植物化感作用现象的发现由来已久，其定义在20世纪30年代到80年代逐步发展完善。此后，化感作用研究工作受到越来越多的关注，进入了一个快速发展的时期。我国的化感作用研究工作虽然起步较晚，但也取得了不少的成果。目前，化感作用的研究对象多集中于农作物、入侵植物等领域，其研究成果可以为农业可持续发展以及自然生态环境保护提供理论依据。化感作用的研究内容可分为以下几个方面，首先是化感作用主体植物的化感效应分析，以及化感物质的分离和鉴定；在此基础上，进一步研究化感物质的作用机理，以及化感物质释放所产生的生态效应。另外，通过与化学等学科的有机结合，可以将具有特殊活性的化感物质开发应用。根据近年来世界范围内的化感作用研究现状，化感物质的活性作用机理是目前化感作用研究的难点之一。一种化感物质往往能够影响到受体植物生长发育的多个方面，比如基因表达、细胞分裂、激素水平、生理过程等，化感物质活性作用的复杂性大大增加了其作用机理研究的难度。本研究集中于化感作用研究内容中作用机理这一个方面，因此选用了两种已知且常见的化感物质-绿原酸和青蒿素为研究对象。酚酸类化感物质广泛存在于农作物中，如水稻、高粱、玉米、黄瓜、苜蓿等。一些研究结果提示，酚酸可能是造成很多作物连作障碍的因素之一，因此，研究绿原酸的活性作用机理，可以为阐明作物连作障碍的形成机制提供理论依据。而青蒿素因其对疟疾治疗的特效作用，已成为植物天然产物中的明星分子。得益于其在土壤中的良好稳定性以及较强活性效果，青蒿素成为一种典型的化感物质，也是研究化感作用机理的理想材料。莴苣对多数化感物质都非常敏感，在化感作用研究中常用作受体植物；而拟南芥作为一种模式植物，其遗传背景清楚，各种生命活动的调控途径研究都非常深入，能够为化感物质的作用方式和途径研究提供诸多便利。因此，本文选用莴苣和拟南芥这两种植物为受体材料，利用植物细胞生物学、植物生理学以及分子生物学技术方法，对绿原酸和青蒿素的活性作用机理进行了系统研究。两种化感物质对莴苣的活性效应显示，绿原酸对受体植物的根、茎伸长以及幼苗生长均表现出低浓度促进、高浓度抑制的作用特点。其中，绿原酸对莴苣主根生长的作用效果最为明显，特别是在100和1000μM的高浓度条件下，莴苣幼苗的主根生长受到了明显的抑制。莴苣茎的生长对绿原酸不太敏感，在所有实验所用浓度下，茎长与对照的差别均未达到显著水平。鲜重的变化幅度介于前两个指标之间，说明绿原酸主要是通过抑制根部伸长，从而抑制莴苣幼苗的整体生长状况。青蒿素对莴苣各项生长指标的影响方式与绿原酸类似，不同的是青蒿素的作用效果更强，在1μM的低浓度下已表现出抑制活性，而在浓度达到10μM后，莴苣各项生长指标的变化已达到显著水平，而且青蒿素对根和茎的抑制效果都很强烈，最终导致莴苣幼苗鲜重的大幅减少。对于两种化感物质抑制莴苣生长的作用机理，均采用了植物细胞生物学研究方法，此外，青蒿素对莴苣的部分生理指标影响也进行了检测。希夫试剂染色结果显示，莴苣根尖细胞分裂指数随化感物质处理浓度的升高而降低，同时，各分裂期的细胞数量也明显减少。FDA/PI双染色和伊文思蓝吸收实验均显示，随着化感物质用量的增加，死细胞开始出现并显著增多，特别是在最高浓度下（1000μM），莴苣根部的死细胞显著增多，尖端绝大部分细胞已失去活力。活性氧特异性染料DHE染色显示，处理2天的莴苣，其根部的活性氧随化感物质浓度的增加也随之产生并大量积累。另外，青蒿素处理的幼苗，脂质过氧化的一个最终产物MDA，其含量显著增加。同时，抗胁迫指标游离脯氨酸的含量也呈上升趋势，而光合作用指标叶绿素含量却明显降低。这些结果表明，两种化感物质都能够诱导受体植物的活性氧产生，同时细胞活力和细胞分裂也受到抑制。所不同的是青蒿素对这些方面的影响效果更强，与其活性效果相一致。绿原酸具有多种生物活性，而青蒿素的抗疟疾活性使其成为广泛使用的药物，因此，这两种化合物在其它生物模型，特别是微生物、肿瘤细胞中的活性机理研究较多。很多研究结果与本文结果相一致，例如，在抗肿瘤活性作用机理研究方面，发现青蒿素能够诱导肿瘤细胞中活性氧的产生和积累，进而引起各种变化，最终达到抑制肿瘤增殖的效果。众所周知，活性氧是植物氧化胁迫的标志，同时作为一种信号分子调控植物的多个生命过程，包括防御反应、细胞凋亡、气孔反应等。因此，可推测两种化感物质作用于受体植物后，首先诱导细胞活性氧的产生，同时引起氧化胁迫造成膜损伤，并通过信号转导导致细胞分裂异常及程序性死亡，各项生理指标也随之发生改变，最终导致植物生长抑制。植物对重力的响应可以分为三步：重力信号接收、信号转导以及不对称生长造成的根弯曲，相关机制研究历来颇受关注，研究成果较为丰富。然而，化感物质对植物重力反应的影响罕有报道。本文以拟南芥为受体材料，研究了青蒿素对植物根向地性的影响作用及其潜在机理。结果显示，随着青蒿素浓度的增加，拟南芥主根生长受到明显抑制的同时，根向地生长也受到干扰，根尖相对垂直方向的偏转角度随青蒿素浓度升高表现出先降低再升高的趋势。为了进一步明确青蒿素对拟南芥根向地性生长的影响，通过重力刺激的方法，即将拟南芥幼苗旋转90°后继续生长，统计结果显示，在青蒿素作用下，拟南芥根尖偏转角度也与对照组有较大差异。这些结果表明，青蒿素能够显著抑制拟南芥的主根生长，并影响其向地性，表现出良好的量效关系。淀粉平衡石假说认为植物根尖中柱细胞中的淀粉粒在重力感应过程中起到了关键作用。因此，本研究采用碘染色法观察了青蒿素对拟南芥根尖淀粉粒的影响。结果显示，在5μM及24小时后，青蒿素能够明显减少根尖淀粉粒的含量。Cholodny–Went假说认为，生长素在根向地反应的最后一步-不对称生长中发挥关键作用。本研究通过拟南芥DR5::GUS和DR5::GFP两种转基因株系，分别观察了青蒿素处理后，根尖生长素分布以及重力作用下的再分布情况。结果显示，随着青蒿素浓度的升高，拟南芥根尖生长素分布逐渐减少；而在青蒿素同时干扰了生长素随重力作用的重新分布。生长素和淀粉粒相关基因的半定量RT-PCR结果显示，拟南芥与生长素相关的基因PIN1、PIN2和AUX1在青蒿素处理后表达量明显降低，而PGM1基因的表达量无明显变化。综合以上研究结果，青蒿素作用于拟南芥后，一方面可能作用于PGM1的下游基因，导致受体植物根尖淀粉粒含量减少；另一方面影响到了多种生长素极性运输相关基因的表达，进而使生长素极性运输功能受损，根尖生长素分布异常。这两方面的影响因素，最终破坏了拟南芥根对重力的正常反应。