摘要：用傅里葉變換紅外光譜結合相關性分析研究番茄正常葉片和3種病害葉片。結果表明，它們的主要物質成分為蛋白質、多糖和脂類物質。正常葉片、葉霉病、晚疫病和煤污病葉片的光譜整體相似，僅在1 750～700 nm，正常葉片與病害葉片光譜的峰位、峰形及吸收強度比有一定差異，吸收強度比A■/A■為0.727、0.515、0.591和0.719，表明病害葉片中蛋白質的相對含量升高，而糖類物質的相對含量降低。為提高光譜靈敏度，對光譜進行二階導數(shù)相關性分析，4個樣品的二階導數(shù)光譜在1 750～1 500 cm-1和1 200～900 cm-1的相關系數(shù)差異明顯，表明4種葉片樣品所含化學成分結構或各成分相對含量各不相同，即病害影響了番茄葉片的化學成分。上述研究結果表明，傅里葉變換紅外光譜結合相關性分析在鑒別番茄病害葉片方面具有方便、快捷等優(yōu)點。

關鍵詞：傅里葉變換紅外光譜；番茄病害；葉片；相關分析

中圖分類號：O657.3 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）09-2120-03

番茄（Solanum lycopersicum L）又稱西紅柿，是茄科茄屬一年或多年生草本植物[1]。番茄富含維生素、番茄紅素、胡蘿卜素、鈣、磷、鉀、鋅及有機酸等營養(yǎng)物質，栽培中具有廣適性和高產(chǎn)性，使其成為提高人民生活水平、加快經(jīng)濟發(fā)展和分布廣泛的重要蔬菜作物之一[2]。生產(chǎn)過程中許多生物和非生物因素都會導致番茄植株感染各種病害，從而對番茄的產(chǎn)量和品質造成影響。目前中國蔬菜生產(chǎn)中廣泛存在盲目與隨意使用農(nóng)藥的現(xiàn)象，從而影響產(chǎn)品質量，這與中國發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)的目標不相符[3]，主要原因在于不能及時、準確鑒別病蟲害及判斷其危害程度[4]。

傳統(tǒng)農(nóng)作物病害鑒定主要采用目測法，即根據(jù)植物外部表現(xiàn)的癥狀進行判斷，這需要豐富的實踐經(jīng)驗，同時還存在主觀性強、誤差大的缺點[5]；較先進的檢測方法有病原物分離培養(yǎng)、顯微形貌觀察、分子生物學等，上述方法雖能準確鑒定病害，但過程復雜，操作繁瑣，成本較高[6]。近年來傅里葉變換紅外光譜（FTIR）技術能直接反應分子內部結構，特征性強、靈敏度高、測試時間短，能對樣品進行定性和定量無損分析[7]，已應用于農(nóng)作物病害的研究，如FTIR對病害煙葉、蠶豆病害葉、油菜根腫病、稻瘟病、玉米銹病和蠶豆銹病葉的研究[4，5，8，9]等，紅外光譜法研究番茄病害方面鮮見報道。本研究基于FTIR技術，結合相關性分析對番茄正常葉片、晚疫病、葉霉病和煤污病葉片病斑的紅外光譜進行研究，探討比較不同葉片所含化學信息差異，從不同光譜區(qū)進行相關性分析，以期為番茄病害的研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 儀器設備與測試條件

光譜儀為PE公司生產(chǎn)的Frontier型傅里葉變換紅外光譜儀，裝備DTGS檢測器，掃描次數(shù)16次，掃描范圍4 000～400 cm-1，分辨率為4 cm-1，光譜數(shù)據(jù)用OMNIC 8.0軟件處理，數(shù)據(jù)相關性分析采用軟件SPSS 18.0。

1.2 樣品制備與光譜預處理

番茄葉片均采自玉溪市紅塔區(qū)研和鎮(zhèn)，經(jīng)農(nóng)業(yè)科技術人員鑒定，自然晾干，病害葉片取病斑部、正常葉片取與病害葉取樣相同或相近部位。將干燥葉片樣品放入瑪瑙研缽磨為細粉，再按1∶50的質量比加入溴化鉀溶劑并攪磨均勻，然后壓片測定光譜。所有光譜均扣除背景光譜，并用OMNIC 8.0軟件進行自動基線校正、自動平滑和自動歸一化處理。

2 結果與分析

2.1 番茄葉片的紅外光譜特征

正常葉片和病害葉片的紅外光譜見圖1，主要吸收峰見表1。其中，a是正常葉片；b是葉霉病葉片；c是晚疫病葉片；d是煤污病葉片，所有光譜均以3 425 cm-1附近吸收峰為參考進行歸一化處理。由圖1可知，3種病害葉片和正常葉片的主要譜峰峰形相似，最強峰均為O-H和N-H伸縮振動疊加峰。為便于比較，將光譜分為5個區(qū)，在3 700～3 000 cm-1區(qū)，顯示羥基和蛋白質酰胺Ⅰ帶中-NH伸縮振動的3 424 cm-1附近寬吸收峰[10]；3 000～2 800 cm-1是甲基和亞甲基的伸縮振動區(qū)，顯示脂肪化合物中甲基反對稱伸縮振動和對稱伸縮振動區(qū)在2 926和2 850 cm-1附近吸收峰[11]； 在1 750～1 500 cm-1的酰胺和羰基振動區(qū)中，1 738 cm-1峰歸屬脂類羰基伸縮振動，1 636 cm-1附近吸收峰主要來自蛋白質酰胺Ⅰ帶中C=O伸縮振動，1 545 cm-1附近吸收峰歸屬蛋白質酰胺Ⅱ帶中N-H彎曲振動和C-N伸縮振動吸收[12]；1 500～1 200 cm-1主要是蛋白質、木質素、脂肪酸及多糖的混合振動區(qū)[13]，其中1 440～1 370 cm-1附近寬吸收峰主要歸屬蛋白質、木質素和纖維素中甲基、亞甲基受氧、氮原子影響的對稱彎曲振動及CH3剪式振動[14]，1 250 cm-1附近吸收峰主要來自蛋白質酰胺Ⅲ帶中C-N伸縮振動及N-H變形振動吸收；1 200～700 cm-1主要為多糖和糖類異構體吸收區(qū)[4]，正常葉片光譜在該范圍內顯示由1 147、 1 095、1 076和1 052 cm-1 4個階梯增強峰，煤污病葉片則顯示了3個階梯增強峰，分別位于1 151、1 076和1 043 cm-1附近，而葉霉病葉片和晚疫病葉片則只顯示一個峰，分別位于1 102和1 076 cm-1附近，表明病害減少了番茄葉片中多糖類物質的組分和含量，尤以葉霉病和晚疫病的病原黃枝孢菌和致病疫霉菌的影響最大。5個區(qū)中，強吸收峰出現(xiàn)在1 750～1 500 cm-1區(qū)和1 200～700 cm-1區(qū)，說明番茄葉片的主要物質成分是蛋白質、多糖及脂類物質，4種葉片光譜在1 500～1 200 cm-1和1 200～700 cm-1區(qū)域內的吸收峰的峰位、峰形和峰強差異較大，說明4種葉片中所含蛋白質和多糖的組分和（或）含量差異較大。

2.2 特征吸收峰的分析與比較

由圖1可知，正常葉片和病害葉片光譜差異主要表現(xiàn)為：①2 926和2 850 cm-1附近吸收峰相對強度按正常葉片、煤污病、晚疫病和葉霉病葉片的規(guī)律逐漸增強；②在1 738 cm-1附近的脂類羰基振動吸收峰處，只有煤污病葉片顯示明顯肩峰，而正常葉片、葉霉病和晚疫病葉片沒有出現(xiàn)此肩峰；③在1 750～700 cm-1，4種葉片光譜的最強峰均出現(xiàn)在酰胺Ⅰ帶吸收區(qū)，且以正常葉片吸收峰的波數(shù)最高，為1 636 cm-1，分別比晚疫病、葉霉病和煤污病葉片高2、6和10 cm-1。第二強吸收峰出現(xiàn)在多糖吸收區(qū)，正常葉片，葉霉病、晚疫病和煤污病葉片吸收峰分別為1 051、1 101、1 076和1 043 cm-1，相應的吸收強度比A■/A■值依次為0.727、0.591、0.719和0.515，表明病害葉片中蛋白質的相對含量升高，而糖類物質的相對含量降低；④在1 548 cm-1附近的酰胺Ⅱ帶吸收峰處，只有正常葉片顯示一個肩峰，病害葉片中為出現(xiàn)此吸收峰，說明病害葉片中含有的酰胺大多為叔酰胺[15]；⑤在1 500～1 200 cm-1吸收區(qū)，正常葉片顯示4個強度依次增強的小吸收峰組成的階梯峰，并在922 cm-1處有一個小肩峰，煤污病葉片在此范圍內的最強峰為強度相當?shù)碾p峰，葉霉病和晚疫病則均只顯示一個吸收峰，分別位于1 102和1 076 cm-1處，利用此特征可將正常葉片、煤污病葉片與葉霉病和晚疫病葉片區(qū)別開；同時由于葉霉病葉片在1 318 cm-1處有一個肩峰，而晚疫病葉片沒有，利用這些特征可將葉霉病和晚疫病葉區(qū)別開。

2.3 二階導數(shù)光譜的相關性分析

正常葉片和煤污病葉片光譜、葉霉病葉片和晚疫病葉片光譜差異并不十分明顯，從光譜圖上只能靠幾個特征吸收峰來區(qū)別，為更客觀、全面地區(qū)別它們，分析它們的相似程度，分別對4個樣品的二階導數(shù)光譜在1 750～1 500 cm-1和1 200～900 cm-1做相關性分析。

在1 750～1 500 cm-1的酰胺和脂類羰基振動區(qū)，不同葉片的二階導數(shù)光譜差異較大，相關系數(shù)見表2。由表2可知，正常葉片與葉霉病葉片在此范圍內的二階導數(shù)光譜相似度很高，相關系數(shù)為0.906，晚疫病和煤污病葉片的則較差，相關系數(shù)僅為0.680，說明病害使番茄葉片中所含蛋白質和脂類物質的組分和（或）相對含量發(fā)生了變化。

1 200～900 cm-1范圍內多糖振動區(qū)二階導數(shù)光譜相關系數(shù)見表3。由表3可知，不同葉片的二階導數(shù)光譜在該范圍差異也很大，葉霉病與晚疫病和煤污病葉片的相似性較好些，相關系數(shù)分別為0.802和0.858，其余葉片的二階導數(shù)光譜間的相關性都較差，相關系數(shù)都小于0.800，正常葉片與晚疫病葉片的最差，僅為0.614，說明病害改變了番茄葉片中糖類物質的組分和（或）相對含量。4種葉片樣品二階導數(shù)光譜的相關系數(shù)有一定差異，表明病害影響了番茄葉片所含化學物質的組分和（或）各組分的相對含量。

3 小結與討論

對番茄正常葉片和病害葉片進行了傅里葉變換紅外光譜研究，表明番茄葉片的主要物質成分為蛋白質、多糖和脂類化合物。正常葉片與病害葉片的原始紅外光譜雖在蛋白質、多糖的特征吸收帶存在差異，但差異不明顯，二階導數(shù)相關性分析在1 750～1 500 cm-1和1 200～900 cm-1差異顯著。因此，通過紅外光譜技術結合相關性分析能鑒別不同的番茄病害葉片。正常番茄葉片與3種病害葉片二階導數(shù)光譜相關系數(shù)的差異表明病害影響了番茄葉片的物質成分的組分和（或）相對含量，同時3種病害葉片的二階導數(shù)光譜的相關性差異表明不同病害對番茄葉片物質成分的組分和（或）相對含量的影響不同。研究結果表明，傅里葉變換紅外光譜在鑒別番茄葉片病害種類和研究病害對番茄葉片主要物質成分的影響方面具有快速、便捷等優(yōu)點。

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