钠钾替代条件下不同基因型棉花叶片的FTIR光谱研究

雷 晶，郝艳淑，吴秀文，姜存仓

华中农业大学资源与环境学院，农业部长江中下游耕地保育重点实验室，湖北 武汉 430070

钠钾替代条件下不同基因型棉花叶片的FTIR光谱研究

雷 晶，郝艳淑，吴秀文，姜存仓*

华中农业大学资源与环境学院，农业部长江中下游耕地保育重点实验室，湖北 武汉 430070

钾缺乏是制约棉花生长的重要因子之一，而钠钾替代的研究一直是国内外关注的重点。以不同钾效率基因型棉花(钾高效HG103和钾低效LG122)为材料，利用傅里叶红外光谱(FTIR)对不同钾钠处理下棉花叶片的物质组成进行研究，分析不同钾钠条件下，叶片红外光谱图谱的差异，探讨钠钾替代对其物质成分和结构的影响，以及基因型的差异。结果表明： (1)缺钾条件下施钠，2 960，2 855，2 926，1 103和1 078 cm-1这5个特征峰的相对吸光度均有所升高，其中HG103在2 960，2 855和2 926 cm-1处增加的量与LG122几乎一致，而在1 103和1 078 cm-1附近，HG103增加的量高于LG122； 然而适钾的条件下施钠，这5个特征峰的相对吸光度都有所减少，且HG103减少的量都小于LG122，表明缺钾时施钠促进糖类、蛋白质和酯类的合成，其中对糖类的促进作用是HG103的大于LG122的，而对蛋白质和酯类的则没有差异； 适钾时施钠则有抑制作用，对HG103的抑制作用小于LG122。(2)缺钾时，1 734和1 437 cm-1附近的特征峰缺失，而补充钠后这些缺失的峰也未出现，说明缺钾破坏了叶片中蛋白质酰胺Ⅰ带和纤维素的结构，而缺钾补充钠并不能缓解这种破坏，即对于钾的这些功能，钠不能完全代替钾。

棉花； 基因型； 钠钾替代； 傅里叶红外光谱(FTIR)

引 言

钾作为植物必需的大量营养元素之一，对植物的生长发育有重要功能： 促进光合作用及其产物的运输，促进蛋白质的合成，参与细胞渗透调节作用等[1]。目前，钾资源的短缺已成为我国乃至世界农业生产领域必须面临和解决的问题，为缓解该问题，刘国栋和刘更另提出了使用钾的替代物[2]，钠作为钾最大优势的替补阳离子，在某些方面则能替代钾[3]。棉花是耐盐作物，因此，用钠代替钾对缓解钾资源短缺、促进棉花生长有重要意义。研究表明： 不同钠钾替代比例对椰苗叶片的可溶性糖和蔗糖含量的影响有差异[4]。

傅里叶红外光谱(FTIR)是一种主要基于化合物中极性键和官能团振动的结构分析技术，它是物质分子定性分析与定量分析常用的一种方法，通过分析红外光谱吸收峰的位置可以鉴定多种有机化合物及官能团的存在，且利用光谱吸收强度可以定量比较各种化学组分的相对含量[5-6]。该技术由于需要的样品量少、无损、操作快速简单以及灵敏度高等特点，越来越受到重视并已开始广泛应用于农业领域。如应用FTIR研究玉米缺锌[7]、花生缺钙[8]和柑橘缺硼[9]植株体内化学组分的变化。目前，在对棉花的研究上，主要是利用该技术研究细胞壁纤维素含量[10]，然而在钠钾替代条件下，不同基因型棉花叶片的化学组分变化研究，尚未见到相关报道。因此，选取两种不同钾效率基因型棉花为材料，利用FTIR对钠钾替代条件下不同基因型棉花苗期叶片化学组成进行测定，以期为棉花钠钾替代的生理代谢的机制研究提供新的思路和方法。

1 实验部分

1.1 材料和设计

试验在华中农业大学盆栽场进行。供试棉花为钾高效基因型HG103和钾低效基因型LG122，由本实验室在2001年—2005年间通过“两步筛选法”从86个棉花种质资源中筛选获得[11-12]，种子由中国农业科学院棉花所和华中农业大学作物遗传育种研究室提供。

采用Joham[13]改良水培配方，含0.590 g·L-1Ca(NO3)2·4H2O，0.500 g·L-1MgSO4·7H2O，0.100 g·L-1NH4H2PO4和0.025 g·L-1EDTA-Fe(为了避免EDTA-Fe配制过程中EDTA二钠引入钠，改用EDTA代替，并用适量氨水调节pH，使其溶解)，及阿农营养液的微量元素。设K0Na0，K0Na1，K1Na0，K1Na1 4个处理，每个处理3次重复，其中K0： 0 mg·L-1KCl； K1： 20 mg·L-1KCl； Na0： 0 mg·L-1NaCl； Na1： 80 mg·L-1NaCl。选取均匀健康饱满的种子，在50～60 ℃水中浸泡24 h，露白后在湿润的纱布上催芽，后转入3 L的塑料桶中营养液培养，塑料桶黑漆避光并定植1株，脱脂棉固定。开始用1/4浓度的阿夫多宁全营养液进行预培养，1周后换用1/2浓度的Joham营养液，继而用全量营养液浓度，每隔4 h通一次气，每次通气20 min。培养过程中，注意病虫害的防治。

1.2 方法

培养30天后收获，取叶片在105 ℃下杀青30 min，70 ℃下烘干并研磨成粉末。将待测样品与烘干后的光谱纯溴化钾以1/10的质量比用玛瑙研钵研磨均匀后将混合物压片，采用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR-NEXUSTM)检测叶片的光谱特性。光谱范围为4 000～400 cm-1，分辨率为4 cm-1，扫描累积32次，样品测定前均对背景进行扫描，扫描时扣除H2O和CO2的干扰。

1.3 数据分析

通过测定得到4个钠钾处理(每个处理3次重复)下2个基因型棉花叶片共24个样品的FTIR。采用OPUS 6.5 软件采集数据进行基线校正，Omnic8.0 软件进行归一化处理，Origin8.6软件对FTIR 图谱进行数据处理和作图。

2 结果与讨论

2.1 不同钠钾条件下不同基因型棉花叶片的FTIR全图谱分析

FTIR图谱可以反映植物的主要化学成分，根据所含化学成分的官能团特征找到相应红外光谱吸收峰的归属[14]。棉花叶片中各化学键的吸收处于中红外区，即波数为4 000～400 cm-1。从图1可以看出，无论是否有钾，施钠处理的棉花叶片FTIR图谱与缺钠处理相比，无论是吸收峰的位置还是吸收峰对应的相对吸光度的大小都发生了变化，说明各组分构成和结构都发生了变化。

表1 叶片中的官能团及其相应的红外吸收频率

3 420 cm-1附近的吸收峰一般为糖类等碳水化合物中O—H和N—H的伸缩振动峰，其中包含分子键或分子内氢键的存在。对照适钾处理的HG103和LG122叶片中该吸收峰位于3 410 cm-1，而缺钾处理的该吸收峰向低频方向位移了12 cm-1，说明缺钾处理破坏了叶片中氢键的结合。且无论是否有钾，施钠处理与缺钠处理相比，该吸收峰的位移都没有明显变化，表明钠不能代替钾的该功能。2 960 cm-1附近的吸收峰代表酯类中—CH3的伸缩振动，2 926和2 855 cm-1附近的吸收是酯类和蛋白质中—CH2的伸缩振动。无论是否有钾且无论是否施钠，这三个吸收峰的位置在HG103和LG122中都没有发生明显的变化，而相对吸光度则有明显变化，都是缺钾处理高于施钾处理。由此可以得出，缺钾对酯类和蛋白质的结构没有影响，但是增加了它们的含量。缺钾时施钠，这三个峰的相对吸光度有所增加，HG103增加的幅度与LG122的几乎一致，说明缺钾时施钠能够增加叶片酯类和蛋白质的含量，HG103和LG122增加量之间无显著差异； 然而适钾时施钠减少，则表明适钾条件下施钠，叶片酯类和蛋白质含量有所减少，HG103减少的幅度小于LG122。

在糖类和蛋白质结构指纹区(1 800～800 cm-1)，一些峰的位置和高度都发生了变化。为了提高图谱的分辨率和减少叠加，对不同处理在1 800～800 cm-1的FTIR图谱进行精细表征。

2.2 不同钠钾条件下不同基因型棉花叶片的1800-800 cm-1FTIR图谱分析

1 103和1 078 cm-1附近的吸收峰属于C—O的伸缩振动，主要来自糖类。HG103和LG122的各个处理的该峰都没有发生缺失，但是相对吸光度都发生了改变，表现为： 都是缺钾处理的高于适钾处理的，且缺钾时施钠HG103和LG122在该峰的相对吸光度有所增加，HG103增加的幅度大于LG122； 适钾时施钠有所减少。由此可以看出，缺钾时施钠能够增加叶片糖类含量，且HG103增加的量大于LG122的，而适钾时施钠使之减少，HG103减少的量小于LG122。

图2 不同基因型棉花叶片的红外光谱图(1 800～800 cm-1)

1 438 cm-1附近的吸收峰是纤维素中—CH3的弯曲振动，缺钾时该峰缺失，且缺钾处理补充钠后这个峰并没有出现，表明缺钾破坏了纤维素的结构，而缺钾补充钠并不能缓解这种破坏，即对于钾的这一功能，钠不能完全代替钾。

表2 不同处理棉花叶片特征峰的相对吸光度

3 结 论

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[14] McCann M C, Defernez M, Urbanowicz B R, et al. Plant Physiol., 2007, 143: 1314.

*Corresponding author

(Received Apr. 2, 2015; accepted Aug. 6, 2015)

FTIR Study of Leaf of Different Cotton Genotypes under Potassium Substitution with Sodium

LEI Jing，HAO Yan-shu，WU Xiu-wen，JIANG Cun-cang*

College of Resources and Environmental Sciences，Huazhong Agricultural University，Key Laboratory of Arable Land Conservation(Middle and Lower Reaches of Yangtse River)，Ministry of Agriculture，Wuhan 430070, China

Potassium (K) deficiency affects cotton growth. The substitution effects of sodium (Na) and potassium research have been the focus of attention at home and abroad. The aim of this paper was to study the substitution effects of Na and K on material composition in leaf of two kinds of K-efficiency cotton genotypes (HG103 and LG122) using Fourier to transform infrared (FTIR) spectroscopy. The results showed that: (1) the increment of the relative absorbance of HG103 at peaks 2 960, 2 855 and 2 926 cm-1were the same with LG122 with addition of Na in deficient K, while at peaks 1 078 and 1 103 cm-1, the increment of HG103 was higher than LG122, indicating that in deficient K, Na could promote the synthesis of carbohydrate, protein and esters, wherein the promoting effect on carbohydrate of HG103 was greater than LG122, while for protein and esters, there has no difference. However, the decrement of the relative absorbance at these five peaks of HG103 was higher than LG122 with addition of Na in adequate K, suggesting that in adequate K, the inhibitory effect of Na on carbohydrate, protein and esters of HG103 was less LG122. (2) the peaks at 1 734 and 1 437 cm-1disappeared due to K dificiency, when added Na, these peaks did not appear, implying that the structure of amideⅠband and cellulose was broken when lack of K when added Na has no changes.

Cotton; Genotype; Sodium and potassium replacement; FTIR

2015-04-02，

2015-08-06

国家自然科学基金项目(40801112), 公益性行业(农业)科研专项项目(201203013)资助

雷 晶，女, 1989年生, 华中农业大学资源与环境学院硕士研究生 e-mail: lj7202@126.com *通讯联系人 e-mail: jcc2000@mail.hzau.edu.cn

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)06-1696-04