全 文 ：第2 9卷 , 第3期　 　　　　　　　　　　　光 谱 学 与 光 谱 分 析 Vol.29 , No.3 , pp620-623
2 0 0 9 年 3 月　　　　　　　　　　　 　Spectro scopy and Spectr al Analy sis March , 2009 　
FTIR结合生理特性研究镉胁迫对果灰藓的影响
顾艳红 , 刘　鹏＊ , 蔡琪敏 , 陈　洁 , 谢鸿锴
浙江师范大学植物学实验室 , 浙江 金华　321004
摘　要　苔藓植物可作为监测环境中重金属污染的指示植物。以苔藓植物果灰藓为实验材料 , 用不同浓度
的重金属镉处理 7 d后 , 借助傅里叶红外光谱法(FT IR)分析重金属镉胁迫下果灰藓各化学成分的变化 , 同
时测定可溶性糖(SS)、 可溶性蛋白(Pr)、丙二醛(MDA)含量在镉胁迫下的生理指标。结果表明:随着镉处
理浓度的升高 , 可溶性糖含量和可溶性蛋白含量呈现先上升后下降的趋势 , 丙二醛含量先下降后上升。
FT IR与果灰藓响应重金属镉胁迫的各生理指标变化趋势较一致 , 且 FT IR 比传统的生理指标测定更敏感 、
便捷。因此 , FTIR可以作为研究苔藓植物应用于环境重金属污染监测的一种快速 、有效的方法。
关键词　红外光谱;生理指标;果灰藓;镉胁迫;环境监测
中图分类号:S66　　文献标识码:A　　DOI:10.3964/ j.issn.1000-0593(2009)03-0620-04
　收稿日期:2007-11-12 , 修订日期:2008-02-28
　基金项目:国家自然科学基金项目(30570121)和浙江省教育厅科研专项项目(20050293)资助
　作者简介:顾艳红 , 女 , 1983年生 , 浙江师范大学植物学在读硕士生　　e-mai l:gyh 0505@126.com
＊通讯联系人　　e-mai l:sky79@zjnu.cn
引　言
　　随着人口的增长以及工业的发展 , 各种化学物质在人类
活动中广泛使用 , 造成日益严重的环境污染 , 尤其是重金属
污染。重金属污染不仅严重影响了植物的生长发育 , 并且通
过食物链进一步影响人类健康[ 1] 。其中 , 镉作为一种分布广
泛的重金属 , 已越来越受到科研工作者的关注。人们利用植
物对污染物较敏感的特性 , 对环境污染物实行监测 , 根据植
物有机体内的各种反应来观察和掌握环境污染的程度与污染
范围 , 收到很好的效果。大多数种类的苔藓植物 , 例如果灰
藓(Hy pnum f ertile Sendtn.)叶片仅由单层细胞构成 , 背腹
两面均可直接接触到污染物 , 对环境污染较为敏感 , 从而可
以达到监测环境重金属污染的目的[2] 。
傅里叶变换红外光谱法(FT IR)是一种基于化合物中功
能团和极性键振动的结构分析技术 , 具有操作快速 、 简单和
灵敏度高的特点[ 3] 。由于 FT IR能够提供生物大分子特定的
振动吸收谱带 , 进而敏锐地探测这些分子的相对含量及其构
象等变化的信息 , 已经被广泛地应用于许多研究领域[ 4-6] ,
其中在植物生物学方面也有一定的应用研究 , 如中药材的质
量鉴别[ 7] , 高等植物的系统分类研究[ 8 , 9] , 农作物品质的鉴
定等[ 10 , 11] 。本文应用 FTIR法研究了苔藓植物果灰藓在受到
重金属镉胁迫时一些吸收峰峰高的变化 , 结合分析传统的植
物生理指标变化 , 以期为研究苔藓植物应用于环境重金属污
染监测提供一种快速有效的方法。
1　材料与方法
1.1　实验材料
采自金华北山山顶的果灰藓 , 经室内适应培养 7 d 后 ,
选取长势一致的植株 , 用不同浓度的 Cd2+进行处理 , Cd2+
浓度分别设为:T0 :0 mg · L-1;T 1 :1.0 mg· L-1 ;T 2:2.0
mg · L-1 ;T3 :5.0 mg · L-1。处理 7 d后 , 取部分果灰藓植
体用于可溶性糖含量 , 可溶性蛋白含量以及丙二醛含量的测
定。另一部分 Cd2+处理过后的果灰藓配植体部分于 105 ℃
烘箱中杀青 30 min , 再于 60 ℃下烘 24 h , 玛瑙研钵中充分
研磨成粉末状样品 , 用于 FT IR 测定。
1.2　生理指标的测定
可溶性糖含量和丙二醛含量的测定采用蒽酮比色法 , 可
溶性蛋白含量的测定采用考马斯亮蓝法。
1.3　FTIR 分析
按照所给定的测试条件(光谱范围 4 000 ～ 650 cm -1 , 分
辨率为 0.1 cm -1 , 扫描累加次数 32 次), 用美国 Nicole t 公
司的 NEXUS 670 型傅里叶变换红外光谱仪进行测定。应用
OMNI采样器直接测定红外光谱 , OMNIC E.S.P.5.1 同步
智能软件采用 , ATR校正 , 每个样品测定前均对背景进行扫
描 , 得到的红外光谱进行基线校正 , 确定峰值和吸光度。
2　结果与讨论
2.1　果灰藓的 FTIR图谱分析
图 1 所示 , 果灰藓在扫描区域出现了较多峰。图中3 330
cm -1处主要是一些碳水化合物 、细胞壁物质及蛋白质中的—
OH 和—NH 伸缩振动峰;2 920 和 2 855 cm -1分别代表了非
对称和对称的油脂中的—CH 拉伸(3 000 ～ 2 800 cm -1)引起
的吸收峰;1 733 cm -1处是膜脂和细胞壁果胶中常见的酯类
化合物的孤立羧基(—COOR)吸收峰 , 1 635和1 545 cm -1左
右的吸收峰分别为酰胺化合物的吸收Ⅰ 和Ⅱ带;1 036 cm -1
附近是碳水化合物中的—CH 弯曲或—C—O , —C—C 伸缩
振动峰[ 12] 。图 2 为果灰藓经过不同浓度镉处理后的 FTIR图
谱 , 可以看出经过重金属镉处理的果灰藓 , 吸收峰所对应的
波数相对固定 , 但各吸收峰的吸收强度有所变化 , 说明重金
属镉污染并不会改变果灰藓基本的化学成分组成 , 但对各化
学成分的含量有所影响。几处主要谱峰的吸光度值见表 1。
2.2　可溶性糖含量与相关吸收峰的变化
为了更加直观 , 图 3 采用可溶性糖含量和峰高度变化来
表示 , 即不同浓度镉处理后与对照的果灰藓可溶性糖含量和
峰高之差占对照的百分比。1 036 cm -1吸收峰是由碳水化合
物中的 — CH弯曲或 — C — O , — C — C伸缩振动引起的 。
Table 1　Absorbance of different wave number
of Hypnum fertile Sendtn.samples
Wave number
/ cm-1
Pat terns
T0 T1 T2 T3
3 330 0.007 2 0.009 0 0.012 1 0.011 7
2 920 0.004 6 0.004 4 0.008 9 0.009 0
2 855 0.003 2 0.002 8 0.007 5 0.007 3
1 733 0.004 1 0.004 1 0.003 3 0.003 0
1 635 0.009 3 0.009 5 0.007 8 0.008 1
1 545 0.004 9 0.004 6 0.003 2 0.003 0
1 036 0.040 6 0.046 3 0.046 9 0.035 5
1 036 cm -1吸收峰的峰高呈现先上升后下降的趋势 , 这与碳
水化合物可溶性糖含量的变化趋势较一致。已有的研究表
明 , 植物在重金属胁迫下细胞内的物质代谢水平和途径会发
生一系列适应性变化 , 可溶性糖含量的增加 , 是植物体对不
良环境在一定适应性基础上的抵抗性反应 , 可溶性糖在细胞
质中大量积累 , 不仅保持了蛋白质的水合度 , 防止原生质脱
水 , 而且还起到了平衡细胞质与液胞间的渗透势等多种作
用 , 减低质膜受热害的程度 , 从而增强了植物对高温的适应
能力[ 13] 。但植物耐受重金属胁迫是有一定限度的 , 超过这个
限度 , 可溶性糖含量反而下降[ 14] 。试验中可溶性糖含量与
1 036 cm -1吸收峰的峰高均呈现先升高后下降的变化规律 ,
说明此时镉处理浓度已经超过了果灰藓的耐受程度 , 使果灰
藓受到了严重损伤。
Fig.3　Changes of the SS content and the band height of 1 036
cm-1 versus of Hypnum fertile Sendtn.deal with dif-
ferent Cd2+ concentrations
2.3　可溶性蛋白含量与相关吸收峰的变化
1 635和 1 545 cm -1左右的吸收峰分别为酰胺化合物的
吸收Ⅰ和Ⅱ带 。从图4 可看出 , 1 635 和 1 545 cm -1吸收峰的
峰高变化趋势与可溶性蛋白含量的变化趋势基本一致 , 其中
1 635 cm -1吸收峰的峰高变化更接近于可溶性蛋白含量的变
化 , 都在较低镉浓度处理下略有上升 , 而在高浓度镉处理下
下降比较明显。植物体内可溶性蛋白的提高 , 有助于维持植
物细胞的正常代谢 , 提高植物的抗逆性。据报道 , 低浓度
Cd2+能诱导可溶性蛋白含量的增加 , 如合成类金属螯合蛋
白 、 金属硫蛋白 、胁迫蛋白等以降低细胞内 Cd2+浓度 , 防止
镉敏感酶变性失活 , 从而能够减轻镉对植物的毒害作用。但
过高浓度 Cd2+则会对蛋白质的合成与代谢起到破坏作用 ,
高浓度 Cd2+可抑制核酸的合成 , 使相关蛋白酶活性上升而
加速蛋白质的分解 , 导致其含量下降[ 15] 。
621第 3 期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　光谱学与光谱分析
Fig.4　Changes of the Pr content and the band height of 1 635
and 1 545 cm-1 versus of Hypnum fertile Sendtn.deal
with dif ferent Cd2+ concentrations
2.4　丙二醛含量与相关吸收峰的变化
2 920 和 2 855 cm -1分别代表了非对称和对称的油脂中
的—CH 拉伸(3 000 ～ 2 800 cm -1)引起的吸收峰 , 2 920 和
2 855 cm -1峰高的变化可能与植物细胞膜的膜脂过氧化程度
相关。而丙二醛是活性氧对膜脂过氧化的重要产物 , 它可与
膜脂蛋白发生交联作用 , 使膜透性增大 , 又可与细胞内的各
种成分发生反应 , 使膜系统中多种酶的生理功能严重受损
伤[ 16] 。因此 , 可用丙二醛含量来代表植物膜脂过氧化的水
平 , 反映植物受伤害的程度。丙二醛含量越高其膜脂过氧化
也就越严重 , 重金属胁迫的危害程度也越大。从图 5 可看出 ,
2 920 和 2 855 cm-1吸收峰的峰高变化与丙二醛含量变化趋
势一致 , 而且变化幅度更大 , 采用 2 920 和 2 855 cm -1吸收
峰的峰高变化可反映苔藓植物果灰藓受到重金属镉胁迫的危
害程度。
Fig.5　Changes of the MDA content and the band height of 2
920 and 2 855 cm-1 versus of Hypnum f ertile Sendtn.
deal with different Cd2+ concentration
3　结　论
　　(1)从果灰藓的红外光谱可以看出 , 经过重金属镉污染
的果灰藓 , 吸收峰所对应的波数相对固定 , 但各吸收峰的吸
收强度有所变化 , 说明重金属镉污染并不会改变果灰藓基本
的化学成分组成 , 但对各化学成分的含量有所影响。
(2)苔藓植物果灰藓在重金属镉胁迫下 , 随着处理浓度
的升高 , 可溶性糖含量和可溶性蛋白含量都呈现先上升后下
降的趋势 , 丙二醛含量先下降后上升。
(3)采用 FT IR法分析了苔藓植物果灰藓在重金属镉胁
迫下化学成分变化 , 并与一些胁迫生理指标变化进行了比较
分析 , 两者的变化趋势基本一致 , 表明两者之间有较好的相
关性。因此 , FT IR法可以作为研究苔藓植物应用于环境重
金属污染监测的一种快速 、有效的方法。
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Effects of Cd Stress on FTIR Spectra and Physiological Traits of Hypnum
f ertile Sendtn.
GU Yan-hong , LIU Peng ＊ , CAI Q i-min , CHEN Jie , XIE H ong-kai
Labo rato ry o f Bio lo gical Science , Zhejiang No rmal Univ ersity , Jinhua　321004 , China
Abstract　I n the present pape r , Fourrie r transfo rm infra red spectrometer was applied to gain the infr ared spec tra o f H ypnum
f ertile Sendtn.samples with dif fe rent concentra tion of Cd2+ for 7 day s to study the changes in chemical components , and some
phy siolo gical cha racteristics such as malondia ldehyde(MDA), so lubility suga r(SS)and so lubility pr otein (Pr)w ere also stud-
ied.Malondialdehyde and solubility sugar were measured by anthrone colo rimetry and solubility pro tein w as measured by bril-
liant blue and commassie dye.The results show ed tha t with the enhancement of Cd2+ concentration , the contents o f solubility
sugar and so lubility pro tein were enhanced at first and then decreased.How ever , it w as just the oppo site for the content o f ma-
londialdehyde.Based on the indices of w ave number-absorbance , the infra red spectra o f samples with different concent ration of
Cd2+ w ere compared in terms of changes in the phy sio log ical charac ter istics.The tw o bands at 2 920 and 2 855 cm -1 in the C H
stretching region(3 000-2 800 cm -1)o f the spectr a deno te the asymmetric and symmetric lipid CH 2 str etching v ibrations , whose
band height s variety w as related to the change in malondialdehyde content in plant.The distinctive amide-Ⅰ band at 1 635 cm -1
and amide-Ⅱ band a t 1 545 cm -1 a rise from endogenous proteins.In the region below 1 500 cm -1 , a variety of characteristic IR
group f requencie s can be obse rved that are difficult to a ssign but the shape of the spectr a in this r egion is char acte ristic and can be
used a s a “ finger pr int” o f the tissue.The band at 1 036 cm -1 —C—O , —C—C o r CH stretching reg ion o f the spectra denotes
the carbohydrate related to the content of so lubility sugar.The results show ed that there w as good co rre spondence betw een the
changes in the phy siological characteristics and the changes of samples based on the indices o f wave number-abso rbance of FT IR
spectra , and the FTIR was mo re sensitive and convenient.Therefo re , Four rier transf orm inf rared spectrometry can be accepted
as a fa st and effectiv e method to study bry ophy tes fo r monito ring the po llution deg ree of heavy metal in environment.
Keywords　Fourier transform infrared spectr oscopy;Physio lo gical cha racteristics;Hypnum f erti le Sendtn.;Cd stress;
Environmental monito ring
(Received Nov.12 , 2008;accepted Feb.28 , 2008)　　
＊Co rr esponding author
623第 3 期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　光谱学与光谱分析