硒处理下紫云英二维红外相关光谱与主成分分析

袁菊红,胡绵好

(1.江西财经大学环境与植物科学研究所,江西 南昌　330032;2.江西财经大学鄱阳湖生态经济研究院,江西 南昌　330032)



硒处理下紫云英二维红外相关光谱与主成分分析

袁菊红1,胡绵好2①

(1.江西财经大学环境与植物科学研究所,江西 南昌330032;2.江西财经大学鄱阳湖生态经济研究院,江西 南昌330032)

摘要：利用傅里叶变换红外光谱、二维红外相关光谱法和主成分分析方法研究不同硒处理(0、0.2、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、5.0 mg·L-1)对紫云英地上和地下部物质成分变化的影响，探讨不同浓度硒处理下紫云英化学成分的光谱学差异及微观动力学变化。结果表明：紫云英地上和地下部吸收峰峰形基本没有变化，但吸光度变化较大，说明不同浓度硒对紫云英化学成分改变较小，但对其含量改变较大；紫云英地下部─OH、C─OH和O基团和地上部O、─OH和─COO基团吸收峰位移变化明显，说明不同浓度硒处理对这些基团有明显影响，它们可与硒的吸收、络合和运输密切相关；紫云英在890～1 750 cm-1区域内基团之间有很强的协同作用或强烈的相互作用，其二维红外相关光谱图差异明显，这表明二维红外相关分析能提供更丰富的结构信息，提高图谱的分辨率，并能捕捉到浓度变化过程中物质体系和分子结构的动态变化，为重金属胁迫下植物耐性机制研究提供有效方法。

关键词：硒处理;紫云英;傅里叶变换红外光谱;二维红外相关光谱法;主成分分析

硒(Se)是人和动物必需的微量元素,具有抗衰老、抗癌和解毒等作用,是植物生长发育所需的有益元素,对植物抗氧化、抗逆性、拮抗外界重金属污染和参与植物新陈代谢等有重要作用[1]。自1932 年从植物中检测出Se以来[2],高等植物Se领域的研究无论从广泛性还是从深度性都比动物和人体健康领域的研究落后,然而环境无机Se通过高等植物的同化作用进入生命有机体系中,且植物中Se的生物有效性不仅比动物Se产品要高,其有机Se也比无机Se安全有效,所以植物Se是决定食物链中Se水平的重要环节。但植物体内Se含量与环境中Se含量和形态、植物种类及其生长环境有一定关系,加之Se是一种两性元素,正常营养与中毒剂量之间的范围很窄,在一定浓度范围内有利于植物的生长,过量则会抑制植物生长,甚至导致植物死亡[3-5]。因此,开展植物耐Se性及富Se能力、施Se量及其产品中Se水平的调控研究对充分发挥Se在土壤-植物系统中的植物-动物-人类食物链中的作用具有重要的现实意义。

傅里叶变换红外光谱(fourier transform infrared spectrometer,FTIR)是一种基于化合物中官能团和极性键振动的结构分析技术,可帮助判断分子中含有何种官能团,更重要的是可比较不同样品的红外光谱差异,从而反映样品在植物化学组成上的差异程度,已被广泛应用于大分子化合物结构分析及蛋白质的二级结构解析[6-8]。二维红外相关光谱法(two dimensional infrared correlation spectroscopy)是建立在以一定形式外扰条件下对红外信号的时间分辨检测基础之上的一种较为新型的光谱分析技术,是研究功能基团动态结构变化和分子内、分子间相互作用的强有力手段[9]。近年来,二维红外相关光谱的扩展提高了红外光谱的分辨率,增强了其谱图的识别能力,因外扰(如温度、压力、浓度、反应时间、磁场等)引起的细微特征光谱变化更加受到广泛关注。

紫云英(Astragalussinicus)是豆科黄芪属一年或越年生草本植物,是重要的冬季绿肥作物,不仅具有农用、食用、药用价值和富Se特性等[10],还具有改良土壤、提升土壤肥力、增加土壤有机质含量、减少土壤重金属含量[11]、提高种植区食物链中Se含量和保护农业生产环境的作用。目前我国大多数地区种植的紫云英,主要用于绿肥生产、花卉观赏及其富Se食品的开发[10]。虽然有关紫云英的富Se特性[12],外源Se对紫云英品质、产量[13]，以及紫云英体内Cu、Zn和Pb重金属的胁迫效应[14]等方面的研究已有报道,但有关外源Se浓度与紫云英不同组织器官化学组分光谱变化的关系的研究却鲜见报道。因此,笔者在前期研究[15]基础上,利用 FTIR、二维红外相关光谱技术和主成分分析(PCA)方法,深入探讨不同浓度Se处理紫花苜蓿各器官的化学组分差异及其微观动力学机理,以期为牧草富Se和耐Se机制研究提供新的方法和思路,为富Se紫云英在农业生态环境和预防Se缺乏、促进健康等的综合开发利用方面提供理论参考。

1材料与方法

1.1植物预处理及试验设计

紫云英(Astragalussinicus)种子购自江西省南昌市花鸟市场。试验于2013年10月在江西财经大学江西省生态环境实验中心进行。挑选大小均匀饱满的紫云英种子100粒,用w为0.1%的HClO 溶液消毒 10 min,用水洗净,均匀播种在装有沙子的育苗盘中,在室内条件下培养,待小苗长出第 2 片真叶时,挑选长势一致的幼苗,移入水培装置中,每盆 4束苗 (15株·束-1),先用自来水培养2周,待长出2～3片营养叶，根长达5 cm时,挑选长势一致的幼苗,用w为25%的霍格兰氏(Hoagland) 营养液预培养1周,再在w为50%的营养液中培养1周,最后在全营养液中培养2周后再更换为不同浓度 Se 的培养液进行处理。

添加Na2SeO3到营养液中,设置8个Se浓度梯度:0、0.2、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5和5.0 mg·L-1。试验在室内进行,每处理24株苗,3次重复。试验期间每天补水1次,5 d换1次营养液,所有处理溶液的 pH 值控制在6.5 ± 0.1,处理18 d后收获紫云英植株,将其分成地上部(包括茎、叶)和地下部(根)2个部分,然后在105 ℃的鼓风干燥箱中杀青30 min,在65 ℃条件下烘干至恒重后用于红外光谱测定。

1.2测定方法

将烘干的紫云英地上部和地下部样品磨碎至粉末状,过0.150 μm孔径筛后置于50 ℃ 烘箱中烘至恒重。准确称取1.000 mg样品与KBr充分混合,其质量比为1∶200,压片测定。测定仪器为傅里叶变换红外光谱仪(Nicolet FTIR-570)和DTGS检测器,扫描范围400~4 000 cm-1,分辨率4 cm-1,扫描累加32次。每个处理样本制备9个锭片,每个锭片采集6张图谱,取其平均图谱作为最后的样品图谱。

1.3数据分析

用 OMNICE. S. P. 5.1同步智能软件进行ATR校正,每个处理样品测定前均对背景进行测定,得到紫云英在不同Se浓度处理下地上部和地下部的FTIR一维分析图谱,并根据吸收峰的吸光度值筛选特征峰,用SPSS 19.0软件对特征峰进行主成分分析,采用2D Shige软件和Origin 8.5软件对红外谱图进行二维相关分析。

根据吸收峰吸光度值的特点筛选出6个比较典型的吸收峰,以不同浓度硒处理的紫云英为对象,以不同波数段上的吸光度值为指标,构建原始数据矩阵。将原始数据矩阵中的吸光度值转化为成分比例后,应用SPSS 19.0软件对数据进行主成分分析(principal component analysis,PCA),得到表征不同浓度硒处理下紫云英FTIR特征峰的相关性。

2结果与讨论

2.1不同浓度硒处理对紫云英一维红外光谱的影响

对不同浓度Se处理紫云英地上和地下部FTIR进行分析,结果表明,各组分在不同浓度Se处理的峰形基本保持不变,只有某些参与重金属吸附官能团的吸收峰发生了不同程度的位移,没有参与重金属吸附官能团的吸收峰位移均较小。变化较明显的有羟基(3 381～3 743 cm-1)、羧基(1 381～1 442 cm-1)和酰胺基(1 620～1 643和1 245～1 270 cm-1)等吸收峰,这表明—OH可能与Se的吸收、络合有关;也表明不同浓度Se处理可能导致紫云英的孤立羧基(—COOR)和蛋白质结构或含量发生变化。该研究结果与曾峰等[8]对空心莲子草、落葵和菊苣在高浓度U胁迫下的研究结果相似。

ρ(Se)/(mg·L-1):a—0; b—0.2; c—0.5; d—1.0; e—1.5; f—2.0; g—2.5; h—5.0。

图1不同浓度硒处理下紫云英地上部和地下部的FTIR 图谱

Fig.1FTIR spectra of shoots and roots ofA.sinicusrelative to concentration of Se in treatment

2.2不同浓度硒处理紫云英FTIR一维光谱特征峰的PCA分析

2.2.1地下部FTIR一维光谱特征峰的PCA分析

由表1可知,紫云英地下部FTIR主要特征峰之间的相关性很高。在KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)和Bartlett球形检验中,一般KMO值大于0.9时效果最佳,0.7以上可以接受,0.5以下不宜作因子分析。该研究中,KMO值为0.807,说明可进行因子分析;Bartlett检验的F值等于0.000,表明主要特征峰之间存在显著相关性。

由表2可知,第1个主成分累积百分率就达97.404%,表明第1个主成分就可代表全部因子97.404%的综合信息,后5个主成分仅反映Se 胁迫下紫云英地下部FTIR主要特征峰变化的2.596%信息。因此,第1个主成分为反映Se 胁迫下紫云英地下部FTIR特性的重要主成分。

表1硒胁迫下紫云英地下部FTIR特征峰强度的相关系数

Table 1Correlation matrix of the characteristic peak intensity in the FTIR spectra of the roots ofA.sinicusunder Se stress

特征峰强度A1620.16A1393.18A3381.78A2922.90A1265.15A1077.52A3416.021.000A2927.050.990***1.000A1631.970.990***0.989***1.000A1393.260.960***0.963***0.988***1.000A1255.840.973***0.986***0.993***0.991***1.000A1030.300.955***0.978***0.948***0.914***0.954***1.000

***表示在0.001水平上显著相关。

表2硒胁迫下紫云英地下部FTIR特征峰强度的主成分解释的总方差

Table 2Total variance explained with PCA of the characteristic peak intensity in the FTIR spectra of the roots ofA.sinicusunder Se stress

主成分特征值百分率/%累积百分率/%10.03797.40497.40420.0011.89699.30030.0000.61799.91742.379×10-50.06399.98055.527×10-60.01599.99462.232×10-60.006100.000

表3是硒胁迫下紫云英地下部FTIR特征峰强度成分和成分得分系数。由于主成分是由6个指标组成,根据表3中成分得分系数及变量的观测值可计算因子得分,函数式如下:

f1=0.261x1+0.122x2+0.204x3+0.110x4+0.056x5+0.260x6。

(1)

表3硒胁迫下紫云英地下部FTIR特征峰强度成分和成分得分系数

Table 3Component matrix and component score coefficient matrix of the characteristic peak intensity in the FTIR spectra of the roots ofA.sinicusunder Se stress

特征峰强度成分(成分1)成分得分系数(成分1)A2927.050.0670.122A1631.970.0870.204A3416.020.0980.261A1255.840.0450.056A1030.300.0970.260A1393.260.0630.110

2.2.2地上部FTIR一维光谱特征峰的PCA分析

由表4可知,紫云英地上部FTIR主要特征峰之间的相关性也很高。根据KMO和Bartlett 统计,该研究中KMO值为0.725,可进行因子分析,且Bartlett检验的F值等于0.000,说明主要特征峰之间也存在显著相关性。由表5可知,第1个主成分累积百分率达99.57%,说明第1个主成分可代表全部因子99.57%的综合信息,后5个主成分仅反映Se胁迫对紫云英地上部FTIR主要特征峰的0.43%信息。因此,第1个主成分为反映Se 胁迫下紫云英地上部FTIR特性的重要主成分。

表4硒胁迫下紫云英地上部FTIR特征峰强度的相关系数

Table 4Correlation matrix of the characteristic peak intensity in the FTIR spectra of the shoots ofA.sinicusunder Se stress

特征峰强度A1620.16A1393.18A3381.78A2922.90A1265.15A1077.52A1620.161.000A1393.180.996***1.000A3381.780.995***0.994***1.000A2922.900.993***0.996***0.998***1.000A1265.150.996***0.997***0.995***0.995***1.000A1077.520.990***0.993***0.995***0.992***0.995***1.000

***表示在0.001水平上显著相关。

表5硒胁迫下紫云英地上部FTIR特征峰强度的主成分解释的总方差

Table 5Total variance explained with PCA of the characteristic peak intensity in the FTIR spectra of the shoots ofA.sinicusunder Se stress

主成分特征值百分率/%累积百分率/%10.04399.57099.57028.423×10-50.19499.76434.847×10-50.11199.87544.340×10-50.10099.97558.427×10-60.01999.99562.358×10-60.005100.000

表6是硒胁迫的紫云英地上部FTIR特征峰强度成分和成分得分系数。由于主成分是由6个指标组成,根据表6中成分得分系数及变量观测值可计算因子得分,函数式如下:

f1=0.277x1+0.176x2+0.251x3+0.137x4+0.05x5+0.110x6。

(2)

表6硒胁迫下紫云英地上部FTIR特征峰强度成分和成分得分系数

Table 6Component matrix and component score coefficient matrix of the characteristic peak intensity in the FTIR spectra of the shoots ofA.sinicusunder Se stress

特征峰强度成分(成分1)成分得分系数(成分1)A3381.780.1040.251A1265.150.0470.050A1393.180.0870.176A1620.160.1100.277A2922.900.0770.137A1077.520.0690.110

2.3不同浓度硒处理对紫云英FTIR一维光谱主要特征峰变化的影响

2.3.1对地下部FTIR一维光谱主要特征峰变化的影响

植物在受到低浓度重金属胁迫时,可通过提高自身可溶性糖含量来保持蛋白质的水和度,防止原生质脱水,平衡胞质与胞间的渗透压,减轻质膜受害的程度,从而增强自身的抗逆性[23]。由图2可知,紫云英地下部FTIR主要特征峰变化趋势基本一致,即随着Se浓度的升高,特征峰均呈现升高—降低—升高—降低的趋势,ρ(Se)为0.5 mg·L-1时特征峰吸光度达最大值,而ρ(Se)为2.0 mg·L-1时特征峰吸光度为最小。其中,3 418.02 cm-1附近主要来自紫云英根中O—H的典型缔合和蛋白质、氨基酸N—H的振动叠加,反映紫云英根中碳水化合物、蛋白质和脂肪酸等对光谱的贡献。随Se处理浓度的增加,A3 416.02呈先升后降的趋势,这说明低浓度Se处理紫云英根通过提高所含的自由羧基数量参与Se离子的吸附和结合,减轻Se的毒害。随着Se胁迫浓度的增加,紫云英根系伤害加重,根细胞壁所含的果胶甲基化程度升高,吸光度下降。植物细胞通过对重金属离子的束缚和络合以提高植物对重金属的耐性,而植物细胞壁对重金属离子的结合能力主要取决于细胞壁所含果胶中自由羧基的含量,果胶的甲基化程度降低可提高自由羧基的含量和增加细胞壁的阳离子交换能力,从而提高植物吸附重金属的能力[24]。

波数2 927.05 cm-1附近归属于膜及细胞壁组织的脂类物质中—CH2的振动,其与丙二醛(MDA)含量呈负相关关系[25]。A2 927.05随着Se浓度的增加而上升,但当ρ(Se)>0.5 mg·L-1时增加Se处理浓度反而使其下降。这可能是由于植物体内合成的脂类物质对细胞膜和细胞壁巩固及修复能力下降,膜脂过氧化程度加剧,从而使丙二醛含量不断增加,2 927.05 cm-1峰的吸光度下降。1 393.26 cm-1附近的为—COO的伸缩振动,主要是脂肪酸吸收区;A1 393.26值变化趋势与A2 927.05相似,说明当ρ(Se)≤0.5 mg·L-1时,根细胞膜的脂肪酸含量增加,MDA含量下降;当ρ(Se)>0.5 mg·L-1时,膜脂过氧化程度加剧,脂肪酸含量下降,MDA含量增加,最终致使2 927.05和1 393.26 cm-1峰谱带发生相应的变化。

波数1 631.97 和1 255.84 cm-1附近分别为蛋白质酰胺Ⅰ带和Ⅲ带的振动峰,主要代表蛋白质的变化[25]。A1 631.97和A1 255.84随Se处理浓度升高呈先升高后降低的变化趋势。蛋白质、氨基酸和多肽类物质是紫云英根部响应Se胁迫的根系分泌物,低浓度下Se诱导了这类物质的合成和分泌,参与Se络合作用以降低细胞内Se的浓度,从而减轻Se对植物的毒害,吸光度上升;Se浓度过高则抑制了该类物质的合成,致使吸光度下降。

波数1 030.30 cm-1附近主要是多糖及其糖苷的C—O特征吸收峰[22],其与碳水化合物的含量成正相关[25]。紫云英地下部A1 030基本呈现先升高后下降再上升的趋势,其中在ρ(Se)为0.5 mg·L-1处理的紫云英地下部A1 030达最大值。这表明当ρ(Se)≤0.5 mg·L-1时,紫云英通过地下部碳水化合物含量的提高来增强其耐Se性;当ρ(Se)>0.5 mg·L-1时,超过了紫云英的耐Se限度,随着Se浓度的增加及毒害的加剧,碳水化合物的合成及运输受到抑制,致使其含量下降。李延真等[7]对油菜的Cd胁迫研究中也得到了类似的结果。

图2不同浓度硒胁迫下紫云英地下部FTIR 特征峰强度变化

Fig.2Change in characteristic absorption peak intensity in the

FTIR spectra of the roots ofA.sinicusrelative to Se concentration in treatment

2.3.2对地上部FTIR一维光谱主要特征峰变化的影响

波数3 381.78 cm-1左右强而宽的谱带是典型的缔合OH伸缩振动吸收,以及蛋白质、氨基酸、核酸、维生素等物质中N—H键的伸缩振动吸收的叠加,这里主要反映紫云英地上部所含蛋白质、核酸等大分子在光谱中的贡献。2 922.90 cm-1主要反映膜脂和细胞壁果胶中常见的酯类化合物的吸收峰,其峰高变化与细胞膜的过氧化程度有关,反映膜的透性。1 393.18 cm-1附近的为—COO的伸缩振动,主要反映脂肪酸吸收区。1 620.16 和1 265.15 cm-1是与蛋白质相关的特征峰,其峰高变化可反映可溶性蛋白含量或某些游离氨基酸的变化趋势。1 077.52 cm-1附近是与细胞可溶性糖相关的特征峰,其峰高变化可反映可溶性糖含量的变化趋势。由图3可知,紫云英地上部FTIR主要特征峰变化随着Se浓度的升高,特征峰均呈现降低—升高—降低的趋势,在ρ(Se)为1.5 mg·L-1时特征峰吸光度达最大值;而在ρ(Se)为1.0 mg·L-1时,特征峰吸光度为最小。这可能是由于低浓度Se处理(ρ<1.0 mg·L-1),紫云英地上部细胞膜脂过氧化程度及膜透性减小,紫云英的生长良好,叶片合成有机物的能力及向下运输的能力增强,加之Se主要积累于根系,仅少量Se向上运输、转运和积累,因此紫云英地上部合成的可溶性糖向下运输,致使其含量降低,而地下部吸收的N、P等营养物质向上运输降低,从而致使蛋白质和核酸等含量降低,而当Se处理浓度升高(>1.0 mg·L-1)时,紫云英生长受阻和Se在地上部的逐渐积累,从而使紫云英地上部蛋白质、核酸和可溶性糖含量出现升高再降低趋势。

2.4不同浓度硒处理对紫云英二维红外相关光谱的影响

2.4.1对地下部二维红外相关光谱的影响

二维同步谱图中,在对角线上出现的相关峰为自相关峰(强度为正),其大小代表了光谱强度在扰动作用下动态涨落的总程度,在一定程度上可以反映外扰对不同基团影响的大小。对角线以外的相关峰为交叉峰(强度有正有负),代表在不同波数上光谱信号的同步变化,是不同官能团振动同时取向而产生的,这种分子微观结构运动的同步性表明基团之间有很强的协同作用或者可能存在着强烈的相互作用。

图3不同浓度硒胁迫下紫云英地上部FTIR 特征峰强度变化

Fig.3Change in characteristic absorption peak intensity in the FTIR

spectra of the shoots ofA.sinicusrelative to Se concentration in treatment

由图4可知,ρ(Se)为0 mg·L-1处理的紫云英(对照)地下部在对角线上出现3个自动峰,分别在1 030.30、1 393.26和1 631.97 cm-1附近,其中1 631.97 cm-1附近的峰较强;在对角线两边(1 393.26 cm-1,1 030.30 cm-1)处出现1个正交叉峰,(1 631.97 cm-1,1 393.26 cm-1)和(1 631.97 cm-1,1 030.30 cm-1)处出现2个负交叉峰。ρ(Se)为0.2 mg·L-1时,在对角线上1 030.30 cm-1附近出现一个较强自动峰,在对角线两边(1 631.97 cm-1,1 030.30 cm-1)处出现1个负交叉峰。

根据读谱规则[26-28]可知,1 631.97和1 030.30 cm-1吸收峰强度在Se浓度提高时发生了相反方向的变化,其中1 631.97 cm-1处吸收峰强度增加,而1 030.30 cm-1处吸收峰强度减小。ρ(Se)为0.5 mg·L-1时,在对角线上出现3个自动峰,分别在1 030.30、1 393.26和1 631.97 cm-1附近,其中1 030.30 cm-1附近的峰较强;在对角线两边(1 631.97 cm-1,1 030.30 cm-1)、(1 631.97 cm-1,1 393.26 cm-1)和(1 393.26 cm-1,1 030.30 cm-1)处出现3个正交叉峰。ρ(Se)为1.0 mg·L-1时,在对角线上出现2个自动峰,分别在1 030.30和1 631.97 cm-1附近,其中1 030.30 cm-1附近的峰较强;在对角线两边(1 631.97 cm-1,1 030.30 cm-1)处出现1个正交叉峰和(1 393.26 cm-1,1030.30 cm-1)处出现1个负交叉峰。ρ(Se)为1.5 mg·L-1时,在对角线上出现2个自动峰,分别在1 030.30和1 631.97 cm-1附近,其中1 030.30 cm-1附近的峰较强;在对角线两边(1 631.97 cm-1,1 030.30 cm-1)和(1 393.26 cm-1,1 030.30 cm-1)处出现2个负交叉峰。ρ(Se)为2.0 mg·L-1时,在对角线上出现5个自动峰,分别在948.82、1 147.76、1 393.26、1 500.37 和1 631.97 cm-1附近,其中1 393.26 cm-1附近的峰较强;在对角线两边(1 631.97 cm-1,1 393.26 cm-1)、(1 631.97 cm-1,1 147.76 cm-1)、(1 393.26 cm-1,1 147.76 cm-1)和(1 393.26 cm-1,948.82 cm-1)处出现4个正交叉峰,(1 631.97 cm-1,948.82 cm-1)和(1 393.26 cm-1,1 631.97 cm-1)处出现2个负交叉峰。ρ(Se)为2.5 mg·L-1时,在对角线上出现2个自动峰,分别在1 030.30和1 631.97 cm-1附近,其中1 030.30 cm-1附近的峰较强;在对角线两边(1 631.97 cm-1,1 030.30 cm-1)和(1 449.72 cm-1,1 030.30 cm-1)处出现2个负交叉峰。ρ(Se)为5.0 mg·L-1时,在对角线上出现2个自动峰,分别在1 030.30和1 393.26 cm-1附近,其中1 030.30 cm-1附近的峰较强;在对角线两边(1 608.37 cm-1,1 393.26 cm-1)、(1 608.37 cm-1,1 030.30 cm-1)、(1 393.26 cm-1,1 608.37 cm-1)和(1 393.26 cm-1,1 030.30 cm-1)处出现4个正交叉峰。

图4　不同浓度硒处理下紫云英地下部二维同步相关图谱

对照处理紫云英地下部较强峰在1 631.97 cm-1附近,而不同浓度Se处理较强峰除ρ(Se)为2.0 mg·L-1处理的紫云英地下部出现在1 393.26 cm-1附近外,其他处理较强峰主要出现在1 030.30 cm-1附近,其次在1 631.97 cm-1附近。由此表明这3个峰所对应的基团随Se浓度的变化而变化,这与一维图谱主要特征峰的主成分分析得出的结论是一致的。

2.4.2对地上部二维红外相关光谱的影响

由图5可知,ρ(Se)为0 mg·L-1对照处理紫云英地上部在对角线上出现3个自动峰,分别在1 077.52、1 393.18和 1 620.16 cm-1附近,其中1 620.16 cm-1附近的峰较强;在对角线两边(1 620.16 cm-1,1 393.18 cm-1)处出现1个正交叉峰,(1 620.16 cm-1,1 077.52 cm-1)和(1 393.18 cm-1,1 077.52 cm-1)处出现2个负交叉峰。根据读谱规则[26-28]可知,1 620.16、1 393.18和1 077.52 cm-1附近的吸收峰强度在Se浓度提高时发生了相反方向的变化,其中1 620.16和1 393.18 cm-1附近的吸收峰强度增加,1 077.52 cm-1附近的吸收峰强度减小。ρ(Se)为0.2 mg·L-1时,在对角线上出现3个自动峰,分别在1 077.52、1 393.18和1 620.16 cm-1附近,其中1 620.16 cm-1附近的峰较强;在对角线两边(1 620.16 cm-1,1 393.18 cm-1)、(1 620.16 cm-1,1 077.52 cm-1)和(1 393.18 cm-1,1 260.80 cm-1)处出现3个正交叉峰,(1 393.18 cm-1,1 077.52 cm-1)处出现1个负交叉峰。根据读谱规则可知,1 393.18和1 077.52 cm-1附近的吸收峰强度在Se浓度提高时发生了相反方向的变化,其中1 393.18 cm-1附近的吸收峰强度增加,1 077.52 cm-1附近的吸收峰强度减小。ρ(Se)为0.5 mg·L-1时，在对角线上出现3个自动峰,分别在1 077.52、1 393.18 和1 620.16 cm-1附近,其中1 620.16 cm-1附近的峰较强;在对角线两边(1 620.16 cm-1,1 393.18 cm-1)和(1 393.18 cm-1,1 260.80 cm-1)处出现2个正交叉峰,(1 620.16 cm-1,1 077.52 cm-1)和(1 393.18 cm-1,1 077.52 cm-1)处出现2个负交叉峰。根据读谱规则可知,1 620.16、1 393.18和1 077.52 cm-1附近的吸收峰强度在Se浓度提高时发生了相反方向的变化,其中1 620.16和1 393.18 cm-1附近的吸收峰强度增加,1 077.52 cm-1附近的吸收峰强度减小。ρ(Se)为1.0 mg·L-1时在对角线上出现3个自动峰,分别在1 077.52、1 393.18和1 620.16 cm-1附近,其中1 620.16 cm-1附近的峰较强;在对角线两边(1 620.16 cm-1,1 393.18 cm-1)、(1 620.16 cm-1,1 077.52 cm-1)和(1 393.18 cm-1,1 077.52 cm-1)处出现3个正交叉峰。ρ(Se)为2.0 mg·L-1时在对角线上出现3个自动峰,分别在1 077.52、1 393.18和1 620.16 cm-1附近,其中1 620.16 和1 077.52 cm-1附近的峰较强;在对角线两边(1 620.16 cm-1,1 393.18 cm-1)和(1 393.18 cm-1,1 077.52 cm-1)处出现2个正交叉峰,(1 620.16 cm-1,1 077.52 cm-1)处出现1个负交叉峰。根据读谱规则可知,1 620.16和1 077.52 cm-1附近的吸收峰强度在Se浓度提高时发生了相反方向的变化,其中1 620.16 cm-1附近的吸收峰强度增加,1 077.52 cm-1附近的吸收峰强度减小。

ρ(Se)为2.0 mg·L-1处理时,在对角线上出现3个自动峰,分别在1 077.52、1 393.18和1 620.16 cm-1附近,其中1 620.16 cm-1附近的峰较强;在对角线两边(1 620.16 cm-1,1 393.18 cm-1)和(1 620.16 cm-1,1 077.52 cm-1)处出现2个正交叉峰,(1 393.18 cm-1,1 077.52 cm-1)处出现1个负交叉峰。根据读谱规则可知,1 393.18和1 077.52 cm-1附近的吸收峰强度在Se浓度提高时发生了相反方向的变化,其中13 93.18 cm-1附近的吸收峰强度增加,1 077.52 cm-1附近的吸收峰强度减小。ρ(Se)为2.5 mg·L-1时，在对角线上出现3个自动峰,分别在1 077.52、1 393.18和1 620.16 cm-1附近,其中1 620.16 cm-1附近的峰较强;在对角线两边(1 620.16 cm-1,1 268.89 cm-1)和(1 393.18 cm-1,1 077.52 cm-1)处出现1个正交叉峰,(1 620.16 cm-1,1 393.18 cm-1)、(1 620.16 cm-1,1 077.52 cm-1)和(1 393.18 cm-1,1 268.89 cm-1)处出现3个负交叉峰。根据读谱规则可知,1 620.16、1 393.18、1 268.89和1 077.52 cm-1附近的吸收峰强度在Se浓度提高时发生了相反方向的变化,其中1 393.18和1 077.52 cm-1附近的吸收峰强度增加,1 620.16和1 268.89 cm-1附近的吸收峰强度减小。ρ(Se)为5.0 mg·L-1时,在对角线上出现3个自动峰,分别在1 077.52、1 393.18和1 620.16 cm-1附近,其中1 620.16 cm-1附近的峰较强;在对角线两边(1 620.16 cm-1,1 393.18 cm-1)、(1 393.18 cm-1,1 260.19 cm-1)和(1 155.83 cm-1,1 077.52 cm-1)处出现3个正交叉峰,(1 620.16 cm-1,1 260.19 cm-1)、(1 620.16 cm-1,1 155.83 cm-1)、(1 620.16 cm-1,1 077.52 cm-1)、(1 393.18 cm-1,1 155.83 cm-1)和(1 393.18 cm-1,1 077.52 cm-1)处出现5个负交叉峰。根据读谱规则可知,1 620.16、1 393.18、1 260.19、1 155.83和1 077.52 cm-1附近的吸收峰强度在Se浓度提高时发生了相反方向的变化,其中1 620.16、1 393.18和1 260.19 cm-1附近的吸收峰强度增加,1 155.83和1 077.52 cm-1附近的吸收峰强度减小。

图5不同浓度硒处理下紫云英地上部二维同步相关图谱

Fig.52D-correlation synchronous spectra of the shoots ofA.sinicusrelative to Se concentration in treatment

对照处理紫云英地下部较强峰在1 620.16 cm-1附近,而不同浓度Se处理紫云英地上部较强峰,除ρ(Se)为1.5 mg·L-1时在1 620.16 和1 077.52 cm-1附近外,其他处理的较强峰均在1 620.16 cm-1附近,其次在1 393.18 cm-1附近。由此表明,这些峰对应的基团随Se浓度的变化而变化,这与一维图谱主要特征峰的主成分分析得出的结论是一致的。

3结论

(1)与对照相比,紫云英在不同浓度Se处理下吸收峰峰形基本未发生较大变化,吸收峰波数相对固定,说明不同浓度Se处理并未改变紫云英的基本化学组分,但吸光度有较大差异,说明不同浓度Se对紫云英化学成分含量有所影响。说明FTIR能作为探究紫云英对不同浓度Se胁迫下物质成分响应的一种快速、灵敏的检测手段,可应用于Se对植物物质成分的生物效应研究。

(2)紫云英在890～1 750 cm-1区域的二维红外相关光谱图存在较明显的差别;对于一维红外图谱较为相似的样品,凭借高分辨率二维红外相关谱图分析技术,能够提供Se浓度变化所引起的紫云英植物化学成分结构动态变化的微观信息。

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(责任编辑： 陈昕)

Two-Dimensional Infrared Correlation Spectroscopy and Principal Components Analysis of Se-TreatedAstragalussinicus.

YUANJu-hong1,HUMian-hao2

(1.Institute of Environment and Plant Science, Jiangxi University of Finance and Economics, Nanchang 330032, China;2.Institute of Poyang Lake Eco-Economics, Jiangxi University of Finance & Economics, Nanchang 330032, China)

Abstract:Changes in material compositions of the shoots and roots of Astragalus sinicus treated with different concentration of selenium (Se) (0, 0.2, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5 and 5.0 mg·L-1) were analyzed, using the fourier transform infrared spectrometry, two-dimensional infrared correlation spectroscopy and principal components analysis, in order to investigate variation of the chemical composition of A. sinicus in spectroscopy and microscopic dynamics relative to concentration of Se in treatment. Results show that the shoots and roots of A. sinicus did not change much in shape of their Se absorption peaks, but did quite obviously in absorbence, which indicates that concentration of Se did not affect much chemical composition of the plant, but did its content in the plant; The —OH, C—OH and O group absorption peaks in the roots and the O, —OH and —COO group absorption peaks in the shoots of the plant moved in location, indicating that concentration of Se in the soil had a significant effect on these groups in the plant, which shows that they may be closely related to the absorption, complexation, and transportation of Se in the plant. Within the band of 890-1 750 cm-1these groups in A. sinicus displayed a strong synergic effects or a strong interaction and varied sharply in two-dimensional infrared correlation spectroscopy, which indicates that the two-dimensional infrared correlation spectroscopy provides richer information about their structures, improves resolution of the spectra and captures dynamic changes in material system and molecular structure with changing Se concentration, and further on providing the study on mechanisms of plants tolerating heavy metal stress with an effective tool.

Key words:selenium treatment;Astragalus sinicus;fourier transform infrared spectrometer;two-dimensional infrared correlation spectroscopy;principal components analysis

作者简介：袁菊红 (1975—),女,湖南绥宁人,讲师,博士,主要研究方向为植物资源分类及其在环境中的应用。E-mail: yuanjuhong@sina.com.cn

通信作者①E-mail: yankeu1@163.com

基金项目：国家自然科学基金(21407069,21367013,41161064);江西省自然科学基金(20142BAB203024,20151BAB203034);江西财经大学优秀学术人才支持计划(K00292025)

收稿日期：2015-03-26

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.01.025

中图分类号：X132

文献标志码：A

文章编号：1673-4831(2016)01-0157-11