红木种属鉴别方法研究现状与展望

李学谦 冀柏颖 李欣瑀 林子清

摘 要：红木具有极高的药用价值和观赏价值，是制作家具、乐器、饰品等物品的最佳原材料。在红木制品市场存在大量的仿品、伪品，因此准确快速地鉴定珍稀红木的种类和价值成为社会关注的焦点。我们查阅了大量文献，阐述了传统鉴别方法和色谱技术、质谱技术、红外光谱技术、核磁共振氢谱技术、卷积神经网络技术、DNA条形码技术等可应用于红木鉴别多种新兴技术的方法及其原理，对其存在的问题及可能的发展进行了分析。

关键词：法医物证学；红木鉴别；DNA条形码；公安

名贵木材性能优良、总类稀缺，自古以来就有乌木值千金的说法。随着社会的发展和生活的提高，以黄花梨、紫檀等各种珍贵红木材制成的家具越来越受到广大消费者的青睐，导致这类材料的制品价值昂贵。

中华人民共和国红木國家标准（红木GB/T 18107—2017）从木材解剖学角度确定了紫檀属、黄檀属、柿属、崖豆属和决明属五属，紫檀木类、花梨木类、香枝木类、黑酸枝木类、红酸枝木类、乌木类、条纹乌木类和鸡翅木类8类29个树种［1］。由于同属种间差异不十分明显，许多木材鉴赏专家和不同领域的学者探索、研究了不同的名贵珍稀木材种属鉴别标准化方法，以期在对珍贵木材的保护、利用、加工和贸易活动中实现科学快速、准确地识别和鉴定。

1 传统的红木种类鉴别方法

传统的红木种属鉴别方法以鉴定人主观经验和认识为主，在植物学分类的基础上，通过对待检木材的横切面、纵切面、弦切面分别取样，用放大镜观察检材的宏观特征（心材、边材、生长轮、管孔和波痕等）；利用光学显微镜微观解剖特征（导管、轴向薄壁组织、射线、木纤维）及材色（肉眼观）、气味（鼻嗅）与国家标准中已确定种属的标本对应的各项特征对比、检索、分析来判断和区分到属、类（科）或种，准确度较高。但如若木材特征不明显，在鉴定到种的时候困难较大且易发生错误判断［2］。

传统的红木种属鉴别流程复杂烦琐，耗时费力，效率低下，而且对鉴定人要求高，需要鉴定人有丰富的专业知识和丰富的鉴定经验，才能保证红木种属鉴别结果的准确性。因此，随着科学技术的进步，不同研究领域的学者纷纷提出不同的简便的红木鉴别分析方法。

2 基于计算机技术的红木种类鉴别方法

随着计算机技术的快速发展，在对名贵珍稀树种及木制品的鉴定方法上人们不断追求自动化、智能化、工业化、标准化。1970年，欧美国家的学者就开始基于木材信息数据库，利用计算机图像处理技术辅助木材区别鉴定的研究。20世纪80年代初国内中国林业科学院木材研究所研发了计算机木材辅助识别系统［3］；近年来，随着数字化图像技术的不断发展，利用计算机数字化图像处理技术提高了传统鉴别方法的准确性，也突破了对鉴定人专业知识水平和经验的依赖。方益明等提出了提取木材显微结构图像的方法并利用该方法对木材进行鉴别区分［4］；海南大学黄向党等利用数码显微照相系统测定木纤维带内木射线宽度与高度，发现不同产地的降香黄檀和越南黄檀木在射线比率、射线宽度和高度差异显著［5］。

计算机的快速运算能力近年来迅速提高，深度学习技术再次受到人们的重视，深度学习中运算速度快且具有强大特征提取计算能力的卷积神经网络在图像的分类、检测、跟踪对象和图像分割领域应用广泛。广东工业大学李啟彬使用卷积神经网络对13种木材的CT图像进行分类［6］；黄鹏桂等对7种红木的横切面自建卷积神经网络，准确率高达99.4%［7］。可见利用卷积神经网络可以实现红木种属鉴别的自动化，深度学习技术也可以结合其他的技术对红木的种属进行鉴别。

利用计算机技术与其他技术结合实现了快速、自动化鉴别红木种属，可以满足短时间大量筛查。但因生长区域和年限不同，红木个体株间存在差异，同一植株不同部位也存在差异，因此难以形成固定的标准图像，在法庭科学中使用难度大。

3 基于谱带技术的红木种类鉴别方法

谱带技术是分析化学常用的技术，利用质谱、液相气相色谱、光谱等对物质的组成、含量、结构等化学信息进行分析。沈明月等利用基于高效液相色谱技术（HPLC）及模式识别方法构建了红木提取液的HPLC色谱指纹图谱，发现四种红木的特征峰区别明显，实现了对卢氏黑黄檀、印度紫檀、大果紫檀、东非黑黄檀四种红木的区分［8］。朱涛利用GC—MS技术获得了九种红木的指纹图谱，结果显示，不同种红木样品通过苯醇抽法得到的总离子流图差异性很大，可以实现不同红木样品的区分［9］。罗莎对四种红木的有机溶剂提取物分别使用FTIR和GC—MS进行分析、统计并建立指纹图谱，得到了较好的区分结果［10］。陈碧莹等选择六类国标红木和两类混伪品的甲醇超声提取液作为样本，使用1H NMＲ与PLS—DA结合建立快速识别红木种属的模型并对可行性进行探究，利用PLS—DA法建立的模型前三个主成分累积有79%的贡献率，能有效区分开国标红木与易混淆品，也能大致鉴别国标红木的不同种类［11］。

光谱在红木种属鉴别中的应用也有学者进行研究，王远等使用THz—TDS技术获得了五种杉木的太赫兹时域光谱，提取其光学参数，得到折射率谱和吸收系数谱，发现在时域光谱上不同种类木材的时间延迟线和振幅以及在吸收系数谱中吸收峰出现的频段存在一定的差异，对太赫兹时域光谱做快速傅里叶变换获得相对应的太赫兹频域光谱，频域谱上显示衰减趋势及幅值也存在差异，表明THzTDS进行红木分类识别具有一定的可行性［12］。

谱带技术优点十分明显，直观、灵敏度高，结果判断简单，微量检材也可使用。但谱带技术鉴别红木种属前处理方法要求严格，对不同的成分或选择不同的谱带技术时前处理方法不同，涉及的设备操作、原理也不相同，且受同位素因素影响得到的特征峰或其他指标可能与标准谱存在距离，这是法庭科学人员难以同时掌握的。

4 基于DNA技术的红木识别方法

以上几种红木鉴定方法打破了传统木材鉴别方法对鉴定人学识和经验的依赖，但因红木在实际的生产使用中区分边材和心材及边材心材过渡区，样本取材部位差异会引起在采集图像、色谱，提取液成分等存在差异，故而导致在建立分析模型时数据重复性差。目前的一种新兴技术的出现打破了这一局限，DNA条形码（DNA Barcoding）技术于2003年首次提出，是利用一段标准DNA序列作为标记进行物种鉴定的技术，能够对古木、化石和植物样本进行鉴别［1314］。

Rasika M.Bhagwat等选取十种黄檀作为样本，提取DNA并建立NJ树探究了鉴别黄檀属植物的新DNA条形码，发现matK和matK+rcbL是对黄檀属鉴别能力最强的条形码［15］；Ida Hartvig等提取了35种黄檀属样本，选择rcbL、matK和ITS做遗传距离分析，发现rcbL区域平均种内和种间距离值最低，最高的是ITS区域，平均种内和种间距离值达十倍以上，建议黄檀属鉴别选用matK+ITS组合作为DNA条形码［16］。国内殷亚方等认为叶绿体片段和细胞核核糖体内转录间隔区是植物通用的DNA条形码集中的候选区域［17］，这与国际条形码协会建议的植物通用条形码matK和rcbL组合一致。余敏等提取了降香黄檀边材和心材DNA，发现在降香黄檀和多裂黄檀的rpoC1、rbcL和trnHpsbA片段序列种间遗传距离较大，trnHpsbA序列的扩增成功率、测序成功率和鉴别能力都是最高的，建议用trnHpsbA序列作为鉴别降香黄檀与多裂黄檀的DNA条形码［18］；邓格求等使用刺猬紫檀及其近缘种木材的DNA提取物，用构建NJ树法做聚类分析认为ITS2序列可以将刺猬紫檀与其他紫檀属木材准确区分开，但种内无法区分开不同产地的刺猬紫檀［19］。叶绿体是植物特有的细胞器，其携带的DNA片段rcbL、matK和trnHpsbA是鉴别红木种属强有力的法医学工具，其中rcbL基因位置很保守，变异速率极慢，因此是理想的植物DNA条形码，位于核基因组的ITS片段转录间隔区的ITS2因高进化率高变异性可作为鉴别红木种属的法医学工具。

DNA条形码在鉴定物种上具有不可比拟的优越性：具有快速准确，自动化程度高的优势，且模型建立依靠物种DNA信息，打破了因取材部位差异或没有完整的形态学特征导致获取的信息不同这一缺陷，DNA条形码同时适用于在红木的各个生长周期获取的样本检材，不受生长发育阶段影响，且对专业知识技术经验要求低，弥补了传统鉴定的缺陷，能够快速准确进行鉴定。

DNA条形码技术的出现是红木种属鉴定方法发展史上的里程碑，但用DNA条形码技术鉴定植物其方法尚未完全规范成熟，也面临一些挑战，比如种内发生倒位对trnHpsbA条形码存在影响［20］、存在干扰基因［21］、DNA降解导致该技术失效等。目前比较成熟的动物DNA条形码动物线粒体COI序列片段长度在650bp左右，植物条形联盟推荐的植物DNA条形码matK、rcbL、ITS、tmHpsbA序列在500bp到几千bp，最大的局限是DNA的易降解性，珍稀木材最为昂贵的心材部分的DNA在长期生长、存放和高温加工过程中严重降解，降解后DNA片段多不足500bp且附着在细胞壁上以及存在PCR抑制物等，经常导致心材DNA提取失败或提取的心材DNA浓度和纯度低导致PCR扩增失败或测序失败，难以得到标准长度的DNA条形码，也无法用DNA条形码技术鉴别植物种属［20］。

5 展望

2006年Hajibabaei等为解决博物馆馆藏的标本DNA降解问题首先提出了微型DNA条形码概念，微型DNA条形码与DNA条形码原理相似，不同点主要在于片段长度。微型DNA条形码是长度在100～200bp的DNA序列，在DNA严重降解的标本中也容易获得［22］。与DNA条形码相比，DNA微型条形码序列较短，引物的通用性更强，扩增能力更高，耗时短，操作简便。Hajibabaei在理论上证明了用COI序列內部一段135bp的序列可以很好地对哥斯达黎加地区的一种寄生蜂的物种实现鉴定。

微型DNA条形码技术目前在植物鉴别上研究较少，生物技术在珍贵木材的鉴别领域的应用主要还是传统DNA条形码技术。微型DNA条形码技术的出现对法庭科学意义重大，使用微型DNA条形码技术建立红木微型DNA条形码信息库，基于信息库法庭科学人员可以利用微型DNA条形码技术对红木的种属做出鉴别，打击假冒犯罪，保护消费者的权益，微型DNA条形码技术可结合刑事科学技术共同为法庭审理案件提供物证。

参考文献：

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作者简介：李学谦（1996— ），男，硕士研究生，主要从事法医物证学研究。

*通讯作者：林子清（1961— ），男，教授，主要从事法医学研究。