張偉龍,李雕,楊靜慧,李蕊,馮國華,王興,張超
土壤鹽堿對(duì)彩葉樹葉片主成分影響的紅外光譜分析
張偉龍1,李雕1,楊靜慧1,通信作者,李蕊1,馮國華2,王興2,張超3
(1. 天津農(nóng)學(xué)院 園藝園林學(xué)院,天津 300384 ;2. 天津市公路局直屬處,天津 300074;3. 天獅學(xué)院,天津 301700)
為快速鑒定彩葉植物在鹽堿地上的適應(yīng)性,以8種彩葉植物為試材,用傅里葉變換紅外光譜(FTIR)方法,研究不同鹽堿地對(duì)彩葉植物葉片主成分含量的影響。結(jié)果表明:彩葉樹葉片的主要成分為糖類、蛋白質(zhì)、脂類三大類物質(zhì)。隨著土壤鹽堿的加重,官能團(tuán)C――H、糖環(huán)所對(duì)應(yīng)的糖類物質(zhì)含量增加的為金葉槐、金葉女貞,下降的為金葉榆、紫葉矮櫻、紅葉碧桃、紫葉小檗;官能團(tuán)C――O、C――C所對(duì)應(yīng)的糖類物質(zhì)增加的為金葉女貞,下降的為紫葉李、紫葉矮櫻、紫葉小檗。紫葉矮櫻葉片中官能團(tuán)C――O所對(duì)應(yīng)的蛋白質(zhì)(酰胺Ⅲ帶)含量減少;金葉槐、金葉女貞、紫葉李、紫葉矮櫻、太陽李、紅葉碧桃官能團(tuán)C==O對(duì)應(yīng)的蛋白質(zhì)(酰胺Ⅰ帶)含量呈先增加后減少的趨勢(shì);金葉榆、紫葉矮櫻、紅葉碧桃葉片中中官能團(tuán)C――H對(duì)應(yīng)脂類物質(zhì)含量減少,紫葉小檗脂類物質(zhì)含量增加。
土壤鹽堿;彩葉樹;紅外光譜;耐鹽性
傅里葉變換紅外光譜技術(shù)是一種傳統(tǒng)的分子結(jié)構(gòu)分析手段,能夠反映出特定分子官能團(tuán)的振動(dòng)模式,具有較好的指紋特性[1]。由于操作簡(jiǎn)單、靈敏度高、無損、制樣簡(jiǎn)單、用樣少、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于石油、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、材料、化工等多個(gè)領(lǐng)域[2]。農(nóng)業(yè)上紅外光譜較多應(yīng)用于區(qū)分植物種類方面,王小龍[3]利用傅里葉變換紅外光譜法結(jié)合化學(xué)計(jì)量有效區(qū)分了不同稻谷和小米樣品。張方達(dá)[4]借助紅外光譜技術(shù)區(qū)分了7種酸枝木材。李雕等[5]比較金邊吊蘭和普通吊蘭的成分,發(fā)現(xiàn)紅外光譜技術(shù)可以用于植物品種鑒定。隨著研究深入,紅外光譜技術(shù)也開始用于草本植物耐鹽性研究。楊靜慧等[6]通過紅外光譜技術(shù)成功鑒定了青睞苜蓿和青睞苜蓿耐鹽突變體。任衛(wèi)波等[7]提出了一種用近紅外指紋光譜快速鑒別紫花苜蓿品種耐鹽性的方法。
目前,關(guān)于紅外光譜對(duì)彩葉樹對(duì)鹽堿土壤的適應(yīng)性研究報(bào)道較少。本文通過紅外光譜、二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜,分別對(duì)天津市不同鹽堿地區(qū)常見的8種彩葉植物葉片成分進(jìn)行了紅外光譜差異性分析,以期為彩葉樹耐鹽性的快速鑒定提供理論依據(jù)。
試驗(yàn)材料紫葉李、紫葉矮櫻、太陽李、紅葉碧桃、金葉榆、金葉槐、紫葉小檗、金葉女貞分別栽植于非鹽漬區(qū)(天津武清區(qū)陳咀鎮(zhèn)的天津市公路苗木繁殖中心苗圃,pH 7.0~7.6,總鹽量為0.12%~0.20%)、輕度鹽漬化區(qū)(天津西青區(qū)津靜路、海泰大道綠化帶,pH 7.8~8.8,總鹽量為0.22%~0.28%)和中度鹽漬化區(qū)(天津?yàn)I海新區(qū)津塘公路、東江路、河北路、泰華路綠化帶,pH 8.2~9.3,總鹽量為0.30%~0.60%)3個(gè)區(qū)域。紫葉小檗和金葉女貞為帶狀栽植,紫葉李、紫葉矮櫻、太陽李等小喬木栽植株行距3 m×3 m,其余樹種栽植株行距5 m×5 m。
通過S型取樣法每個(gè)樹種選擇15個(gè)植株,3次重復(fù)。選取上方枝條中部的成熟葉片,每株采集10片葉子。洗凈、烘干至恒重,研磨過200目篩,按樣品和溴化鉀1∶100的比例混合研磨、壓片,用傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR,F(xiàn)rontier型,光譜范圍4 000~400 cm-1)進(jìn)行紅外光譜掃描。
采用Excel 2007和SPSS19.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)測(cè)量指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
表1為8種彩葉樹葉片紅外光譜吸收峰對(duì)應(yīng)的官能團(tuán)和物質(zhì)。紫葉小檗在1 277 cm-1有由蛋白質(zhì)中C==O、C――O――C伸縮振動(dòng)所產(chǎn)生吸收峰;除金葉女貞、紫葉小檗外,其余樹種在1 313 cm-1處有由草酸鈣物質(zhì)中C――H伸縮振動(dòng)所產(chǎn)生的吸收峰。紅葉碧桃、太陽李、紫葉矮櫻、紫葉李在1 378 cm-1處有由纖維素、木質(zhì)素物質(zhì)(甲基、亞甲基、CH3剪式)伸縮振動(dòng)所產(chǎn)生的吸收峰;金葉榆在1 410 cm-1處有由羧酸類物質(zhì)中的OH伸縮振動(dòng)所產(chǎn)生的吸收峰;除金葉榆外其余樹種在 1 443 cm-1有由蛋白質(zhì)中苯環(huán)骨架振動(dòng)所產(chǎn)生的吸收峰;紅葉碧桃、太陽李、紫葉矮櫻、紫葉小檗、紫葉李在1 526 cm-1有由蛋白質(zhì)(酰胺Ⅱ區(qū))中N――H、C――N所產(chǎn)生的吸收峰;紫葉李在1 615cm-1有由蛋白質(zhì)中C==O雙鍵產(chǎn)生的吸收峰;在600、1 060、1 250、1 650、1 735、2 930、3 350 cm-1處,8種彩葉樹有對(duì)應(yīng)的吸收峰。綜合可知,8種彩葉樹葉片中均含有多糖、蛋白質(zhì)、脂類、羧酸類、草酸鈣、烷烴類、飽和烴類、有機(jī)鹵化物等成分,但紅葉碧桃、太陽李、紫葉矮櫻、紫葉李比其他彩葉樹具有更多的蛋白質(zhì)物質(zhì),紫葉小檗與金葉女貞比其他彩葉樹具有更多的脂類物質(zhì)。
表1 不同彩葉樹葉片紅外光譜吸收峰及其所對(duì)應(yīng)的物質(zhì)
注:表中(1)金葉榆;(2)金葉女貞;(3)金葉槐;(4)紅葉碧桃;(5)太陽李;(6)紫葉矮櫻;(7)紫葉小檗;(8)紫葉李
由表2可知,經(jīng)二階導(dǎo)數(shù)圖譜法處理后,重疊峰主要出現(xiàn)在600~2 000 cm-1波段,較一維紅外光譜,紫葉小檗多了10個(gè)吸收峰,金葉槐多了9個(gè)峰,金葉榆、金葉女貞多了8個(gè)峰,紅葉碧桃、太陽李、紫葉矮櫻、紫葉李多了7個(gè)吸收峰。從二階導(dǎo)數(shù)紅外圖譜中看到,7個(gè)共有的峰是708 cm-1的碳水化合物、773 cm-1的木質(zhì)素、832 cm-1的糖類、890 cm-1的蛋白質(zhì)、1 160 cm-1的脂類、1 375 cm-1的纖維素物質(zhì)、1 540 cm-1的蛋白質(zhì)(酰胺Ⅱ區(qū))。此外,金葉榆多了一個(gè)995 cm-1吸收峰(C==O糖類物),金葉槐多了954 cm-1(糖環(huán)骨架)、 1 015 cm-1(淀粉類物質(zhì))吸收峰,紫葉小檗多了970、1 604、1 786 cm-1吸收峰,(C==O糖類物、酚類分子苯環(huán)骨架和脂類)。6種喬木類彩葉樹在 1 315 cm-1處有C――H官能團(tuán)和草酸鈣物質(zhì)的吸收峰,而2種小灌木在此處無吸收峰,說明木本植物含草酸鈣多,灌木較少甚至沒有。
表2 二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜圖(600~2 000 cm-1)中不同彩葉樹葉片的吸收峰
從圖1A中可以看出,不同土壤鹽堿度對(duì)金葉榆葉片紅外光譜沒有影響。圖1B對(duì)金葉榆重疊峰波段600~1 960 cm1進(jìn)行二階導(dǎo)數(shù)處理,可以看出金葉榆二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜在峰位、峰型上基本一致,但峰強(qiáng)存在差異,896~920 cm-1雙峰、1 000 cm-1(糖類物質(zhì)糖環(huán)骨架、C――O伸縮振動(dòng)吸收峰)、1 320 cm-1(草酸鈣物質(zhì)中C――H伸縮振動(dòng)吸收峰)、1 390 cm-1(脂類物質(zhì)中C――H彎曲振動(dòng)峰)附近的吸收峰峰強(qiáng)度均隨著土壤鹽堿度的增加而減弱,說明土壤鹽堿度的增加會(huì)抑制金葉榆植物葉片中糖類、黃酮類、草酸鈣、脂類物質(zhì)的積累。
圖1 A. 不同鹽堿地金葉榆葉片紅外光譜圖(400~4 000 cm-1)B. 不同鹽堿地金葉榆葉片二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜圖(600~1 960 cm-1)
從圖2A可以看出,不同土壤鹽堿度對(duì)金葉槐葉片紅外光譜沒有影響。如圖2B對(duì)600~1 960 cm-1進(jìn)行二階導(dǎo)數(shù)處理后,峰強(qiáng)、峰型存在差異,從圖中可以看出,672 cm-1(碳水化合物物質(zhì)中 C――H彎曲振動(dòng)峰)附近的吸收峰隨著土壤鹽堿度的增加逐漸增加,說明土壤鹽堿度的增加會(huì)增加金葉槐植物葉片中糖類物質(zhì)的積累;1 320cm-1(草酸鈣物質(zhì)中C――H伸縮振動(dòng)吸收峰)附近的吸收峰隨著土壤鹽堿度的增加而減弱,說明土壤鹽堿度的增加會(huì)抑制金葉槐植物葉片中草酸鈣物質(zhì)的積累;1 450 cm-1(苷類物質(zhì)中芳環(huán)骨架振動(dòng)吸收峰)附近的吸收峰隨著鹽堿度的增加,峰強(qiáng)減弱;1 520 cm-1(蛋白質(zhì)酰胺Ⅱ帶物質(zhì)中(N――H)彎曲振動(dòng)吸收峰)附近的吸收峰隨著鹽堿度的增加,峰強(qiáng)也隨著增強(qiáng);1 660 cm-1(蛋白質(zhì)酰胺Ⅰ帶物質(zhì)中酰胺鍵C==O伸縮振動(dòng)吸收峰)附近的吸收峰會(huì)隨著鹽堿度的增加,峰先變寬,后變窄,說明土壤鹽堿度增加會(huì)改變金葉槐植物葉片中蛋白質(zhì)類物質(zhì)含量。
圖2 A. 不同鹽堿地金葉槐葉片紅外光譜圖(400~4 000 cm-1)B. 不同鹽堿地金葉槐葉片二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜圖(600~1 960 cm-1)
從圖3A可以看出,不同土壤鹽堿金葉女貞葉片紅外光譜圖只有1 730 cm-1附近的吸收峰的峰強(qiáng)存在差異,中度鹽堿地與非鹽堿地上1 730 cm-1附近的吸收峰強(qiáng)于輕度鹽堿地。非鹽堿地葉片中脂類物質(zhì)的含量低于輕度、中度鹽堿地。二階導(dǎo)數(shù)圖譜看出峰位一致,峰型與峰強(qiáng)存在差異,704 cm-1(淀粉中糖環(huán)振動(dòng)吸收峰)、952 cm-1(蔗糖中C==O伸縮振動(dòng)吸收峰)、附近的吸收峰隨著鹽堿度的增加,峰強(qiáng)也隨著增強(qiáng),說明土壤鹽堿增加會(huì)增加金葉女貞植株葉片中糖類物質(zhì)的積累。1 620 cm-1(芳香環(huán)骨架振動(dòng)吸收峰)附近的吸收峰隨著鹽堿度的增加,峰型變窄,峰強(qiáng)變強(qiáng),說明土壤鹽堿度的增加會(huì)增加金葉女貞植株葉片中蛋白質(zhì)類物質(zhì)的積累。
圖3 A. 不同鹽堿地金葉女貞葉片紅外光譜圖(400~4 000 cm-1)B. 不同鹽堿地金葉女貞葉片二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜圖(600~1 960 cm-1)
從圖4可以看出,不同土壤鹽堿紫葉李紅外光譜圖只有1 250 cm-1(蛋白質(zhì)酰胺Ⅲ區(qū)C――N、C――O伸縮振動(dòng)所產(chǎn)生的吸收峰),1 320 cm-1(草酸鈣物質(zhì)中C――H伸縮振動(dòng)所產(chǎn)生的吸收峰)附近的吸收峰的峰型、峰強(qiáng)存在差異,且隨著鹽堿濃度的增加,峰強(qiáng)逐漸變變?nèi)酰f明土壤鹽堿度會(huì)改變紫葉李葉片中蛋白質(zhì)、碳酸鈣物質(zhì)的代謝。從二階導(dǎo)數(shù)看出,960、1 030、1 320 cm-1附近的吸收峰的峰強(qiáng)隨著土壤鹽堿度的增加而減弱,說明土壤鹽堿度的增加會(huì)抑制糖類、草酸鈣物質(zhì)在紫葉李葉片中的積累;1 640 cm-1附近的吸收峰在中度鹽堿地、非鹽堿地峰型、峰強(qiáng)一致,但輕度鹽堿地峰強(qiáng)變?nèi)?,峰型變寬,說明輕度鹽堿對(duì)紫葉李植株葉片中蛋白質(zhì)含量有影響。
圖4 A. 不同鹽堿地紫葉李葉片紅外光譜圖(400~4 000 cm-1)B. 不同鹽堿地紫葉李葉片二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜圖(600~1 960 cm-1)
從圖5中可以看出,不同鹽堿地紫葉矮櫻1 250、1 320、1 530 cm-1峰強(qiáng)存在差異,3處的吸收峰隨著土壤鹽堿地的降低,峰強(qiáng)先升高后減弱,尤其是蛋白質(zhì)物質(zhì)所對(duì)應(yīng)的吸收峰。二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜,780、822、888、960、1 030、1 100、1 160、1 240、1 320、1 380、1 650 cm-1附近的吸收峰的峰強(qiáng)均隨著土壤鹽堿度的降低而增強(qiáng),其中960 cm-1附近的吸收峰在中度鹽堿地上沒有,1 100 cm-1附近的吸收峰只有非鹽堿地有??梢钥闯鐾寥利}堿度對(duì)紫葉矮櫻葉片的主要成分都有影響,表明紫葉矮櫻對(duì)土壤鹽堿地變化反應(yīng)較大,比較敏感。
從圖6中可以看出,不同鹽堿地太陽李葉片的紅外光譜非鹽堿地比中度鹽堿地和輕度鹽堿地多了一個(gè)1 312 cm-1吸收峰。二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜中可以看出峰型與峰強(qiáng)存在差異。774、965、1 030、1 320 cm-1附近的吸收峰隨著土壤鹽堿度的增加峰強(qiáng)變?nèi)?,說明隨土壤鹽堿度的增加會(huì)抑制太陽李葉片中糖類、草酸鈣物質(zhì)的積累;1 650 cm-1附近的吸收峰在非鹽堿地與中度鹽堿地基本一致,輕度鹽堿地峰型變寬,峰強(qiáng)減弱,說明輕度鹽堿對(duì)紫葉李植株葉片中蛋白質(zhì)含量有影響。
圖6 A. 不同鹽堿地太陽李葉片紅外光譜圖(400~4 000 cm-1)B. 不同鹽堿地太陽李葉片二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜圖(600~1 960 cm-1)
從圖7可以看出,不同鹽堿地紅葉碧桃葉片紅外光譜,只有兩個(gè)吸收峰1 320、1530 cm-1的峰強(qiáng)有一點(diǎn)差異,這兩個(gè)吸收峰隨著土壤鹽堿度的減弱而增強(qiáng)。二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜圖看出,820、872 cm-1片中官能團(tuán)C――H、糖環(huán)所對(duì)應(yīng)的糖類物質(zhì)附近的吸收峰隨著鹽堿度的增加峰強(qiáng)逐漸減弱,說明土壤鹽堿度的增加會(huì)抑制紅葉碧桃植株葉片中官能團(tuán)C――O、C――C糖類物質(zhì)的積累;1 320、1 380 cm-1附近的吸收峰隨著土壤鹽堿度的增加而減弱,說明土壤鹽堿度的增加會(huì)抑制草酸鈣、脂類物質(zhì)在紅葉碧桃葉片中的積累;1 660 cm-1附近的吸收峰隨著土壤鹽堿度的減弱峰強(qiáng)逐漸增強(qiáng),說明輕度鹽堿對(duì)紅葉碧桃植株葉片中蛋白質(zhì)含量有影響。
圖7 A.不同鹽堿地紅葉碧桃葉片紅外光譜圖(400~4 000 cm-1)B.不同鹽堿地紅葉碧桃葉片二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜圖(600~1 960 cm-1)
從圖8可以看出,不同鹽堿地紫葉小檗葉片的紅外光譜圖差異較小。二階導(dǎo)數(shù)圖譜差異較大,904、976、1 040、1 120、1 160 cm-1附近的吸收峰隨著鹽堿度的增加峰強(qiáng)逐漸變?nèi)酰f明土壤鹽堿度的增加會(huì)抑制紫葉小檗葉片中糖類物質(zhì)的積累;1 380、1 730、1 790 cm-1附近的吸收峰的峰型隨著鹽堿度的增加峰型變窄,峰強(qiáng)變強(qiáng),說明土壤鹽堿度的增加會(huì)增加紫葉小檗葉片中脂類物質(zhì)的 積累。
圖8 A. 不同鹽堿地紫葉小檗葉片紅外光譜圖(400~4 000 cm-1)B. 不同鹽堿地紫葉小檗葉片二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜圖(600~1 960 cm-1)
程士超等[8]、Guo等[9]、Qu等[10]、邱璐等[11]均認(rèn)為利用紅外光譜可以進(jìn)行植物葉片成分研究。本文通過一維和二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜綜合分析得出,彩葉樹葉片中主要成分為糖類、蛋白質(zhì)、脂類三大類物質(zhì),有的品種還含有一些草酸鈣、羧酸類物質(zhì),與前人研究一致[12-13]。
植物細(xì)胞內(nèi)糖類和脂類物質(zhì)的積累有利于植株適宜鹽堿脅迫[14-15]。本試驗(yàn)中金葉槐、金葉女貞、紫葉小檗耐鹽堿性較強(qiáng),與趙丹華[15]、黃妍等[16]研究一致。不同鹽堿地上彩葉樹葉片中主成分物質(zhì)變化不一樣,可能與植物應(yīng)對(duì)土壤鹽堿脅迫的方式不同有關(guān)。有的植物是通過調(diào)節(jié)糖類代謝,有的植物是通過調(diào)節(jié)脂類代謝等來應(yīng)對(duì)鹽堿脅迫,還有的可能通過調(diào)節(jié)一些微量物質(zhì)來應(yīng)對(duì)脅迫。由于植物的生理較復(fù)雜,植物如何應(yīng)對(duì)土壤鹽堿脅迫的內(nèi)在機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。
本研究還發(fā)現(xiàn)了各彩葉植物都有其特異的吸收峰,如金葉榆在995 cm-1、紫葉小檗在1 277cm-1各有一個(gè)獨(dú)有的吸收峰,這些都可作為彩葉樹品種特性,用于品種識(shí)別和鑒定。
紅外光譜圖和二階導(dǎo)數(shù)圖譜分析顯示,彩葉樹葉片中主要成分為糖類、蛋白質(zhì)、脂類三大類物質(zhì)。糖類物質(zhì)中官能團(tuán)所對(duì)應(yīng)的吸收峰的峰強(qiáng)隨著土壤鹽堿度的增加而降低(除金葉槐、金葉女貞外),脂類物質(zhì)也隨之降低(除紫葉小檗),而蛋白質(zhì)類則先增加后降低??蓪⑷~片內(nèi)這些主成分作為植物耐鹽性指標(biāo),為評(píng)價(jià)彩葉植物在鹽堿地的適應(yīng)性提供依據(jù)。
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Infrared spectroscopy analysis of effects of different soil salinity on salt tolerance of 8 color-leaf trees
ZHANG Wei-long1, LI Diao1, YANG Jing-hui1,Corresponding Author, LI Rui1, FENG Guo-hua2, WANG Xing2, ZHANG Chao3
(1. College of Horticulture and Landscape, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China; 2.Tianjin Municipal Highway Bureau,Tianjin 300074, China; 3. Tianshi College, Tianjin 301700, China)
In order to quickly identify the adaptability of color-leaf plants on saline-alkali soil, eight kinds of colorful leaf plants were used as materials to study the effects of different saline-alkali soils on the main components of color-leaf leaves. The results showed that the main components of the leaves ofwere sugar, protein and lipid. With the increase of soil salinity, the content of carbohydrates corresponding to functional group C――H and sugar ring increased byand, and decreased bycv ‘Jinye’,×N,f, andvar; The increase of the carbohydrates corresponding to functional group C――O and C――C is in the, and the drop is in,×N, andvar. The content of the protein(amide Ⅲ band)corresponding to the functional group C――O in the×N. decreased; the protein corresponding to the functional group C==O of the,,×N,f,var. andincreased firstly and then decreased. The content of lipids in the functional group C――H of thecv Jinye,×N andf. decreased, and the content ofvar. increased.
soil saline; color-leaf trees; infrared spectroscopy; salt tolerance
1008-5394(2020)03-0007-07
10.19640/j.cnki.jtau.2020.03.002
S687.36
A
2019-11-25
天津市林果現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(ITTFPRS2018002);天津市科學(xué)技術(shù)局特派員項(xiàng)目(17ZXBFNC00310);天津市重大農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣項(xiàng)目(2017CK0184)
張偉龍(1993-),男,碩士在讀,主要從事園藝植物栽培生理研究。E-mail:18322711826@163.com。
楊靜慧(1961-)女,教授,博士,主要從事園藝植物栽培和生理生化研究。E-mail:jinghuiyang2@aliyun.com。
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