万字综述：化感与化感物质
摘要
化感（Allelopathy）指的是植物间或植物与其他生物之间通过植物产生的具有生物活性的次级代谢产物（化感物质，allelochemicals）介导的化学互作导致的生长干扰现象。已有大量的研究探明了植物不同组织部位的化感物质的释放机制，如裸露在空气中的部位的挥发和淋溶、根系分泌及植物残体在土壤中的降解等。尽管这些化感物质有着不同的生物活性和作用方式，但是它们却具有类似的生物合成通路（某类代谢物可以通过多种生物合成通路进行合成产生）。最近大量的研究阐明了在原生 / 非原生生态中，化感物质对植物演替和入侵的重要影响作用。此外，许多研究还关注了能够抑制杂草的作物，对其进行筛选和利用，以此来管理田间杂草，实现农业可持续发展。更好地理解化感物质与植物防御之间的关系有助于我们更好地保护和管理农作物、限制入侵杂草的扩张、保存本地植物并促进新型农药的发展与应用。与代谢组学相关的技术的使用已经极大地促进了特有化感物质、生物合成通路及其在土壤中的复杂作用的研究。包括化感物质在内的植物新型代谢物的鉴定为新型农药的研发奠定了生物学基础，为今后的合成提供互补结构，并可以辅助开发新的分子靶标位点。
1 Introduction
植物及其微生物区系持续不断地产生着大量的化学物质，这些物质中的大部分在初级代谢（植物生长发育必须）中不具有生物学功能。这些低分子量的有机化合物被称为植物次级产物或次级代谢物。某些被称为化感物质的次级代谢物对邻近植物的生长、健康和行为具有刺激或抑制效应，这种现象被称为化感作用。化感作用首次被提出使用是在 1937 年，当时被广泛地定义为植物间或植物 - 微生物间直接或间接的生物化学互作。
国际化感协会（The International Society of Allelopathy，ISA）将化感作用定义为植物与其他生物（不包括食草动物）之间的化学互作。鉴于此，大多数研究化感的研究人员关注的是植物之间的化学互作。然而，值得注意的是微生物也能够降解和激活次级代谢产物，某些情况下这些微生物具有更强的植物生长抑制效果。次级代谢物中具有潜在化感活性的物质叫做化感物质（allelochemicals）。此外，化感物质造成的化感干扰不同于植物之间对水分、空间、光、气、大量 / 微量元素的竞争干扰。随着植物的生长，化感和竞争都会造成生长减缓或生长干扰。
化感并不是一种新的现象，2000 年以前的文献中就有了化感的相关记录。在这些古老的手稿中，植频繁记录着植物能够让土壤” 生病 “，并产生毒素影响其他植物的生长。希腊植物学家 Theophrastus 首次注意到鹰嘴豆会” 耗尽 “土壤并抑制杂草。后来的罗马学者 Pliny 记录描述了核桃树对周围植物的毒害作用。1832 年，De Candolle 完成了第一个较完整的实验对化感品种的根系分泌物的毒性进行了研究。近些年，基于这些基础性的研究，关于化感互作机制的研究呈现指数级增长。关于化感最新的研究极大地促进了我们对植物生态系统及其驱动力的理解。这些研究的关注点有这些：
化感物质对入侵植物在非原生生态中成功入侵的影响； 动态生态系统中化感物质对植物演替的影响； 杂草抑制作物的筛选与利用； 根系中根系分泌物在驱动植物 - 微生物互作中的作用。
本文主要关注的是植物间的化感互作、植物防御机制、化感物质的生化分类、化感物质作用模型及发生在根际或植物 — 土壤界面上的关键的化感互作。
2 植物防御与化感物质的作用
植物是固生的，因此不管是面对威胁还是面对有益资源都不能移动。在进化的过程中，植物进化出了物理 / 化学机制来抵抗昆虫和病原菌。传统上认为资源竞争是影响植物交流最重要的单一影响因子。然而，最近的研究发现化感作用影响植物防御进而影响植物交流的多样性。在这个过程中，植物释放出多种低分子量的次级代谢物，这些物质能够与周围的植物互作抑制其出芽和生长。现已知的能够产生化感物质的植物大多属于维管植物。近些年对非维管植物的次级代谢产物的研究在逐渐增加。化感物质在植物演替中扮演着重要的作用。
到目前为止在植物中鉴定到了大约 10 万种次级代谢物质。但是只有一小部分具有生物化感活性，这些具有化感活性的次级代谢产物通常属于特定的化学家族，如酚类、萜类、糖类固醇及生物碱。植物会分配大量的碳资源来合成、调控及存储参与植物防御的具有化感活性的次级代谢物。然而，许多植物进化出了高效的策略来产生和循环这些具有生物活性的代谢物。一种物质通过植物代谢转换成另外一种物质后可能具有完全不同的生物学功能。在一些例子中，一个单一的物质或其相关化合物家族会有多种功能。如，独角金内酯能够促进寄生植物的萌发而其他内酯会抑制萌发。尽管在生物活性和作用方式上具有差异，相关化合物通常共享相似的生物合成通路，而分类等代谢物能够通过多种生物合成通路和多种前体进行合成。
面对食草动物及病原菌等” 取食者 “，植物进化出了对应的物理或化学保护机制。植物页面毛等专门的结构能够提供物理防护功能。特定的防御机制包括具有生物活性代谢物的合成与释放。这些具有生物活性的代谢物中的某些在所有植物中都存在，一些专门为了应对生物 / 非生物胁迫而合成。病原菌侵染后立即形成的前体物质叫植物抗毒素（phytoalexins）。寄主植物在多种胁迫下产生的低分子量的代谢物具有广谱抑制活性及额外的化学多样性。
微生物共生也在影响着维管植物的生存与发展。如，广泛分布在生态系统中的菌根真菌与 90% 的维管植物形成了共生关系。这些微生物影响着土壤中氮磷向植物的移动运输，因此它们在地下部分通常扮演着基础性作用。植物释放化感物质、动物取食、其他代谢物被释放到根际并被其他植物吸收转运等情况下，这些微生物有时也参与化感干扰，并被成为地下” 高速公路 “，促进化感物质在植物间的转运。
2.1 化感物质在环境中的定位和释放
包括化感物质在内的次级代谢产物在自然界中是很常见的。植物生长过程中各个部位都会释放出次级代谢产物。空中部分的挥发与淋溶、根系分泌、残体在土壤中的降解等方面相关的机制研究已经有很多了（下图）。雨水、雾滴及露水等直接的挥发和沉降也影响着植物空气部分化感物质的溶解性和释放，尤其是那些含有化感物质的腺毛等部位。毛滴（trichomes）是植物叶片、茎秆或花序表面的毛状附属物。这些毛滴能够有效防止食草动物的取食，也具有利用化感物质进行防御的潜在可能。作为 物理屏障的腺毛体具有能够产生参与化学防御体系的化感物质的特异性细胞。
3 次级代谢物的分类
可以根据碳骨架结构和功能基团对次级代谢物进行分类，但是最常用的分类系统是根据代谢物的生物遗传起源对代谢物进行分类（下图）。根据 Walton、Brown 及 Rice 等人的研究，可以将植物代谢物和化感物质分为三大类：酚类、萜类和生物碱。
3.1 酚类及其衍生物
植物多酚中的多类有机化合物都含有一个共同的结构，它们由一个芳香环组成，至少含有一个羟基，可能还有其他取代基。可以将植物酚类细分为酚酸类、黄酮类、二苯乙烯类、香豆素类、木质素类和单宁类。酚类是衍生自苯丙烷 - 乙酸酯生物合成途径的次级代谢产物。到目前为止天然的次级代谢产物中大约有 8000 种属于酚类。这些酚类物质在植物中有着多样的结构和物理化学功能。酚类在高等植物的防御中扮演者重要的作用，也是报道最多的。毒性的多样性导致酚类物质能够在细胞的多个位置发挥功能。植物结构基础的 40% 是由木质素和单宁酸组成的，而木质素和单宁酸就属于酚类。这些物质还能随着时间变化降解在根际土壤中，进而保证有足够多的丰度来完成合成、转化、释放及降解的生态循环。
已经有大量关于酚类物质的化感机制研究的报道，这些研究发现酚类物质不仅会干扰多个植物关键酶，还会影响一些生理过程。如，肉桂酸（cinnamic）和苯甲酸（benzoic acids）会影响激素活性、膜的通透性、光合作用、呼吸作用及有机物的合成等（下图）。但是还没有实验数据表明酚类物质会影响细胞分化和基因翻译。
包括苜蓿和三叶草在内的多年生豆科植物会在牧场施肥后产生化感作用。三叶草和苜蓿等也会有自毒作用。这些植物会抑制同种植物的生长。CArlsen 等人研究三叶草的植物毒性后发现三叶草会释放黄酮类和糖苷类次级代谢物来抑制杂草生长。
3.2 萜类
萜类是一类特殊的化感物质，其生物合成通路有甲羟戊酸和异戊烯基焦磷酸两个途径。terpene 或 terpenoid 来自希腊语 terpentin，因为首次报道的 terpeniod 是从 turpentine 分离得到的。自然存在的大约 24000 个萜类化合物是由五个碳异戊二烯亚基组成的（下图）。这些压机它们通过常见的头对头或次要的头尾连接而连接在一起，但有些特征还在于头对中环闭合。根据拥有的异戊二烯亚基的相对数量，可以将萜类化合物分成半萜烯、单萜、倍半萜、二萜、三萜、四萜及多萜。由于萜类具有挥发性，因此它们在植物中具有多种功能，如信号分子、光保护剂、生殖激素及化感物质等。
植物精油的主要成分单萜对植物生长和幼苗发芽具有很强的抑制作用。研究较好的是单萜 1,4-cineole 和 1,8-cineole（下图）的生长抑制作用，而且是新型除草剂的有效候选物质。这些单萜尽管在结构上具有相似性，但是作用方式却不尽相同，如 1,8-cineole 影响有丝分裂的所有阶段，1,4-cineole 会造成芽的生长异常。
倍半萜及其相关的代谢物也是植物精油的组成成分，它们对植物具有植物毒性。倍半萜- 石竹烯（下图）是大多数植物挥发物的有效成分，在很低浓度下就能抑制 甘蓝型油菜和萝卜种子的萌发和生长。葛根叶片中的黄嘌呤的几何异构体在极低浓度下便能抑制了许多小种子一年生阔叶和草的幼苗根生长。
3.3 生物碱
生物碱是源自植物的杂环含氮碱性化合物（下图）。之所以被称为生物碱是因为它们的碱性本质。菊科、夹竹桃科、紫草科及豆科等四类植物能够合成生物碱。自古以来，由于它们独特的药理特性，因此一直被关注。生物碱是最大的次级代谢产物组类，迄今已鉴定出约 20,000 种化合物，代表了巨大的结构生物合成多样性。根据生物合成来源，可以将生物碱分成不同的类。如，吲哚生物碱衍生自色氨酸；吡咯嗪核生物碱衍生自鸟氨酸或精氨酸；喹喔啉生物碱衍生自赖氨酸。
生物碱在植物中分布广泛。生物碱在植物中常见的报道是其参与了植物的防御反应，如食草动物取食、真菌等微生物侵染及临近植物干扰等情况。研究人员已评估了几种天然存在的吡咯烷核生物碱对人类和放牧牲畜的肝脏毒性，而且这些物质还能作为植物地上防御系统的一部分，阻止草食动物取食。然而，其他的生物碱在某些时候会抑制植物生长。野生烟草被食草动物取食或破坏后，其体内尼古丁产物增加；有趣的是尼古丁对一年生杂草具有化感活性。生物碱可以通过干扰 DNA、酶活性、蛋白质生物合成及膜完整性等机制来抑制植物的生长。Lovett 等研究了大麦能够从根部释放生物碱草胺和鱼藤碱（这两种物质对幼苗具有化感活性）增强防御反应的机制。Wink 等研究发现豆类植物会合成喹唑烷生物碱，这种物质能够通过影响膜通透性和蛋白质合成来引发强烈的抑制作用。
3.4 苯并恶嗪类化合物的异羟肟酸：农学案例研究
苯酚衍生物异羟肟酸是次级代谢产物中具有生物活性的苯并噁嗪来化合物的基本骨架（下图）。大量研究表明苯并噁嗪类化合物具有抗菌、抗真菌、拒食及植物毒性等作用。
玉米、黑麦及小麦等栽培作物中的异羟肟酸的化感活性有着广泛的研究，这种物质的含量与植物对昆虫和病原菌的抗性高度相关。DIMBOA（2,4-Dihydroxy-7-methoxy-2H-1,4-benzoxazin-3-one）和 DIBOA（2,4-dihydroxy-2H-1,4-benzoxazin-3-one）以及相关微生物转化物质对许多阔叶杂草和生菜、小麦等作物具有很强的化感活性。这些物质通常是通过植物受伤部位释放到土壤中的，除此之外，收获后留下的植物残体降解后也会产生这类物质。DIBOA 和 DIMBOA 的糖苷（以及它们各自的糖苷配基和黑麦（黑麦谷物）根残留物中释放的降解产物）是主要的化感活性成分（对阔叶作物、杂草及一些一年生草）。
4 化感物质的作用模型
化感研究中一个挑战是鉴定高等植物中化感物质的特定的作用模型。已经有很多的方法来研究化感物质对高等植物生长的直接影响并进一步研究其作用机制。但是这可能是比较困难的，因为某个化感物质潜在的靶标位点特异性的酶可能是多样性的，而且需要大量对催化位点和靶标位点结构相关的先验知识。在某些例子中，通过对植物生长和 / 或形态学的观察得到的化感物质作用的靶标位点可能不是真真正正的靶标位点。此外，某些通过体外测定进行的化感方式的研究的结果已经受到一定的质疑，而且更重要的是体外测定得到的结果和自然状态下的结果的差异性也受到了一定的质疑。
需要注意的是在自然状态下化感物质的浓度通常是很低的，而且存留的时间很短，因此添加到土壤或环境中的单一化感物质或化感物质群的浓度是很难估计或测定的。因此，在一定浓度下需要进行适当的生物测定来评估化感物质对高等植物生长的影响。在许多例子中，需要使用多种生物测定方法评估化感物质对植物生长的影响。如，利用自然系统中的土壤和植物品种对得到统一可重复的数据结果是很重要的。一些研究人员已经利用准确敏感的的方法去评估天然 / 合成化感物质在农业化学系统中的作用模型，并得到了强大可靠的模型。一种典型的方法是利用多种分析条件来得到数据，如利用能够在一周内迅速生长并繁殖出更多苗的紫菜或浮萍等水生植物。利用浮萍的话只需要很低的浓度即可，另外一个好处是化感物质可以溶解在水中。此外，还有许多研究利用局部土壤和 / 或琼脂来评估化感物质对地上或地下部分的影响。但是这种验证方法需要更长的时间让植物达到评估条件。最后，一种用于评估植物残体降解影响的方法已经被用于评估植物残体的植物毒性。通过使用适当的检测方法进行筛选，已经鉴定并验证了一些不同的作用机制，如膜通透性、水分 / 营养吸收、呼吸作用、光合作用、蛋白质 / 核酸合成及生长调节等。
4.1 膜通透性
包括化感物质在内的次级代谢产物在浓度足够时能够调节膜通透性和膜的功能。暴露在这些代谢物中时可能会导致细胞内容物的泄露，进而通过凋亡或死亡导致细胞死亡。这个过程最终导致植物组织死亡及特定功能的丧失。如，几种存在化感效应的物质能够调节质膜的通透性。这些物质能够通过扩散或辅助运输机制很轻易地通过细胞膜。一旦膜通透性发生改变，钾离子通道就会受到影响，并且经常导致对氯离子的渗透性降低。Yoon 等研究发现，单萜- 蒎烯能对质膜造成氧化应激，还会造成膜结构破坏，进而导致细胞死亡。Chain 等也发现酚类物质浓度超过 1mM 后会增加风信子叶片组织的膜通透性。与未处理的对照相比，膜损伤通常在体外通过测量处理过的植物的相对电解质渗漏来评估。
4.2 水分和养分吸收
为了进一步探究释放到环境中的化感物质的作用模式，需要关注植物根系的相对健康状态与功能完整性。在根中，化感物质通常影响其参与跨膜离子吸收的 泵的活性。如，Abenavoli 等研究发现肉桂酸、阿魏酸及对香豆酸等物质不仅会影响玉米的营养吸收，还会影响其膜上 酶活性。Franche 等也报道了酚类化合物肉桂酸和阿魏酸会影响植物对 P 和 Fe 的吸收，从而抑制目标植物的生长。种植完甜菜后再种植大豆或玉米等对锌敏感的作物，甜菜产生的植物毒素能增强这些作物对锌的吸收。
4.3 呼吸作用
Donor 植物释放的化感物质能够通过以下途径影响周围植物的呼吸作用进而影响其生长：线粒体中的电子转移、氧气吸收、CO 产生及 ATP 产生过程中的氧化磷酸化。如，Abrahim 等研究发现 蒎烯和柠檬烯会通过多种机制影响多种植物的下胚轴线粒体呼吸活性，这些机制分别是线粒体解偶联、细胞色素途径中的电子流和氧吸收。Czarnota 等发现高粱根系分泌的抑制剂高粱油酮不仅会通过 D1 结合蛋白来影响 Ⅱ 型光合系统中电子的转运，还会通过解耦所植物中的电子流来抑制线粒体电子运输。与成熟植物相比，化感物质对幼苗生长和萌发的影响更大。相关研究认为化感物质抑制通过频繁破坏线粒体进行呼吸的能力来影响幼苗生长和萌发。
4.4 光合作用
化感物质也能通过多种途径来影响植物的光合作用过程，如干扰 PS Ⅰ 和 Ⅱ 中的电子流、影响光合色素的合成及刺激光合色素的降解等。植物茎叶中光合色素含量降低会导致 ATP 的合成（主要发生在光合系统 Ⅱ 中）。对 PS Ⅱ 除草剂抑制剂具有抗性的在 D1 结合位点有多个改变的杂草同样也能抵抗高粱油酮对这个位点的影响。Poonpaiboonpipat 等观察到从柠檬草中提取的精油能够显著降低稗草中叶绿素 a 和叶绿素 b 的浓度，从而减缓光合作用，最终影响植物生长。这些发现认为精油对叶绿素的合成具有直接影响。许多植物中都存在的化感物质柠檬醛不仅会通过呼吸作用、光合作用来影响幼苗的代谢，还会通过抑制生长、调节植物氧化状态来影响成熟植物。这个研究说明特定化感物质的作用模型是和植物组织、植物生长年龄相关的，而且还和植物吸收化感物质的位点（置）相关。
4.5 蛋白质 / 核酸合成及生长调节
化感物质能够靶向调控能够影响植物生长的关键机制来影响临近植物的生长。这些特定的机制包括 DNA 插入、抑制 DNA 聚合酶 I、抑制蛋白质合成等。酚类化感物质也能干扰核酸的形成、胞内代谢及基因表达。Li 等研究发现阿魏酸和肉桂酸对总蛋白质合成有不利影响。Donor 植物产生的化感物质能够调节靶标植物防御基因的表达。如，水稻与稗草在一起时，水稻中参与酚类物质生物合成的酶的合成会上调。稗草存在时，幼苗期的水稻体内的化感物质 momilolactone 的含量会增加。这表明植物竞争或化感导致的胁迫会影响靶标植物合成防御物质的能力。通过提高化感物质的含量来衡量的话，化感响应可能在数小时至数天之内发生。Yang 等的研究发现类似的酚类物质还可以氧化高等植物细胞伸长所必须的激素：氧化吲哚 - 3 - 乙酸。
5 Donor 植物体内化感物质的定位和运输
植物有特定的组织部位来完成次级代谢物的合成并向环境中进行释放，这些特定的部位包括茎部的气孔和腺毛；根部的根毛、边缘细胞、表皮及周皮。根表皮的单个细胞延伸物 — 根毛在根 - 土壤界面复杂的互作中有着重要作用。根毛能够分泌离子、氨基酸、生长调节剂及化感物质等低 / 高分子量的有机物（下图）。一些物质能够直接在根毛中进行合成然后直接分泌到环境中，如 Echium plantagineum L. 幼苗直接分泌的高梁素和紫草素类。最近有研究报道了强性入侵杂草 E. plantagineum L. 活根的外周皮分泌的红色生物活性萘醌；随着时间的流逝，这种植物会在主根的外皮中积累这些抗菌和植物毒性的萘醌，并且还会以红色液滴的形式从幼苗的根毛中释放这些分子。共聚焦显微荧光法加速了类似的定位研究。
在茎部，化感物质能够通过叶片表面的腺毛进行直接释放，也会先转运到气孔然后再进行分泌。猫薄荷腺体分泌的 21 种挥发性化合物能够抑制种子的萌发及幼苗的生长（用悬浮在发芽幼苗附近但不与幼苗接触的叶子进行测定时的结果）。这表明挥发对于植物生长过程的扩散和抑制很重要。能够强烈抑制水芹生长的 2-（2 - 乙氧基乙氧基）- 乙醇、异木香烯和卡丹烯这三种物质不仅能够在挥发物和甲醇提取液中检测到，还能在水提液中检测到。Eom 等研究多年生地被植物后发现猫薄荷的叶面挥发物能够显著抑制水芹及常见的路边杂草的生长。猫薄荷产生的亲脂性或挥发性物质可以直接通过脂质双层扩散，而更多的极性化合物则需要专门的膜结合转运蛋白来协助转运过程。
大多数化感物质一旦在植物组织中被合成并积累，便会被分泌释放导到植物体外，从而有效避免自毒；或是存储在液泡、膜状小囊泡或储存器官中。初次之外，这些化感物质还会通过扩散或特定的转运蛋白转运到植物的其他组织中（下图）。
5.1 化感物质的根系分泌
化感物质从根系分泌最常见的方式是通过根系分泌物进行分泌释放，尤 尤其是通过根毛分泌。根 — 土壤界面或根际含有来自根毛分泌、植物残体降解及微生物相关的各种浓度的有机物，因此根际被认为是土壤中活性最强的部位。次级代谢产物的变化使得根际成为及其复杂的环境。硅胶微探针管和固相根区提取技术的发展为精确地描述土壤中活植物根系释放的非极性到中等极性的化感物质提供了机会。硅胶微针管插入到根表周围的土壤中，极少的极性分子附着在管子的硅胶上，后续的溶解提取能够将这些极性分子选择性地清楚掉。
根系分泌物的组成极为复杂，通常是含碳物质，如多糖、氨基酸、有机酸、酚类、生物碱、单宁酸、萜类、黄酮类、生长调节剂、维生素、营养物质，还有离子、水、电解质等无碳物质。化感物质一旦被释放，就会经受土壤中的物理、化学及生物学变化。因此，一个化感物质的生物活性在达到潜在靶标之前可能会被微生物的降解作用、氧化等影响，甚至还会通过与土壤颗粒不可逆结合而固定。
Wseton 等描述了根系分泌的诸多机制，如扩散、囊泡运输及离子通道转运等。下面将进行简要描述。
5.2 扩散
糖、氨基酸、羧酸及酚类等低分子量的有机物在活根表皮细胞和土壤之间通过浓度梯度进行释放。这种类型的分泌释放取决于根细胞的生理状态和有机物的极性。双层疏水的质膜通常通过扩散促进亲脂性化合物的运输。
5.3 囊泡运输
高分子量的有机化合物的转运通过根帽分泌细胞形成高尔基囊泡介导完成。这些细胞随后从根表面退化或脱落。在膜结合多核糖体水平合成的酸性磷酸酶和过氧化物酶等酶通过矢状分离进入内质网管腔。囊泡的这种胞吐作用依赖于细胞内和细胞外的钙水平。
5.4 离子通道
某些植物在经受胁迫时，柠檬酸、苹果酸及草酸等物质在高浓度时是不能通过简单的扩散完成分泌的。相关研究利用离子通道拮抗剂等方法发现表皮根细胞质膜上的离子通道参与了小麦和玉米体内苹果酸和柠檬酸的释放。
6 响植物化感物质释放的因素
植物释放到根际等环境中的化感物质的浓度和性质取决于植物本身和其他生物 / 非生物因素（下图）。植物因素包括植物品种（栽培种）、植物年龄、组织类型等。调节化感物质合成和释放的环境因素有病原菌的侵染；物理损伤；干旱、温度、土壤理化性质、水流、营养状态、灌溉、竞争及紫外辐射等非生物因素。气候变化也可能影响化感物质的合成，这也成为了近几年的研究焦点。
在分类学上相近的物种并不总是释放相似的化感物质或相似浓度的代谢物到环境中。极端环境下化感物质的释放和扩散与化感物质的化学性质相关，如分子量、极性和浓度等。化感物质通常会和相关的代谢物共同进行释放。需要注意的是，这些代谢物在植物中具有多种功能。一种化合物还可以保护其寄主免受几种不相关竞争者或取食者的干扰。如，酚类物质能够刺激或抑制真菌；特定的真菌利用酚氧化酶活性去代谢、减轻高等植物产生的酚类化合物的毒性。
评估相关代谢物的化感潜力的方法的选择和使用必须要小心注意。多种代谢物组成的混合物可能会严重影响代谢物的化感活性。活性可能与复杂的分子相互作用有关，包括协同作用、拮抗作用和在其他代谢物存在下的增强作用。为了评估化感物质的生物学活性，剂量 / 响应研究对评估化感物质的化感活性是必须的。如果研究时使用的浓度显著高于其在土壤中的浓度，那这个研究结果是很难解释该物质的化感活性的。此外，如果研究时使用的浓度高于其在环境中的真实浓度，那该化感物质在该浓度下的作用模式也可能不同。
7 化感物质对根际、近邻植物及其他生物的影响
根际是植物根系周围很小的一块区域，生存着大量的微生物。植物根系不仅会与临近植物根系发生竞争，还会和真 / 细菌等微生物发生竞争。很难通过大小对根际进行衡量，但是可以根据其物理化学性质进行划分。根际从根开始向外，化学物质的浓度往往呈现递降趋势。Newman 等研究后发现典型的高等植物会将光合作用固定的 10-40% 的碳以有 / 无机物的形式释放到根际。根部产生的物质被统称为 rhizodeposits，包括分泌物、粘液，脱落边缘细胞及根冠细胞。根系分泌物中的大多数物质都是低分子量的物质。
可控条件下对根际化感干扰的研究已经很成熟。但是，在田间条件下研究不同品种的植物竞争过程中发生的化感对生长的抑制的研究还比较困难。近些年关于根系理化性质的研究取得了新的进展。根际中的根系与微生物的互作时刻发生着。复杂的土壤环境使得相关研究变得较为苦难。越来越多的证据表明根系分泌物能够促进临近植物的交流，共生与病原生物通过生物和物理相互作用。根系分泌物能够调节根际微生物的共生关系、保护植物免受食草动物的取食、调节土壤的理化性质、影响其他植物的生长。最近的研究表明植物产生的次级代谢产物能够抑制入侵植物根际微生物介导的反硝化作用，从而限制入侵植物的生长。根系及其分泌物产生的静电和趋化响应能够促进植物 — 微生物之间有效的共生。
根系分泌物会通过吸引对植物生长有正向影响或能够直接影响植物代谢的微生物来刺激植物的生长。根系分泌物中的化感物质对临近物质的影响取决于化感物质在根系分泌物中的浓度、相对分泌速率、靶标植物的生长阶段及生物 / 非生物条件。需要注意的是，如果化感物质释放的量足够而且在环境中存在的时间 足够长的话，这些化感物质只会表现出负向干扰效应。Weidenhamer 研究发现植物生长阶段、生物量、密度等因素是影响释放到根际的化感物质的可利用性的关键因素，因此在进行化感物质的相关实验时，需要考虑这些因素。受体植物密度更高时也就需要供体植物释放出更高浓度的化感物质。
化感物质从植物组织中释放后在达到靶标植物之前会受到诸多因素的影响，如淋溶、氧化、生物降解、临近植物吸收等。生物、化学等刺激下分泌释放的根系分泌物也可能对根际细菌具有抗菌活性。植物会通过可分离的边界细胞来抵抗根际真 / 细菌的侵染，位于根尖的这些细胞会释放出化感物质在内的大量具有生物活性的物质。如，新出出芽的植物会利用边界细胞产生的物质来协助植物进行防御，尤其是在田间根系还没有完全发育完善前。根部的边界细胞产生的胞外 DNA 和蛋白质会成为土传病害的” 陷阱 “，这些土传病原菌会受到化感物质的负向调控。燕麦产生的 avenicin 能抑制相关的病原微生物。Osbourn 实验室研究发现燕麦产生的三萜物质对土壤微生物具有很好的防御效果，而且在植物应对非生物胁迫中也有着重要的作用。
7.1 对化感物质的耐受性
某些植物对特定的植物毒素很敏感，或者是进化出特有的机制来防御自身或其他植物产生的化感物质。能够产生并吸收化感物质的植物通常有着较强的抗毒能力，作用机制包括主动隔离膜结合结构、液泡或囊泡中的毒素、吸收后立即分泌化合物或通过一级和二级代谢改变其化学结构。如，Polygonella myriophylla (Small) Horton 能够以熊果苷的形式释放对苯二酚和苯醌，以此来避免自毒发生。超过百万年的进化使得某些植物具备了耐受或代谢植物毒素的能力。那些不经常遇到植物毒素的物种不太可能产生抗药性。最近的一个假说认为那些成功定殖繁育的入侵性杂草会通过释放特有的化感物质来负向影响本土植物的生长，这些本土植物对那些入侵性杂草产生的化感物质的代谢能力较弱甚至是没有。
8 植物 / 土壤提取物中化感物质的代谢研究
陆地生态学中研究得最好的领域是根际生物化学互作。尽管存在一定的挑战性，但是代谢检测和鉴定技术的发展极大地加速了对复杂系统 / 互作关系的研究，进而解释化感物质调节及其在生态系统功能中的相关科学问题。代谢 profiling 是研究复杂植物互作的有利工具。通过提取植物组织并评估代谢组，可以在特定时间点评估生物系统的功能状态。
Weston 等利用一种新的代谢组学方法来研究感兴趣的靶标物质，如某个化感物质处理下的生物学系统响应。通过代谢 profiling，能够为研究根际生物在化感物质处理后的生物化学状态。代谢组学还可以和转录组、蛋白组等组学相结合来研究感兴趣的靶标物质的生物合成通路。特定化感物质的代谢 profiling 可以用于研究入侵性杂草的潜在机制。Skoneczny 等利用 LS-MS 技术，通过田间试验与室内试验研究发现，与 Echium vulgare L. 相比，入侵性更强的 E. plantagineum L. 体内的吡咯嗪核生物碱和氮氧化物含量更高。
代谢组是一种高通量的方法，分析大量样本时能够在短时间内得到结果。这个领域发展出很多新的分析平台，如配备高分辨率质谱的气相和液相，靶向代谢组和非靶向代谢组等。最近的三重四极杆 MS 或敏感离子阱质谱增强了分析的精度和准度，能够对复合物中低量的上千种具有生物活性的物质进行注释。代谢 profiling 也被用于研究植物根际。有研究利用这种方法研究了三叶草向根际释放的多种黄酮类物质。也有研究利用 UPLC QToF-MS 来研究植物根系中 15 余种萘醌和紫草素对植物防御和化感的影响。使用 LC/MS 技术也成功地回收了一些更持久的化感物质，包括在受侵染的土壤中含量在 ppm 级别的乙酰基紫草素和紫草素。越来越多的研究利用代谢组学研究代谢物的动态变化和生物合成通路。这些方法的使用毫无疑问会增强我们对土壤环境中化感物质的研究和认识。
通过代谢组学分析后，尝试处理大量质谱数据并随后表征代谢物。不可能鉴定到复合物中所有的代谢成分。高通量的计算和分析工具能够在一定程度上有效解决这些问题，如数据转换、特征值检测、归一化及质量控制等。将存在的化合物的分子特征归一化（用于基线变化），并与可用的结构库对齐。天然产物比对最常用的库是 METLIN 库。
9 总结
研究复杂的植物 — 植物、植物 — 微生物互作的化感是植物科学研究中一个具有活力的领域。本领域相关的研究人员和论文数量已经呈现指数级增长了。土壤学家、化学家、生态学家、遗传学家及分子生物学家的紧密合作将会极大地促进对调控高等植物中化感物质的因素的研究，不仅如此，还会促进这些代谢物对入侵生态学、植物竞争、植物干扰及作物产量等研究的发展。代谢组学新的分析技术的使用及其与其他组学的结合将有利于鉴定新的化感物质及其生物合成通路，甚至是气候对化感物质的影响等。进一步理解化感物质在植物防御中的作用将有助于我们开发管理作物、限制入侵性杂草的扩张、保护本地植物，甚至是从这些化感物质中找到潜在的新型农药。
越来越多的研究开始担忧除草剂带来的影响，对天然产物中的农药的开发的呼吁声不断。包含化感物质在内的新型植物代谢物的鉴定为开发基于生物源的农药提供了材料来源（通过提供合成化合物的互补结构或辅助开发新的分子靶位）。