水稻稻壳的化学成分研究
The Studies on the Chemical Components of Rice Hulls
-
Keywords:
- rice hulls /
- chemical components /
- structure identification /
- allelopathy
-
水稻(Oryza sative L.)是世界上最重要的粮食作物之一，其种植区域广泛，栽培面积巨大。虫害和杂草每年给水稻生产造成严重损失，传统化学农药防治虽然有效，但易造成环境污染和食品安全等问题[1-2]。利用水稻自身化感特性控制杂草是最理想的途径。因此，研究水稻化感作用及相应的化感物质成为化感研究领域的一个研究热点。许多研究者开始着手研究水稻中的化感物质，水稻中的化学成分主要包括酚酸类化合物[3]、萜类化合物[4]、甾体类化合物[5]、黄酮类化合物[6]以及糖苷类化合物[7]等。研究表明：水稻中的香豆酸能够抑制稗草的生长[8]，二萜类植保素能够显著抑制稻瘟病病原菌的生长[9]，麦黄酮对稗草、水稻稻瘟病和纹枯病病原菌的生长具有抑制作用[6]，甾体类化合物对铜绿假单胞菌具有很强的抑制作用[10]。因此，可以利用水稻自身化感特性来防治病虫害和杂草。
水稻谷壳是最丰富的农业副产品之一，其中含有许多化感物质可以作天然除草剂和杀虫剂。前期研究发现：水稻稻壳乙醇提取物能显著抑制稗草的生长，但其中活性物质基础尚不明确。我们对水稻稻壳乙醇提取物化学成分进行研究，以期从水稻稻壳中分离得到具有抑制稗草生长的化学成分，进而阐明水稻稻壳中具有抑草活性的物质基础，并为合成新型的绿色除草剂提供先导化合物。
1. 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 供试材料
水稻稻壳和稗草(Echinochloa crusgalli)由福建农林大学作物科学学院作物抗性与化学生态学研究所提供，由福建农林大学曾任森教授鉴定。
1.1.2 试验仪器
SHZ-D型循环水式真空泵(巩义市英峪予华仪器厂)，EYELA 旋转蒸发仪(日本东京理化器械株式会社)，AVANCE III 500 MHz核磁共振波谱仪、AVANCE III 600 MHz核磁共振波谱仪和Waters G2-XS QTOF 超高效液相色谱—四级杆飞行时间质谱仪。
硅胶(200~300目) (青岛海洋化工厂)，Sephadex LH-20 (Pharmacia化学公司)，MCI-gel CHP20P (75~100 μm) (Mitsubishi Chemical Co., Ltd.)，Rp-18 (40~60 μm) (Merck)。薄层层析用预制硅胶GF-254 (青岛海浪硅胶干燥剂厂)。薄层层析展开剂为石油醚—丙酮系统以及氯仿—甲醇系统。显色剂为10% 硫酸乙醇溶液，加热显色。试剂为分析纯或工业纯(重蒸)，本次试验过程中所使用的化学试剂均由福州联友玻璃仪器公司提供。
1.2 方法
1.2.1 抑制稗草生长活性测定
稗草种子用10%的过氧化氢消毒5 min，然后用无菌水清洗5次，沥干。将已消毒的稗草种子铺到湿润的培养皿(垫有2层滤纸)上，最后将培养皿置于恒温恒湿培养箱(温度设置为25 ℃)中，待其露白芽。
分别称取化合物1和2各5 mg，用甲醇配成质量浓度分别为50、25和1 μg/mL的溶液。在每个培养皿中铺上2层滤纸，往培养皿中分别加入单体化合物溶液直至滤纸湿润完全为处理组，以加相同体积甲醇的培养皿为对照组。向上述每个培养皿中挑选发芽情况一致的稗草幼苗15株，重复3次。置于光照培养箱(25 ℃，光照12 h/d，湿度95%)中培养2 d后，测量稗草的根长和苗高。按下式计算生长抑制率：
生长抑制率=(对照生长量−处理生长量)/对照生长量×100%。
1.2.2 提取与分离
水稻稻壳约50 kg，用95%乙醇在45 ℃下提取6 h，减压浓缩得含水提取物4.5 kg。乙醇提取物分别用氯仿、乙酸乙酯和正丁醇萃取，减压浓缩，得到氯仿萃取物0.9 kg、乙酸乙酯萃取物26 g和正丁醇萃取物1.1 kg。
氯仿萃取部分上硅胶柱(拌样，干法上柱)，用石油醚∶丙酮(9∶1~0∶1)梯度洗脱，每个梯度冲10 L，用TLC检测，合并，得到8个部分Fr. A~H。
Fr.C (101 g)上硅胶柱，用石油醚∶丙酮(9∶1~0∶1)梯度洗脱，用TLC检测，合并，得到5个部分Fr.C1~C5。Fr.C1 (15 g)上Sephadex LH-20柱，再反复上RP-18和硅胶，得到化合物3 (26 mg)和4 (19 mg)。
Fr.E (122 g)上Sephadex LH-20柱，用氯仿∶甲醇(1∶1~0∶1)梯度洗脱，得到6个部分Fr.E1~E6。Fr.E3 (23 g)反复柱层析得到化合物1 (16 mg)和2 (49 mg)。Fr.E5 (18 g)反复柱层析得到化合物5 (14 mg)、6 (21 mg)和7 (19 mg)。
2. 结果与分析
2.1 化合物结构鉴定
化合物1：黄色晶体，分子式：C29H34O16。ESI-MS m/z：661 [M+Na]+。1H-NMR (CD3COCD3, 500 MHz) δH: 7.21 (2H, s, H-2′/6′), 6.87 (1H, d, J = 1.8 Hz, H-8), 6.66 (1H, s, H-3), 6.45 (1H, d, J = 1.8 Hz, H-6)。13C-NMR (CD3COCD3, 151 MHz) δC: 182.1 (C-4, C), 164.6 (C-7, C), 162.6 (C-2, C), 161.0 (C-9, C), 157.0 (C-5, C), 147.8 (C-3′/5′, C), 139.7 (C-4′, C), 120.6 (C-1′, C), 105.3 (C-2′/6′, CH), 103.8 (C-3, CH), 103.0 (C-10, C), 98.3 (C-6, CH), 94.3 (C-8, CH), 55.3 (OMe, CH3), 99.3 (GluC-1″, CH), 77.4 (GluC-2″, CH), 76.5 (GluC-3″, CH), 72.1 (GluC-4″, CH), 77.1 (GluC-5″, CH), 60.7 (GluC-6″, CH2), 100.7 (RhaC-1′′′, CH), 69.6 (RhaC-2′′′, CH), 70.4 (RhaC-3′′′, CH), 70.4 (RhaC-4′′′, CH), 68.2 (RhaC-51′′′, CH), 16.3 (RhaC-6′′′, CH3)。以上数据与文献[11]的报道基本一致。因此，确定该化合物为苜蓿素-7-O-新橙皮糖苷。
化合物2：黄色晶体，分子式：C17H14O7。ESI-MS m/z：331 [M+H]+。1H-NMR (CDCl3, 500 MHz) δH: 13.01 (1H, s, 5-OH), 9.67 (1H, s, 7-OH), 8.18 (1H, s, 4′-OH), 7.38 (2H, s, H-2′/6′), 6.73 (1H, s, H-3), 6.55 (1H, d, J = 2.0 Hz, H-8), 6.25 (1H, d, J = 2.0 Hz, H-6), 3.96 (6H, s, 2×OCH3)。13C-NMR (CDCl3, 125 MHz) δC: 183.55 (C-4, C), 165.36 (C-2, C), 165.51 (C-7, C), 163.78 (C-9, C), 159.24 (C-5, C), 149.58 (C-3′/5′, C), 141.40 (C-4′, C), 122.78 (C-1′, C), 105.78 (C-2′/6′, CH), 105.66 (C-10, C), 105.10 (C-3, CH), 100.15 (C-6, CH), 95.32 (C-8, CH), 57.38 (OMe, CH3)。以上数据与文献[12]的数据基本一致。因此，确定化合物2为5, 7, 4′-三羟基-3, 5-二甲氧基黄酮(麦黄酮)。
化合物3：白色粉末，分子式：C29H48O2。ESI-MS m/z：451 [M+Na]+。1H-NMR (CDCl3, 500 MHz) δH: 5.77 (1H, s, H-4), 4.28 (1H, t, J = 2.5 Hz, H-6), 1.36 (3H, s, 19-CH3), 0.89 (3H, d, J = 6.5 Hz, 21-CH3), 0.83 (3H, t, J = 7.5 Hz, 29-CH3), 0.81 (3H, d, J = 6.5 Hz, 27-CH3), 0.80 (3H, d, J = 6.5 Hz, 26-CH3), 0.71 (3H, s, 18-CH3)。13C-NMR (CDCl3, 125 MHz) δC: 200.9 (C-3, C), 169.0 (C-5, C), 126.4 (C-4, CH), 73.3 (C-6, CH), 56.2 (C-17, CH), 56.1 (C-14, CH), 53.8 (C-9, CH), 46.0 (C-24, CH), 42.7 (C-13, C), 39.7 (C-12, CH2), 38.7 (C-7, CH2), 38.2 (C-10, C), 37.2 (C-1, CH2), 36.3 (C-20, CH), 34.4 (C-2, CH2), 34.0 (C-22, CH2), 29.9 (C-8, CH), 29.3 (C-25, CH), 28.3 (C-16, CH2), 26.3 (C-23, CH2), 24.3 (C-15, CH2), 23.2 (C-28, CH2), 21.6 (C-11, CH2), 20.1 (C-26, CH3), 19.6 (C-19, CH3), 19.2 (C-27, CH3), 18.9 (C-21, CH3), 12.2 (C-29, CH3), 12.1 (C-18, CH3)。以上数据与文献[13]的数据基本一致。因此，确定化合物3为stigmast-4-en-6β-ol-3-one。
化合物4：白色粉末，分子式：C29H46O2。ESI-MS m/z：449 [M+Na]+。1H-NMR (CDCl3, 500 MHz) δH: 5.67 (1H, s, H-4), 5.13 (1H, dd, J = 15.6, 8.7 Hz, H-22), 5.00 (1H, dd, J = 15.6, 8.1 Hz, H-23), 3.67 (1H, t, J = 6.5 Hz, H-6), 1.20 (3H, s, 19-CH3), 1.00 (3H, d, J = 6.5 Hz, 21-CH3), 0.83 (3H, d, J = 6.5 Hz, 27-CH3), 0.78 (3H, t, J = 7.5 Hz, 29-CH3), 0.77 (3H, d, J = 6.5 Hz, 26-CH3), 0.67 (3H, s, 18-CH3)。13C-NMR (CDCl3, 125 MHz) δC: 202.5 (C-3, C), 165.3 (C-5, C), 138.2 (C-22, CH), 129.7 (C-23, CH), 126.3 (C-4, CH), 70.7 (C-6, CH), 54.9 (C-17, CH), 51.4 (C-14, CH), 50.2 (C-9, CH), 45.6 (C-24, CH), 43.2 (C-13, C), 42.0 (C-7, CH2), 40.4 (C-12, CH2), 38.7 (C-10, C), 36.5 (C-1, CH2), 36.2 (C-20, CH), 34.1 (C-2, CH2), 32.0 (C-8, CH), 29.2 (C-25, CH), 27.4 (C-16, CH2), 25.5 (C-15, CH2), 22.3 (C-28, CH2), 21.4 (C-11, CH2), 21.2 (C-26, CH3), 19.5 (C-19, CH3), 19.1 (C-27, CH3), 17.5 (C-21, CH3), 12.5 (C-29, CH3), 12.4 (C-18, CH3)。以上数据与文献[14]的数据基本一致。因此，确定化合物4为stigmast-4,22E-dien-6α-ol-3-one。
化合物5：白色固体，分子式：C9H10O3。ESI-MS m/z：167 [M+H]+。1H-NMR (600 MHz, CDCl3) δH: 7.52 (1H, d, J = 2.0 Hz, H-2), 7.52 (1H, dd, J = 8.7, 2.0 Hz, H-6), 6.93 (1H, d, J = 8.7 Hz, H-5), 6.10 (1H, s, -OH), 3.93 (3H, s, -OCH3), 2.54 (3H, s, -COCH3)。13C-NMR (151 MHz, CDCl3) δC: 197.00 (-C=O, C), 150.62 (C-3, C), 146.84 (C-4, C), 130.48 (C-1, C), 124.22 (C-6, CH), 113.98 (C-2, CH), 109.95 (C-5, CH), 56.30 (-OCH3), 26.39 (-CH3)。以上数据与文献[15]的数据基本一致。因此，化合物5被确定为3-羟基-4-甲氧基苯乙酮。
化合物6：白色固体，分子式：C9H10O3。ESI-MS m/z：201 [M+Na]+。1H-NMR (CDCl3, 600 MHz) δH: 9.62 (1H, d, J = 7.8 Hz, H-1), 7.38 (1H, d, J = 15.8 Hz, H-3), 7.10 (1H, dd, J = 8.2, 1.9 Hz, H-6′), 7.04 (1H, d, J = 1.9 Hz, H-2′), 6.94 (1H, d, J = 8.2 Hz, H-5′), 6.57 (1H, dd, J = 15.8, 7.8 Hz, H-2), 6.11 (1H, s, OH), 3.92 (3H, s, OCH3)。13C-NMR (151 MHz, CDCl3) δC: 193.83 (C-1, CH), 153.31 (C-3, CH), 126.65 (C-2, CH), 126.89 (C-1′, C), 109.73 (C-2′, CH), 147.19 (C-3′, C), 149.19 (C-4′, C), 115.17 (C-5′, CH), 124.27 (C-6′, CH), 56.23 (OMe)。以上数据与文献[16]报道的数据基本一致。因此，确定化合物6为4-羟基-3-甲氧基肉桂醛。
化合物7：白色固体，分子式：C13H18O8。ESI-MS m/z：325 [M+Na]+。13C-NMR (151 MHz, MeOH) δC: 152.95 (C-1, C), 103.90 (C-2, CH), 149.40 (C-3, C), 143.08 (C-4, C), 116.15 (C-5, CH), 110.14 (C-6, CH), 103.95 (C-1′, CH), 75.13 (C-2′, CH), 78.29 (C-3′, CH), 71.70 (C-4′, CH), 78.17 (C-5′, CH), 62.78 (C-6′, CH2), 56.54 (-OMe)。以上核磁谱数据与文献[17]的数据基本一致，故确定化合物7为tachioside。
2.2 抑制稗草生长活性测定结果
化合物1和2对稗草根长和苗高的影响见图1。随着化合物质量浓度的增加，化合物1和 2对稗草根长和苗高抑制作用逐渐增强。化合物1和 2在50 μg/mL时对稗草根长的抑制率分别为97%和93%，稗草根几乎不能生长，对苗高的抑制率分别为88%和84%。因此，化合物1和2有望开发成新型的除草剂以抑制稗草的生长。
![]()
图 1 化合物1和2对稗草生长的影响注：不同字母表示不同处理间存在显著差异(P<0.05)。Figure 1. The effects of compound 1 and 2 on the growth of E. crusgalliNote: Different letters mean significant difference among different treatments (P<0.05).3. 讨论
本研究在生物活性指导下从水稻稻壳中分离得到7种单体化合物，化合物1~2为黄酮类化合物、化合物3~4为甾体类化合物，化合物5~7为酚酸类化合物。前期报道水稻中二萜类化合物具有很好的除草活性[18]，本研究发现：黄酮类化合物1和2能很好地抑制稗草的生长。因此，在水稻化感作用中除了萜类化合物具有除草活性外，黄酮类化合物对稗草的生长同样具有很好的抑制作用。
-
[1] 王强, 何锦豪, 李秒寿, 等. 浙江省水稻田杂草发生种类及危害[J]. 浙江农业学报, 2000, 12(6): 317. DOI: 10.3969/j.issn.1004-1524.2000.06.003. [2] 于宏伟, 刘会茹, 常永芳, 等. 植物源农药的研究进展[J]. 安徽农业科学, 2009, 37(16): 7550. DOI: 10.3969/j.issn.0517-6611.2009.16.098. [3] SEAL A N, PRATLEY J E, TERRY H, et al. Identification and quantitation of compounds in a series of allelopathic and non-allelopathic rice root exudates[J]. Journal of Chemical Ecology, 2004, 30(8): 1647. DOI: 10.1023/b:joec.0000042074.96036.14.
[4] AKATSUKA T, OSAMU K, HIDEKI K, et al. 3-Hydroxy-7-oxo-sandaracopimaradiene (oryzalexin A), a new phytoalexin isolated from rice blast leaves[J]. Agricultural and Biological Chemistry, 1983, 47(2): 445. DOI: 10.1271/bbb1961.47.445.
[5] CHUNG I M, ALI M, ATEEQUE A, et al. Chemical constituents of rice (Oryza sativa) hulls and their herbicidal activity against duckweed (Lemna paucicostata Hegelm 381)[J]. Phytochemical Analysis, 2006, 17(1): 36. DOI: 10.1002/pca.879.
[6] KONG C H, XU X H, ZHOU B, et al. Two compounds from allelopathic rice accession and their inhibitory activity on weeds and fungal pathogens[J]. Phytochemistry, 2004, 65(8): 1123. DOI: 10.1016/j.phytochem.2004.02.017.
[7] 邓国富, 李杨瑞. 水稻化感作用研究进展及展望[J]. 西南农业学报, 2006, 19(5): 962. DOI: 10.3969/j.issn.1001-4829.2006.05.043. [8] KUWATSUKA S, HARUO S. Behavior of phenolic substances in the decaying process of plants: I. Identification and quantitative determination of phenolic acids in rice straw and its decayed product by gas chromatography[J]. Journal of Soil Science and Plant Nutrition, 1973, 19(3): 219. DOI: 10.1080/00380768.1973.10432591.
[9] AKATSUKA T, OSAMU K, HARUCHIKA S, et al. Novel phytoalexins (oryzalexins A, B and C) isolated from rice blast leaves infected with Pyricularia oryzae. Part I: isolation, characterization and biological activities of oryzalexins[J]. Agricultural and Biological Chemistry, 1985, 49(6): 1689. DOI: 10.1271/bbb1961.49.1689.
[10] CHUNG I M, ALI M, ATEEQYE A, et al. Steroidal constituents of rice (Oryza sativa) hulls with algicidal and herbicidal activity against blue-green algae and duckweed[J]. Phytochemical Analysis, 2007, 18(2): 133. DOI: 10.1002/pca.961.
[11] 柴兴云, 王林, 宋越, 等. 山银花中黄酮类成分的研究[J]. 中国药科大学学报, 2004, 35(4): 299. DOI: 10.3321/j.issn.1000-5048.2004.04.003. [12] 凌冰, 董红霞, 张茂新, 等. 水稻麦黄酮对褐飞虱的抗性潜力[J]. 生态学报, 2007, 27(4): 1300. DOI: 10.3321/j.issn.1000-0933.2007.04.006. [13] 肖文琳, 陈文豪, 宋小平, 等. 薜荔茎化学成分研究[J]. 中成药, 2015, 37(8): 1734. DOI: 10.3969/j.issn.1001-1528.2015.08.022. [14] WU H M, ZHOU H Q, HUANG S Y, et al. A novel steroid from Eichhornia crassipes[J]. Chinese Chemical Letters, 1991, 2(7): 509.
[15] KOBAYASHI S, OKIMOTO K, IMAKURA Y. Cleavage of the methylenedioxy ring. III. Cleavage with sodium benzyloxide in dimethyl sulfoxide[J]. Chemical & Pharmaceutical Bulletin, 1982, 30(5): 1567. DOI: 10.1248/CPB.30.1567.
[16] 王盈盈, 刘寿柏, 王昊, 等. 疏花卫矛化学成分的研究[J]. 热带亚热带植物学报, 2012, 20(6): 596. DOI: 10.3969/j.issn.1005-3395.2012.06.010. [17] ZHONG X N, HIDEAKI O, TOSHINORI I, et al. Hydroquinone diglycoside acyl esters from the leaves of Myrsine seguinii[J]. Phytochemistry, 1999, 52(5): 923. DOI: 10.1016/S0031-9422(99)00334-9.
[18] KATO-NOGUCHI H. Allelopathic substance in rice root exudates: rediscovery of momilactone B as an allelochemical[J]. Journal of Plant Physiology, 2004, 161(3): 271. DOI: 10.1078/0176-1617-01188.
-
期刊类型引用(3)
1. 宗春燕，万琴，陈馨雨，苏学军. 二氯氧锆比色法测定稻壳中的总黄酮含量. 化学与粘合. 2024(06): 627-630 . 
百度学术
2. 赵丽丽，王成港，赵琳，艾聪聪，盛慧，王玉姣，孟哲，李壮，朱春原，张修国. 覆施稻壳对大棚黄瓜长势及防控黄瓜疫病的影响. 安徽农业科学. 2023(06): 35-40 . 百度学术
3. 张玲，任癸林，宿芃，张军华，房轶群. DOPO衍生物/八氨丙基POSS阻燃木塑复合材料的研究. 西南林业大学学报(自然科学). 2023(03): 136-144 . 百度学术
其他类型引用(3)
下载:
计量
- 文章访问数: 2273
- PDF下载量: 32
- 被引次数: 6
