介紹
煙葉酮（Tabanone）化學名為4-(2-丁烯亞基)-3,5,5-三甲基-2-環(huán)己烯-1-酮，也被稱為大柱三烯酮（megastigmatrienone），是一種由四種立體異構體組成的天然類胡蘿卜素降解產(chǎn)物。最初在煙草中被發(fā)現(xiàn)，是煙草香氣特征的重要組成成分，也是白茅精油中的植物毒性活性成分。
圖一 煙葉酮
分離與結構鑒定
初提物活性篩選：對白茅的根與地上部分分別采用二氯甲烷、甲醇、水進行梯度提取，結果顯示，1.0mg/mL濃度下，上述有機溶劑與水提物對生菜、匍匐剪股穎均無顯著植物毒性；而通過水蒸餾法從1kg白茅地上部分獲得的210.5mg精油，在相同濃度下表現(xiàn)出強烈的植物生長抑制活性。
多級柱層析分離：對活性精油采用正相硅膠柱層析，以正己烷-乙酸乙酯為流動相進行梯度洗脫，合并得到9個組分（A-J）。生物測定顯示，僅E組分具有顯著植物毒性，對其進一步細分得到4個亞組分，其中E3亞組分是核心活性組分。
結構鑒定：通過氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS）、核磁共振波譜（1HNMR、13CNMR、DEPT）與高分辨質(zhì)譜分析，結合商業(yè)標準品比對，最終確認E3亞組分的核心成分為煙葉酮，其化學結構為4-(2-丁烯亞基)-3,5,5-三甲基-2-環(huán)己烯-1-酮，是四種立體異構體的混合物，與商業(yè)煙葉酮的GC出峰規(guī)律、異構體比例及質(zhì)譜數(shù)據(jù)完全匹配。
圖二 煙葉酮的氣相色譜
同時研究發(fā)現(xiàn)，白茅精油中含有的植醇、棕櫚酸、2-甲氧基-4-乙烯基苯酚等主要成分，均無顯著植物毒性，證實煙葉酮是白茅精油中植物毒性物質(zhì)。
圖三 水提物煙葉酮對生菜生長反應曲線
植物毒理學活性
研究通過多物種、多場景的生物測定，系統(tǒng)評價了煙葉酮的植物生長抑制活性：
對水生植物的強效抑制活性
煙葉酮對水生模式植物小浮萍（Lemnaaequinoctialis）表現(xiàn)出極強的生長抑制作用，其對浮萍葉面積增長的50%抑制濃度（I??）僅為0.094mM，這一活性水平與商用除草劑EPTC、2,4-滴、麥草畏相當，是受試植物中對Tabanone最敏感的物種。研究分析認為，這一高活性與Tabanone的強脂溶性密切相關，其辛醇-水分配系數(shù)logP=3.588，水溶性極差，在浮萍培養(yǎng)基中易在液面形成薄膜，使植物實際接觸濃度遠高于理論濃度，從而表現(xiàn)出更強的抑制效果。
對陸生作物的生長抑制作用
煙葉酮對陸生作物的活性顯著低于水生植物，呈現(xiàn)出明顯的物種選擇性。其對生菜鮮重增長的I??為6.5mM，對園蔥根系生長的I??為3.6mM。這種活性差異同樣源于其理化性質(zhì)，強脂溶性使其在土壤中易被土壤顆粒吸附，難以在水相中達到有效作用濃度，同時也難以通過陸生植物的根系與表皮高效吸收，導致其對陸生植物的抑制活性大幅降低。
土壤中的芽前與芽后除草活性
溫室盆栽實驗結果顯示，煙葉酮對稗草、馬唐、反枝莧、苘麻等常見農(nóng)田雜草無明顯的芽后除草活性；但在芽前處理中，其表現(xiàn)出一定的種子萌發(fā)抑制效果：當土壤中Tabanone濃度為0.1%（w/w）時，可顯著抑制苘麻的種子萌發(fā)；濃度提升至1%（w/w）時，可完全抑制馬唐與苘麻的種子萌發(fā)。
植物毒性的作用機制
煙葉酮直接破壞植物細胞膜完整性，進而引發(fā)光合電子傳遞效率下降，最終導致植物細胞死亡。
對細胞膜的直接破壞作用
電解質(zhì)滲漏實驗結果顯示，煙葉酮可劑量依賴性地引起黃瓜子葉細胞的電解質(zhì)滲漏，在黑暗條件下培養(yǎng)16小時后，其引發(fā)電解質(zhì)滲漏的I??為3.5±0.3mM；經(jīng)8小時光照處理后，I??進一步降至2.1±0.2mM。Tabanone無需光照即可直接破壞植物原生質(zhì)膜的完整性，而光照會進一步加劇膜結構的損傷。不同于需要光照激活的過氧化型除草劑，也不同于直接抑制脂質(zhì)生物合成的除草劑，Tabanone憑借其強脂溶性，可嵌入細胞膜磷脂雙分子層中，直接導致膜結構的流動性與完整性喪失，引發(fā)細胞內(nèi)容物滲漏。
對光合作用的次生抑制效應
葉綠素熒光檢測結果表明，煙葉酮對植物光合電子傳遞具有抑制作用，黑暗培養(yǎng)16小時后，其對光合電子傳遞速率的I??為2.68±2.2mM，光照處理后降至2.40±1.6mM。其對光合作用的抑制濃度與細胞膜破壞的有效濃度完全重合，證實Tabanone并非直接作用于光合電子傳遞鏈，而是通過破壞葉綠體膜、質(zhì)膜等生物膜系統(tǒng)，間接導致光合機構功能受損，光合電子傳遞效率下降，最終加劇植物細胞的損傷與死亡。
在白茅化感中的作用
化感作用是指入侵植物搶占生態(tài)位盡管煙葉酮具有顯著的體外植物毒性，對白茅自然生長的田間土壤、溫室栽培白茅的根際土壤進行了系統(tǒng)檢測，均未檢出Tabanone。加標回收實驗顯示，土壤中Tabanone的二氯甲烷提取回收率僅為20.4±1.6%，甲醇提取回收率為31.6±10.1%，提取效率較低是未檢出的重要原因之一。同時，Tabanone的強脂溶性使其易與土壤有機質(zhì)、黏土顆粒緊密結合，難以通過常規(guī)溶劑提取；其揮發(fā)性與土壤微生物的降解作用，也導致其難以在根際土壤中穩(wěn)定積累。此外，白茅的化感效應可能是多種次生代謝產(chǎn)物協(xié)同作用的結果，Tabanone與此前發(fā)現(xiàn)的酚酸類物質(zhì)可能在低濃度下協(xié)同發(fā)揮抑制作用，而非單獨起作用[1]。
參考文獻
[1]Cerdeira L A ,Cantrell L C ,Dayan E F , et al.Tabanone, a New Phytotoxic Constituent of Cogongrass ( Imperata cylindrica )[J].Weed Science,2012,60(2):212-218.DOI:10.1614/WS-D-11-00160.1.