含氟低聚殼聚糖對植物生長調節活性及除草活性研究

范 露，姜賴優美

（武漢設計工程學院食品與生物科技學院，湖北武漢 430205）

殼聚糖是來源于甲殼類動物的甲殼素，經過脫乙酰基后的產物[1]。殼聚糖能有效促進植物根、莖、葉的生長，從而提高作物的產量，改善作物的品質[2]。殼聚糖對植物病蟲害還具備較強抑制作用，它可以誘導植物產生一系列防衛反應，誘導植物產生抗毒素，提高對病原菌的抗性[3]。但由于殼聚糖自身理化性能的局限性，需對殼聚糖結構進行化學修飾，改造其分子結構，改善理化性能，提高抑菌效果[4]，大量研究者合成了眾多殼聚糖衍生物，研究了其抗菌性能，發現很多衍生物比殼聚糖具有更好的抗菌效果。氟特殊的理化性質為其在農藥中贏得了重要地位，近20年來已成為新型農藥開發的熱點，過去幾十年中含氟農藥的數量增加了3倍多，表明氟在新農藥發展中發揮著關鍵作用。在生物活性分子如殼聚糖等結構-活性的設計過程中引入氟，在改變其生物活性達到增強化合物性能的同時，又能降低對環境的影響。

基于上述理論基礎，以殼聚糖為骨架，通過酰基化反應接入高活性基團含氟化合物制備含氟低聚殼聚糖衍生物，以水稻和油菜為對象研究6種含氟低聚殼聚糖對植物生長活性調節作用，以白圓葉莧和狗牙根為對象研究6種含氟低聚殼聚糖的除草活性，以期為含氟新型有機農藥的開發提供支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

供試作物：雙子葉作物選擇油菜（滬油21） 為代表，單子葉作物選擇水稻（金優38） 為代表；供試雜草：雙子葉雜草選擇白圓葉莧為代表，單子葉雜草選擇狗牙根為代表。

供試藥劑：化合物1：鄰氟低聚殼聚糖；化合物2：間氟低聚殼聚糖；化合物3：對氟低聚殼聚糖；化合物4：2,3-二氟低聚殼聚糖；化合物5：2,6-二氟低聚殼聚糖；化合物6：3,5-二氟低聚殼聚糖。上述6種含氟低聚殼聚糖由實驗室合成，并經紅外、核磁氫譜進行了結構表征確認。

1.2 儀器設備

SPX-430型生化培養箱，寧波江南儀器廠產品；JJ-CJ-2FD型超凈工作臺，蘇州市金凈凈化設備科技有限公司產品；DHG-9240型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海精宏實驗設備有限公司產品。

1.3 試驗方法

采用室內平皿法，研究6種化合物對植物的生長活性影響。具體方法如下：用N,N-二甲基甲酰胺分別配制5，50，100，150，200 mg/L的含氟低聚殼聚糖溶液。移取5 mL上述溶液于鋪有濾紙的培養皿中，選擇發芽一致的種子各10顆放入平皿中，每個濃度設重復2次，然后置于25℃恒溫培養箱中培養5 d，期間不斷補充水分。培養結束后測量各種子的成活株數、根長、莖長，按下式計算校正成活率、校正根（莖）長增長率。

校正成活率=處理組成活率-溶劑對照組成活率.莖（根）長增長率=

死亡率、校正死亡率、莖（根） 長抑制率和校正莖（根）長抑制率計算方法同上。

2 結果與分析

2.1 含氟低聚殼聚糖對水稻生長活性的影響

6種含氟低聚殼聚糖對水稻生長活性的影響見表1。

以成活率為指標進行分析，化合物1和化合物2可以抑制水稻的成活，其中化合物1處理的水稻成活率隨著質量濃度的升高而降低，化合物2處理的水稻成活率隨著質量濃度的升高而升高。化合物3在低質量濃度（≤50 mg/L）時促進水稻成活，而在高質量濃度（≥100 mg/L）時抑制水稻的成活。化合物4，化合物5和化合物6可促進水稻的成活，但成活率與質量濃度間并沒有表現出一致的趨勢。

表1 6種含氟低聚殼聚糖對水稻生長活性的影響

以莖長增長率為指標進行分析，化合物1抑制水稻莖的生長，化合物4和化合物5促進水稻莖的生長。化合物2和化合物3在低質量濃度時促進水稻莖的生長，高質量濃度時抑制莖的生長。化合物6在低質量濃度（≤50 mg/L） 時促進水稻莖的生長，高質量濃度（≥100 mg/L）時抑制水稻莖的生長。

以根長增長率為指標進行分析，化合物1和化合物2抑制水稻根的生長。化合物3在低質量濃度時（≤100 mg/L）抑制水稻根的生長，高質量濃度（≥150 mg/L） 促進水稻根的生長。化合物4，化合物5和化合物6均能有效促進水稻根的生長。

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綜合分析，化合物4和化合物5和低質量濃度（≤50 mg/L）的化合物6有利于水稻的成活及生長。

2.2 含氟低聚殼聚糖對油菜生長活性的影響

6種含氟低聚殼聚糖對油菜生長活性的影響見表2。

以成活率為指標進行分析，化合物1，化合物2和化合物5可以抑制油菜的成活；化合物4和化合物6可促進油菜的成活；化合物3在低質量濃度（≤50 mg/L） 時促進油菜成活，而在高質量濃度（≥100 mg/L） 時抑制油菜的成活。

表2 6種含氟低聚殼聚糖對油菜生長活性的影響

以莖長增長率為指標進行分析，化合物2和化合物3能夠抑制油菜莖的生長；而化合物1，化合物4，化合物5和化合物6能夠促進油菜莖的生長。

以根長增長率為指標進行分析，化合物1和化合物2能夠抑制油菜根的生長；而化合物4和化合物5則能夠促進油菜根的生長；化合物3在低質量濃度（≤50 mg/L）時對油菜根的生長沒有影響，而高質量濃度（≥100 mg/L）時促進油菜根的生長；化合物6在低質量濃度（≤150 mg/L）時抑制油菜根的生長，高質量濃度（≥100 mg/L）時對油菜根的生長沒有影響。

2.3 含氟低聚殼聚糖對白圓葉莧生長活性的影響

6種含氟低聚殼聚糖對白圓葉莧的生長活性的影響見表3。

以死亡率為指標進行分析，除了5 mg/L的化合物2和化合物5外，其余所有質量濃度的化合物處理后白圓葉莧校正死亡率均為正值，表明除上述2個處理組外，其余處理組均能有效抑制白圓葉莧的存活。

從表3可以看出，6種含氟低聚殼聚糖對白圓葉莧莖長抑制率和根長抑制率表現出相同的效果，在所試質量濃度范圍內，6種含氟低聚殼聚糖均能有效抑制白圓葉莧的根和莖的發育，且抑制率隨著含氟低聚殼聚糖濃度的升高而上升。

表3 6種含氟低聚殼聚糖對白圓葉莧的生長活性的影響

6種含氟低聚殼聚糖質量濃度對數與白圓葉莧校正莖長抑制率、校正根長抑制率的相關性分析見表4。

由表4可知，6種含氟低聚殼聚糖在不同質量濃度下對白圓葉莧莖長和根長抑制的IC50范圍在403.43～8 9321.05 mg/L。目標化合物4在不同質量濃度下對白圓葉莧莖長和根長抑制的IC50質量濃度低于750 mg/L，其余化合物則均高于800 mg/L，表明化合物4在不同質量濃度下對白圓葉莧莖長和根長的抑制效果較好。

2.4 含氟低聚殼聚糖對狗牙根生長活性的影響

6種含氟低聚殼聚糖對狗牙根生長活性的影響見表5。

表4 6種含氟低聚殼聚糖質量濃度對數與白圓葉莧校正莖長抑制率、校正根長抑制率的相關性分析

表5 6種含氟低聚殼聚糖對狗牙根生長活性的影響

從表5可以看出，6種含氟低聚殼聚糖對狗牙根的存活率、根長和莖長均有抑制效果，且這種抑制效果隨其質量濃度升高而上升。

其中，化合物5和化合物6在200 mg/L時對狗牙根成活抑制率皆為51.43%，個別化合物在低質量濃度（5 mg/L） 時對狗牙根成活的影響較小，只有1.43%；化合物3對狗牙根莖長的抑制作用是6種含氟低聚殼聚糖中最強的，對狗牙根莖長抑制率達80.49%；化合物1對狗牙根根長的抑制作用是6個含氟低聚殼聚糖中最強的，對狗牙根根長抑制率達78.22%。

6種含氟低聚殼聚糖濃度對數與狗牙根校正莖長抑制率、校正根長抑制率的相關性分析見表6。

由表6可知，6種含氟低聚殼聚糖在不同質量濃度下對狗牙根莖長和根長抑制的IC50范圍2.51～8 103.08 mg/L；目標化合物1，化合物2和化合物3在不同質量濃度下對狗牙根根長和莖長抑制的IC50質量濃度在10.98～8 103.08 mg/L；化合物4，化合物和化合物6在不同質量濃度下對狗牙根根長和莖長抑制的IC50在2.51～181.27 mg/L。可以看出，前者化合物對狗牙根的莖長和根長的抑制作用弱于后者化合物；從目標化合物4，化合物5和化合物6分析：化合物4和化合物5對狗牙根的根長抑制效果較好IC50不高于185 mg/L（該質量濃度下效果最佳），其中化合物5的IC50分別為41.22 mg/L和3.30 mg/L，對狗牙根的根長和莖長抑制效果較好。

表6 6種含氟低聚殼聚糖質量濃度對數與狗牙根校正莖長抑制率、校正根長抑制率的相關性分析

3 結論與討論

6種含氟低聚殼聚糖對4種植物生長活性對比分析見表7。

從表7可以看出，試驗研究的6種含氟低聚殼聚糖對4種植物的生長活性表現出不同的作用。除了間氟低聚殼聚糖和2,6-二氟低聚殼聚糖的最低質量濃度外，其余所有試驗組化合物對白圓葉莧和狗牙根存活及生長均表現出了較好抑制作用，表明上述6種含氟低聚殼聚糖具備較強的除草能力。而6種含氟低聚殼聚糖對水稻和油菜在不同質量濃度時表現出不同程度的促進或抑制作用。其中2,3-二氟低聚殼聚糖在所有質量濃度下均對水稻和油菜的存活及生長表現出促進作用，鄰氟低聚殼聚糖和間氟低聚殼聚糖則整體表現出抑制作用，對氟低聚殼聚糖、2,6-二氟低聚殼聚糖和3,5-二氟低聚殼聚糖對水稻和油菜的存活及生長表現取決于其質量濃度。

表7 6種含氟低聚殼聚糖對4種植物生長活性對比分析

目前針對新品農藥生物活性研究，主要是探討其對植物病原菌和植物種子生長活性的抑制或促進效果。研究了6種含氟低聚殼聚糖對水稻紋枯病原菌等7種微生物的抑制作用，其對7種受試菌株都有不同程度的抑菌性，表明這6種含氟低聚殼聚糖有開發成有機農藥的可能性。李釗等人在苯甲酰基硫脲化合物中引入氟原子，合成了含氟苯甲酰基硫脲，當其質量濃度為100 mg/L時，部分目標產物對油菜和水稻種子具有較好的促生長作用，岳霞麗等人的研究也得出類似的結論，含氟化合物具有較好的植物生長調節活性。但質量濃度對化合物活性影響較大，部分質量濃度下合成的化合物能夠抑制油菜和水稻的根和莖生長，該研究結果與其有相似之處，質量濃度對化合物活性有重要影響。

綜合而言，2,3-二氟低聚殼聚糖既能有效抑制雜草的生長同時又能促進作物的生長，適合開發有機農藥。對氟低聚殼聚糖、2,6-二氟低聚殼聚糖和3,5-二氟低聚殼聚糖具有較好的除草活性，但在促進作物生長方面取決于其質量濃度，可有條件地開發有機農藥。