高寒草甸植物中正构脂肪酸组成特征研究

2018-07-28，，，，，

草地学报 2018年2期

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(1. 三江源生态和高原农牧业国家重点实验室，青海西宁 810016； 2. 青海大学生态环境工程学院，青海西宁 810016)

脂肪酸由C、H、O 三种元素构成，是生物生命活动过程中重要活性物质，在自然界中广泛分布[1]。脂肪酸对调节生物中各种生理和生化功能起着重要作用，与植物抵抗逆境胁迫能力密切相关[2]。植物中含多种脂肪酸，其含量因种类、生育期及生长季节不同而有所差异[3]；如鸭茅(Dactylisglomerata)初花期油酸含量最低，猫尾草(Phleumpratense)初花期亚油酸含量最高[4]，克氏针茅草原常见植物中硬脂酸和C6～C14脂肪酸的含量较低，在春季和秋季较高而在夏季开花期最低[5]。植物中脂肪酸的含量不仅由遗传决定，还与物候期温度、水分和光照等环境因素有关[6]，故脂肪酸常用来反映植物生长气候环境的生物标记物[7]。研究发现，植物叶片中正构脂肪酸的分布范围在C16～C28之间，且均为偶碳数优势，以C16、C18、C26或者C22、C28为主[8]。由于脂肪酸具有高度的物种专一性和稳定性，因此脂肪酸是重要的生物标记物，已被广泛用来示踪土壤及沉积物中有机质来源[9-11]。目前，有关高寒草甸植物中正构脂肪酸的含量研究鲜有报道，高寒草甸植物的研究主要集中在群落特征、生理生态等领域[12]，高寒草甸植物在青藏高原具有很强的典型性，是畜牧业发展的重要物质基础[13]。通过对植物中正构脂肪酸的特征分析来增加对不同高寒草甸植物脂肪酸组成的了解，为揭示植物与土壤的正构脂肪酸内在联系提供数据支持，为加强牧草质量评价、高寒草甸草地保护与利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于青海省果洛州达日县和玛沁县，纬度33o34′～34o28′ N，经度99o53′～100o29′ E，海拔高度3 700～4 100 m，年均温度为-0.5℃，年均降水量400～760 mm，年均蒸发量1 205.9 mm，光辐射强，年日照时数2260 h，昼夜温差大，属典型的高原大陆性气候。植被类型以小嵩草(Kobresiapygmaea)、矮嵩草(Kobresiahumilis)为优势种，主要的伴生种有垂穗披碱草(Elymusnutans)、冷地早熟禾(Poacrymophila)等禾本科牧草，杂类草有鹅绒委陵菜(Potentillaanserina)、矮火绒草(Leontopodiumnanum)、甘肃马先蒿(Pediculariskansuensis)、甘肃棘豆(Oxytropiskansuensis)、细叶亚菊(Ajaniatenuifolia)、西伯利亚蓼(Polygonumsibiricum)等。

1.2 样品采集与制备

植物样品(表1)采集于8月份高寒草甸植物地上生物量高峰期，每个样地设置3个采样点，同一采样点每种植物采集5～8株，放到一起，装入纸袋，运回室内。采集的植物样品经风干、粉碎、过0.15 mm筛后，装入自封袋密封保存，供分析使用。

表1 采集的植物样品名录Table 1 List of collected plant samples

1.3 提取方法

准确称取植物样品0.2 g，置于棕色带盖子的小瓶中，加入5 mL饱和KOH-CH3OH溶液，摇匀后于75℃水浴中皂化10 min，倒出提取液，重复皂化1次，将2次提取液合并，待提取液冷却后，加入5 mL 5 mol·L-1HCl-CH3OH溶液，在75℃的水浴中甲酯化10 min，待溶液冷却后，分2次加入5 mL的正己烷进行萃取，将萃取后的正己烷溶液置于带刻度的小试管中，氮吹浓缩至1 mL，经过0.45 μm滤膜后直接进行GC-MS分析。

1.4 仪器参数

脂肪酸分析采用美国Thermo Fisher Scientific 公司DSQII型气质联用仪(NIST 2008版谱库)。色谱条件：DB-5MS石英毛细管柱(60 m×0.25 mm×0.25 μm)；升温程序：柱温60℃，保持1 min，10℃·min-1升到180℃，4℃·min-1升到250℃，保持20 min，20℃·min-1升到280℃，持续2 min；进样量1 μL，不分流进样；进样口温度280℃；载气为高纯氦(99.999%)，流速1.0 mL·min-1。质谱条件：电离方式为电子轰击离子源模式(EI)，电子能量70 eV，离子源温度250℃，GC与MS传送杆温度280℃，扫描方式为Full Scan 模式，质量扫描范围为40～650 amu，溶剂延迟7 min。

2 结果与分析

2.1 禾本科科植物中正构脂肪酸的含量

6种禾本科植物的单种正构脂肪酸(C6～C28)含量范围：0.02～4 586.09 mg·kg-1，其中冷地早熟禾(Poacrymophila)十一酸含量最低，紫花针茅(Stipapurpurea)十八酸含量最高。6种植物中主要脂肪酸含量大小关系：十六酸为紫花针茅>梭罗草(Kengyiliathoroldiana)>中华羊茅(Festucasinensis)>冷地早熟禾>垂穗披碱草(Elymusnutans)>麦宾草(Elymustangutorum)，十五酸为紫花针茅>中华羊茅>冷地早熟禾>梭罗草>麦宾草>垂穗披碱草(图1)。6种植物中总正构脂肪酸(C6～C28)含量及长链正构脂肪酸(C21～C28)所占比重分别为：紫花针茅为7 868.14 mg·kg-1，2.88%；中华羊茅为1 558.77 mg·kg-1，6.05%；梭罗草为1 492.67 mg·kg-1，4.11%；冷地早熟禾为1 454.23 mg·kg-1，7.46%；垂穗披碱草为1 229.40 mg·kg-1，8.76%；麦宾草为1 222.85 mg·kg-1，6.69%。单种植物中各种脂肪酸含量差异显著(P<0.01)，但禾本科六种植物中各对应脂肪酸含量差异不显著。

图1 禾本科植物中正构脂肪酸的含量Fig.1 The content of n-fatty acids in Gramineous plants

2.2 莎草科植物中正构脂肪酸的含量

6种莎草科植物的单种正构脂肪酸(C6～C28)含量范围：0.20～3 342.45 mg·kg-1，其中黑褐苔草(Carexastrofusca)中二十七酸含量最低，青藏苔草(Carexmoorcroftii)中十六酸含量最高。6种植物中主要脂肪酸含量大小关系：十六酸为青藏苔草>小嵩草(Kobresiapygmaea)>双柱头藨草(Scirpusdistigmaticus)>西藏嵩草(Kobresiaschoenoides)>矮嵩草(Kobresiahumulis)>黑褐苔草，十五酸为西藏嵩草>青藏苔草>双柱头藨草>小嵩草>黑褐苔草>矮嵩草，十八酸为双柱头藨草>青藏苔草>矮嵩草>小嵩草>西藏嵩草>黑褐苔草(图2)。6种植物中总正构脂肪酸(C6～C28)含量及长链正构脂肪酸(C21～C28)所占比重分别为：小嵩草为6 347.99 mg·kg-1，17.35%；青藏苔草为5 954.02 mg·kg-1，7.61%；双柱头藨草为5 835.86 mg·kg-1，5.28%；西藏嵩草为5 304.57 mg·kg-1，6.73%；矮嵩草为4 796.55 mg·kg-1，21.25%；黑褐苔草为3 177.69 mg·kg-1，8.61%。单种植物中各种脂肪酸含量之间差异显著(P<0.01)，莎草科植物中黑褐苔草与双柱头藨草、小嵩草中各对应脂肪酸含量差异显著(P<0.01)，其他植物两两比较各对应脂肪酸含量差异不显著。

图2 莎草科植物中正构脂肪酸的含量Fig.2 The content of n-fatty acids in Cyperaceae plants

2.3 毛茛科植物中正构脂肪酸的含量

毛茛科4种植物中单种正构脂肪酸(C6～C28)含量范围为：0.18～3 537.52 mg·kg-1，瓣蕊唐松草(Thalictrumpetaloideum)壬酸最低，铁棒锤(Aconitumpendulum)十六酸最高。4种植物中主要脂肪酸含量大小关系：十五酸含量为铁棒锤>露蕊乌头(Aconitumgymnandrum)>密花翠雀(Delphiniumdensiflorum)>瓣蕊唐松草，十六酸含量为铁棒锤>密花翠雀>露蕊乌头>瓣蕊唐松草，十八酸含量为密花翠雀>露蕊乌头>铁棒锤>瓣蕊唐松草(图3)。4种植物中总正构脂肪酸(C6～C28)含量及长链正构脂肪酸(C21～C28)所占比重分别为：铁棒锤为6 287.22 mg·kg-1，8.73%；露蕊乌头为5 919.58 mg·kg-1，7.40%；密花翠雀为4 976.54 mg·kg-1，3.43%；瓣蕊唐松草为2 343.04 mg·kg-1，4.62%。正构脂肪酸含量偶数碳优势明显。单种植物中不同脂肪酸含量之间差异显著(P<0.01)，密花翠雀和铁棒锤中各对应脂肪酸含量差异显著(P<0.05)，其他植物两两比较，各对应脂肪酸含量差异不显著。

图3 毛茛科植物中正构脂肪酸的含量Fig.3 The content of n-fatty acids in Ranunculaceae plants

2.4 唇形科植物中正构脂肪酸的含量

唇形科4种植物中单种正构脂肪酸(C6～C28)含量范围：0.51～4 549.15 mg·kg-1，其中独一味(Lamiophlomisrotata)十一酸含量低，黄花粘毛鼠尾草(Salviaroborowskii)十六酸含量最高。4种植物中主要脂肪酸含量大小关系：十六酸为黄花粘毛鼠尾草>密花香薷(Elsholtziadensa)>独一味>白苞筋骨草(Ajugalupulina)，十五酸为白苞筋骨草>密花香薷>独一味>黄花粘毛鼠尾草，十八酸为黄花粘毛鼠尾草>密花香薷>白苞筋骨草>独一味(图4)。4种植物中总正构脂肪酸含量及长链正构脂肪酸(C21～C28)所占比重分别为：白苞筋骨草为7 741.49 mg·kg-1，42.81%；黄花粘毛鼠尾草为6 760.49 mg·kg-1，1.24%；密花香薷为6 379.06 mg·kg-1，4.44%；独一味为4 071.13 mg·kg-1，9.62%。单种植物中各种脂肪酸含量差异显著(P<0.01)，唇形科4种植物中各对应脂肪酸含量差异不显著。

图4 唇形科植物中正构脂肪酸的含量Fig.4 The content of n-fatty acids in Labiatae plants

2.5 蔷薇科植物中正构脂肪酸的含量

蔷薇科4种植物中单种正构脂肪酸(C6～C28)含量范围：0.54～3 260.38 mg·kg-1，其中高山绣线菊(Spiraeaalpina)十六酸的含量最高，十一酸含量最低。4种植物中主要脂肪酸含量大小关系：十六酸为高山绣线菊>二裂委陵菜(Potentillabifurca)>鹅绒委陵菜(Potentillaanserina)>金露梅(Potentillafruticosa)，十五酸为鹅绒委陵菜>金露梅>二裂委陵菜>高山绣线菊，十五酸为鹅绒委陵菜>金露梅>二裂委陵菜>高山绣线菊，十八酸为金露梅>鹅绒委陵菜>二裂委陵菜>高山绣线菊(图5)。4种植物中总正构脂肪酸含量及长链正构脂肪酸(C21～C28)所占比重分别为：鹅绒委陵菜为7 061.75 mg·kg-1，16.07%；二裂委陵菜为5 943.64 mg·kg-1，9.23%；金露梅为5 769.40 mg·kg-1，5.62%；高山绣线菊为5 157.06 mg·kg-1，11.29%。单种植物中各种脂肪酸含量差异显著(P<0.05)，蔷薇科4种植物中各对应脂肪酸含量差异不显著。

图5 蔷薇科植物中正构脂肪酸的含量Fig.5 The content of n-fatty acids in Rosaceae plants

2.6 玄参科植物中正构脂肪酸的含量

玄参科2种植物中单种正构脂肪酸(C6～C28)含量范围：1.44～2 284.46 mg·kg-1，肉果草(Lanceatibetica)中十六酸的含量最高，十一酸含量最低。肉果草中十五酸、十六酸、十八酸、二十酸、二十二酸均高于甘肃马先蒿(图6)。2种植物中总正构脂肪酸含量及长链正构脂肪酸(C21～C28)所占比重分别为：肉果草为4 497.68 mg·kg-1，6.03%；甘肃马先蒿为3 318.00 mg·kg-1，6.91%。单种植物中各种脂肪酸含量之间差异显著(P<0.01)，2种植物中各对应脂肪酸含量差异不显著。

图6 玄参科植物中正构脂肪酸的含量Fig.6 The content of n-fatty acids in Scrophulariaceae plants

2.7 豆科植物中正构脂肪酸的含量

豆科2种植物中单种正构脂肪酸(C6～C28)含量范围：0.61～2 209.98 mg·kg-1，其中甘肃棘豆(Oxytropiskansuensis)十六酸的含量最高，十一酸含量最低。甘肃棘豆中十五酸、十六酸、十八酸、二十酸、二十二酸、二十四酸均明显高于黄花棘豆(图7)。2种植物中总正构脂肪酸含量及长链正构脂肪酸(C21～C28)所占比重分别为：甘肃棘豆为5 292.97 mg·kg-1，1.86%；黄花棘豆为2 745.31 mg·kg-1，17.65%。单种植物中各种脂肪酸含量差异显著(P<0.05)，2种植物中各对应脂肪酸含量差异显著(P<0.05)。

图7 豆科植物中正构脂肪酸的含量Fig.7 The content of n-fatty acids in Leguminous plants

2.8 龙胆科植物中正构脂肪酸的含量

龙胆科4种植物中单种正构脂肪酸(C6～C28)含量范围：0.14～7 964.32 mg·kg-1，其中线叶龙胆(Gentianafarreri)十六酸的含量最高，湿生扁蕾(Gentianopsispaludosa)十一酸含量最低(图8)。4种植物中总正构脂肪酸(C6～C28)含量及长链正构脂肪酸(C21～C28)所占比重分别为：线叶龙胆为10 939.02 mg·kg-1，5.43%；湿生扁蕾为5 966.30 mg·kg-1，6.34%；达乌里秦艽(Gentianadahurica)为5 449.06 mg·kg-1，7.49%；麻花艽为3 682.41 mg·kg-1，7.32%。单种植物中各种脂肪酸含量之间差异显著(P<0.05)，4种植物中各对应脂肪酸含量差异不显著。

图8 龙胆科植物中正构脂肪酸的含量Fig.8 The content of n-fatty acids in Gentianaceae plants

2.9 菊科植物中正构脂肪酸的含量

12种菊科植物中单种脂肪酸(C6～C28)含量范围：0.08～6 347.84 mg·kg-1，其中十六酸(臭蒿Artemisiahedinii)的含量最高，二十七酸(冷蒿Artemisiafrigida)含量最低。菊科植物中总正构脂肪酸(C6～C28)含量分布范围为1 754.76(冷蒿)～11 335.95(臭蒿) mg·kg-1，其中短链正构脂肪酸(C6～C20)含量范围为1 518.45(冷蒿)～10 603.02 (臭蒿) mg·kg-1，长链正构脂肪酸(C21～C28)含量范围为121.86 (条叶垂头菊Cremanthodiumlineare)～1 239.37 (铁杆蒿Artemisiasacrorum)mg·kg-1(表2)。总奇数碳正构脂肪酸含量小于总偶数碳正构脂肪酸含量，偶数碳优势明显。单种植物中各种脂肪酸含量差异显著(P<0.05)，菊科植物中大籽蒿与条叶垂头菊、冷蒿比较各对应脂肪酸含量差异显著(P<0.05)，其他植物两两之间比较各对应脂肪酸含量差异不显著。

2.10 其他科植物中正构脂肪酸的含量

10科10种植物中单种正构脂肪酸(C6～C28)含量范围：0.05～6 229.07 mg·kg-1，其中十六酸(拉拉藤Galiumaparine)的含量最高，癸酸(唐古特虎耳草Saxifragatangutica)含量最低。10科10种植物中短链正构脂肪酸(C6～C20)含量范围是364.24 (唐古特虎耳草)～9 611.38 (拉拉藤) mg·kg-1，长链正构脂肪酸(C21～C28)含量范围为15.95(唐古特虎耳草)～1 064.16 (西藏沙棘Hippophaethibetana) mg·kg-1(表3)。

表2 菊科植物中正构脂肪酸的含量Table 2 The content of n-fatty acids in compositae plants

表3 其他科植物中正构脂肪酸的含量Table 3 The content of n-fatty acids in other plant families

3 讨论

高寒草甸植物中可检测到丰富的正构脂肪酸，其碳数分布为C6～C28，具有显著的偶数碳优势。这与高建花等[3]、张继等[4]分析结果相似。植物中短链正构脂肪酸(≤C20)中C16或C18含量最高，这是由于植物中β-酮脂酰ACP合成酶能催化14碳和16碳脂酰-ACP的缩合，决定了植物中C16和C18的含量[14]。另外C16和C18脂肪酸直接或间接参与植物对细菌和真菌病害的基础防御，因此植物病害情况也会影响C16和C18脂肪酸含量[15]。而长链正构脂肪酸(C21-C28)以C24、C26或C28为主峰碳。这些研究结果与张晓庆等[5]、孙晓青等[6]和Boris等[16]有关植物正构脂肪酸研究一致。高寒草甸中退化指示植物(鹅绒委陵菜、矮火绒草、甘肃马先蒿、甘肃棘豆)长链正构脂肪酸占比重较大，而禾本科和莎草科植物中长链正构脂肪酸百分比含量较低，因此不同科植物长链脂肪酸含量上的差异性可以用作土壤退化后植物演替的依据。植物的脂肪酸不饱和度除取决于植物的遗传特性外，也会被外界温度所诱导[10]。植物中正构脂肪酸含量受外界环境因素(如温度、光照)影响很大[17]，低温环境下植物中正构饱和脂肪酸含量明显降低[18]，这能实时反映植物生存的环境条件，且长链正构脂肪酸在土壤、沉积物中稳定存在[9,11,19]，因此正构脂肪酸常用作生物标记物指示土壤及沉积物形成过程中气候环境的变化。各种高寒草甸植物中正构脂肪酸含量存在明显差异，由于其受遗传基因控制，具有物种的专一性，故脂肪酸也用于土壤、沉积物和水体中有机物质来源的示踪[20-21]。