整株含量分别是140μg/g和95μg/g。从上面的数据可以看出在水稻植株体内MA的浓度是MB的1.5-1.7倍。相反的是MB的分泌量比MA的分泌量高，这表明相对于MA来说，MB有限分泌到水稻植株根际中。水稻通过其根系分泌稻壳酮的机制还不清楚。

稻壳酮对水稻化感作用的贡献

一项研究利用7天大的8个水稻品种幼苗与4天大的稗草种植在一起4天，发现这8个水稻品种幼苗都能抑制稗草的生长。测得MA的浓度在0.21-1.45μM之间，MB的浓度在0.66-3.84μM之间。基于抑制率和浓度，计算结果表明MA在水稻幼苗抑制稗草生长过程中贡献了1.0-4.9%，而MB贡献了58.8-81.9%。因此，MB更可能是水稻幼苗抑制稗草的主要贡献者。另外值得注意的是这8个水稻品种中MB的浓度是具有差异的。因此，不同水稻品种对稗草生长抑制的差异主要是由于MB的浓度差异导致的。

MA和MB一共贡献了61.4-86.6%的化感活性，剩下的14.4-38.6%化感活性由其他的物质完成，如3-isopropyl-5-acetoxcyclohexene-2-one-1 和 5,7,4′-trihydroxy-3′5′-dimethoxy-flavone。之前的研究发现水稻分泌MA和MB的量是随着时间发生变化的，因此水稻的化感活性也可能是随着时间变化的。

稗草诱导的水稻化感作用与稻壳酮的分泌

如果水稻周围有稗草幼苗或水稻在稗草根系分泌物中生长的话，水稻的化感活性会增强。此时水稻化感活性增强并不是因为营养竞争导致的。稗草幼苗或稗草根系分泌物能够诱导水稻体内MB的含量增加，而且水稻分泌的MB的含量也增加。有可能是水稻感受到了来自稗草的物质，进而分泌了更多的MB。和这种情况类似的是高粱，绒毛叶（一种杂草）的根系分泌物会诱导高粱分泌更多的高粱酮。化感是一种诱导防御机制。

胁迫诱导的水稻化感作用与稻壳酮的分泌

植物防御信号激素茉莉酸可以增强水稻的化感活性。茉莉酸和斑蝥素能够增加MA和MB在水稻植株体内及分泌物中的含量。鉴于MA和MB具有抗菌活性，由茉莉酸和斑蝥素诱导的MA和MB含量变化可能和植物微生物防御相关。水稻稻瘟病菌的悄然能够增加稻壳酮的含量。

然而除了病原菌侵染外，UV辐射也能诱导水稻体内MA和MB的合成和释放。此外，重金属离子也能诱导MA和MB的合成。因此，可能不仅仅只有特定的微生物防御响应会激活MA和MB的合成，其他的胁迫也能激发相关的响应。也有研究发现营养饥饿条件下水稻中稻壳酮的分泌会增加。由于MA和MB极强的化感活性，这些胁迫条件下MA和MB分泌增减更有利于水稻与周围植物的竞争。

稻壳酮作为化感物质的遗传证据

上述这些描述充分表明稻壳酮是水稻中的有效化感物质，水稻也从其根部释放大量植物毒素物质（下图）。从遗传学的角度来说，研究某个物质的化感活性最好的方法就是直接将这个物质从复合物中去除，也就是将合成这个物质的基因进行敲低。因为已经确定了生产代表吡咯烷内酯生物合成中固定中间体的顺式-radi二烯所需的OsCPS4和OsKSL4，可以通过反向遗传学的方法研究这些物质的功能。已经有研究利用了这种方法。

结论

水稻具有化感活性，能够向周围的环境中释放化感物质。大量物质被认为是具有化感活性的。大量研究表明稻壳酮（尤其是稻壳酮B）在水稻化感活性中具有重要作用。稻壳酮在水稻进化中可有很重要的生态学功能，其相关性似乎反映在水稻基因组中存在一个专门的生物合成基因簇中。也许更重要的是，鉴定稻壳酮B是水稻中的主要化感物质，为育种和/或工程研究提供了分子标记，旨在增加这种重要主食作物的化感作用。

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