全 文 ：第 42 卷第 6 期 中南大学学报(自然科学版) Vol.42 No.6
2011 年 6 月 Journal of Central South University (Science and Technology) June 2011
 
采用 FTIR 法研究酸模叶蓼对锰胁迫生理响应的影响
 
薛生国，黄艳红，王钧，田守祥，雷杰，何哲祥
 
(中南大学 冶金科学与工程学院，湖南 长沙，410083)
 
摘要：采用准确度好和分辨率高、简便快捷的傅里叶变换红外光谱法(FTIR)研究在不同锰浓度(0.005，0.2，0.5，
2.0 和 10.0 mmol·L−1时酸模叶蓼根、茎和叶化学组分的变化。研究结果表明：茎组织在 3 420 cm−1 和 2 920 cm−1
处峰高先上升后下降，表明糖类和氨基酸等有机物在锰浓度较低时往往作为渗透性调节物质出现，当锰浓度升高
时增强其耐锰性，但其合成和运输受限, 含量逐渐下降；根和叶组组织分别在 2 920 cm−1 和 1 630 cm−1处表现为
酸模叶蓼分泌有机酸不断螯合锰，造成羧酸 O—H 减少；随着锰浓度的升高，其羧酸螯合力变弱；叶组织在
1 630 cm−1处的显著吸收峰可能与酸模叶蓼叶中氨基酸、多肽和蛋白质类物质含量增大有关；酸模叶蓼根、茎、
叶在 1 060 cm−1处最高浓度下峰值的变化，主要表现为膜脂过氧化，这可能与酸模叶蓼的锰耐性有关。因此，利
用 FTIR 研究植物化学组分的变化有助于探讨植物的重金属耐性机理。
关键词：傅里叶变换红外光谱；酸模叶蓼；锰胁迫；化学组分；耐性
中图分类号：O657.3 文献标志码：A 文章编号：1672−7207(2011)06−1528−05
 
Physiological response of Polygonum lapathifolium to
manganese stress by FTIR spectroscopy
 
XUE Sheng-guo, HUANG Yan-hong, WANG Jun, TIAN Shou-xiang, LEI Jie, HE Zhe-xiang

(School of Metallurgical Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: Fourier transform infrared (FTIR) spectrometry, which is accurate, simple and efficient and has high resolution,
was used to investigate the physiological changes in chemical composition of Polygonum lapathifolium during the
nutrient solutions supplemented with concentration of Mn2+ (0.005, 0.2, 0.5, 1.0, 2.0, 5.0, 10.0 mmol·L−1). Using the
roots, stems and leaves of P. lapathifolium, absorption bands corresponding to carbohydrates, ester and proteins vary differently.
The absorption band heights at 3 420 and 2 926 cm−1 of stem tissues rise firstly and then decrease, indicating that the
exudation and transporting situation of organic substances serves as organic osmotic contents to enhance manganese
tolerance under low treatments. Meanwhile, the band heights at 2 920 cm−1 (roots) and 1 630 cm−1 (leaves) which have
different tendencies in accordance with manganese treatments show that the capability to chelate manganese decreases at
higher manganese supply level. In addition, the changes of the bands at 1 060 cm−1 differs from each other, suggesting
that under the conditions of severe manganese stress the ex-oxidation of membrane lipid increases. All the results imply
that it is practical to apply FTIR to explore the physiological mechanism of manganese tolerance by higher plants.
Key words: FTIR; Polygonum lapathifolium L.; manganese stress; chemical composition; tolerance 
                                                                   
收稿日期：2011−01−13；修回日期：2011−03−01
基金项目：国家公益性(环保)行业科研项目(200909065；201109056)；国家自然科学基金资助项目(40771181)；中国博士后科学基金特别资助项目
(200801119)
通信作者：薛生国(1970−)，男，河南焦作人，博士，副教授，从事污染环境修复与金属矿山废弃地生态恢复技术研究；电话：13787148441；E-mail：
sgxue70@yahoo.com.cn
第 6 期 薛生国，等：采用 FTIR 法研究酸模叶蓼对锰胁迫生理响应的影响 1529

矿业废弃地物理结构不良、养分缺乏、重金属毒
性大等，一般植物难以生长[1]。植物稳定技术利用耐
性植物降低重金属的生物有效性，是一种比较有应用
前景的环境友好技术[2−3]。Baker[4]认为植物对重金属
耐性的获得可通过 2 种途径：一是排斥性，即重金属
被植物吸收后通过主动运输或老化器官脱落排出体
外，或者重金属在植物体内的运输受到阻碍；另一途
径是积累性，即重金属在植物体内以不具生物活性的
解毒形式存在，如细胞壁的锰沉淀作用阻止过多的锰
进入原生质，进入原生质的锰还可以通过向液泡中输
送而减少原生质中的浓度，以有机酸，蛋白质类物质
与锰反应形成沉淀和螯合物降低自由态的锰浓度。傅
里叶红外光谱(Fourier transform infrared spectrometry，
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，其作为一种分析生物高分子聚合物的方
法，已广泛应用于大分子化合物结构分析以及蛋白质
的二级结构解析，是获取分子结构信息的有力工具，
而且只要各种化学成分的含量相对稳定，样品的处理
方法按统一要求进行，其红外光谱是相对稳定的[5]。
研究表明：酸模叶蓼(Polygonum lapathifolium)在 5.0
mmol·L−1和 10.0 mmol·L−1 锰处理条件下，叶锰含量分
别达 18.71 和 27.66 g/kg(干重)生长正常，并未出现锰
毒症状，是一种潜在的锰超积累植物，因此，探讨不
同锰处理条件下其植物化学组成上的差异将有利于揭
示其耐锰机制。目前，国内外对锰耐性植物不同组织
器官化学组分进行 FTIR 的研究较少[6]，对酸模叶蓼的
相关研究尚未见报道，为此，本文作者利用 FTIR 对
酸模叶蓼根、茎和叶的化学组分进行研究，以便为重
金属污染环境修复提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验方法
酸模叶蓼种子播种于装有洗净细砂的花盆中育
苗。待幼苗萌发 2 周后，依次在 0.25 Hoagland 营养液
和 0.50 Hoagland 营养液预培养 15 d，选取生长一致的
酸模叶蓼幼苗，将根部用去离子水洗净，移至外壁不
透光的塑料容器。设定 6 种锰浓度分别为 0.005，0.2，
0.5，2.0，5.0 和 10.0 mmol·L−1 。锰以 MnCl2的形式
加入，每个处理进行重复 3 次实验。每 4 d 换 1 次营
养液，每天用 0.1 mol/L NaOH 或 0.1 mol/L HCl 调 pH
至 5.5 左右，保持连续通气。植物在 35 d 后收获，用
去离子水洗净，分别取根、茎、叶 3 部分于 105 ℃杀
青 30 min,然后于 75 ℃烘箱中干燥 48 h，用万能粉碎
机粉碎，过 75 µm 筛。
1.2 傅里叶红外光谱分析
应用 FRIR 仪(美国 Nicolet 公司 Nexus 670,光谱范
围为 4 000~500 cm−1，分辨率为 4 cm−1，扫描累加次
数 32 次)测定酸模叶蓼各组织器官光谱信息。
1.3 数据分析
实验数据采用 Microsoft Excel 2003 进行分析，并
采用 Origin(8.0)对红外光谱数据图谱进行处理。

2 结果与分析

2.1 根的 FTIR 分析
图 1 所示为不同锰浓度酸模叶蓼根的红外光谱
图，图 2 为其特征峰变化图。从图 1 可见：在 3 420 cm−1
附近的峰是分子间氢键 O—H 自由羟基的伸缩振动
峰，主要来自于纤维素、半纤维素、多糖等碳水化合
物[7]；随着锰处理浓度的升高，吸收峰移向低频 3 390
cm−1，同时峰形变窄。从图 2 可以看出：随着锰处理
浓度的升高(0.005~2.0 mmol·L−1)，吸光度上下波动，
但峰值总体变化不大，说明低外源锰处理对纤维素、
半纤维素、多糖等碳水化合物的合成和运输影响不大；
当锰浓度为 2.0~5.0 mmol·L−1 时，峰值随着外源锰处
理浓度的升高而下降，根外表皮细胞壁的羟基吸附结
合 Mn2+形成稳定的化合物，使细胞表面的氢键减少；
当锰浓度大于 5.0 mmol·L−1时，峰值又呈上升态势，
说明高外源处理浓度的锰可能破坏了根外表皮细胞壁


c(Mn2+)/(mmol·L−1)：(a) 0.005；(b) 0.2；(c) 0.5；
(d) 2.0；(e) 5.0；(f) 10.0
图 1 不同锰浓度下酸模叶蓼根系的
傅里叶红外光谱图
Fig.1 Absorption FTIR spectra of roots of P. lapathifolium
in different manganese concentrations
中南大学学报(自然科学版) 第 42 卷 1530


波数/cm−1：1—1 060；2—1 630；3—2 920；4—3 420
图 2 不同锰浓度下酸模叶蓼根系的特征峰变化图
Fig.2 Band height changes in roots of P. lapathifolium in
different manganese concentrations

的羟基吸附结合 Mn2+的机制，导致根外表皮细胞壁的
羟基无法结合 Mn2+，引起峰值升高。
2 920 cm−1附近的吸收峰是饱和 C—H 键的伸缩
振动, 主要来自于细胞壁中蛋白质、纤维素和果胶等
组织成分 (图 1) ；随着锰浓度的升高 (0.005~0.5
mmol·L−1)，吸光度未发生明显变化，表明低锰胁迫对
细胞壁中的蛋白质、纤维素和果胶质等组织成分的分
泌和运输影响不大；当锰浓度为 0.5~5.0 mmol·L−1时，
吸光度先上升后下降(图 2)，说明随着锰浓度的升高，
酸模叶蓼的根部细胞不断分泌有机酸，螯合锰的有机
酸消耗速率和根部的有机酸分泌速率相互作用，导致
羧酸频带先上升后下降；当锰浓度大于 5.0 mmol·L−1
时，羧酸螯合力变弱，锰毒害进一步加重，频带略微
上升。
1 060 cm−1 附近的吸收峰为碳水化合物(醇、醚
基、酯基或酚)的 C—O 基团的伸缩振动[8](图 1)。随着
锰浓度的升高(0.005~0.5 mmol·L−1)，吸光度变化不大，
但在锰浓度为 2.0 mmol·L−1时，出现显著吸收峰，峰
值达到最大，当锰浓度大于 2.0 mmol·L−1时，峰值下
降；当锰浓度在 0.5~2.0 mmol·L−1 时，膜过氧化机制
对峰值变化起主导作用，随着锰浓度的升高，膜过氧
化程度加深，脂肪族酮类化合物过氧化产物在根部积
累，引起峰值升高。而在锰浓度大于 2.0 mmol·L−1后，
高外源处理浓度的锰可能破坏了膜过氧化机制，造成
脂肪族酮类化合物过氧化产物减少，引起峰值下
降[9−11]。
2.2 茎的 FTIR 分析
图 3 所示为不同锰浓度下酸模叶蓼茎的红外光谱
图，图 4 所示为不同锰浓度下酸模叶蓼茎的特征峰变


c(Mn2+)/(mmol·L−1)：(a) 0.005；(b) 0.2；(c) 0.5；
(d) 2.0；(e) 5.0；(f) 10.0
图 3 不同锰浓度下酸模叶蓼茎的傅里叶红外光谱图
Fig.3 Absorption FTIR spectra of stems of
P. lapathifolium in different manganese concentrations


波数/cm−1：1—1 060；2—1 630；3—2 920；4—3 420
图 4 不同锰浓度下酸模叶蓼茎的特征峰变化图
Fig.4 Band height changes in stems of P. lapathifolium in
different manganese concentrations

化图。从图 4 可见：随着生长介质锰浓度的升高，吸
光度先下降后上升。这表明在外源锰的胁迫作用下
(0.005~0.5 mmol·L−1)，茎细胞的细胞壁羟基吸附结合
Mn2+，使细胞表面的氢键减少，引起峰值下降；而当
生长介质锰浓度为 0.5~10.0 mmol·L−1时，随着锰处理
浓度的升高，该峰的吸光度上升。这说明高外源处理
浓度的锰促进了纤维素、半纤维素、多糖等有机物的
分泌和运输，酸模叶蓼则通过渗透作用来增强茎对外
源锰的抗逆性。
2 920 cm−1 附近的振动吸收带，主要来自于碳水
化合物、维生素和各种膜及细胞壁的组织等成分，这
与茎的运输功能有关。从图 3 可以看出：该处峰形未
第 6 期 薛生国，等：采用 FTIR 法研究酸模叶蓼对锰胁迫生理响应的影响 1531
发生明显位移，肩峰变化不大。随着锰浓度的升高
(0.005~0.5 mmol·L−1)，吸光度变化不大，当锰浓度大
于 0.5 mmol·L−1时，吸光度轻微升高与下降(图 4)。这
表明锰浓度小于 0.5 mmol·L−1 时，低锰处理对酸模叶
蓼茎的运输功能影响不大。在锰浓度大于 2.0
mmol·L−1 时，促进酸模叶蓼产生碳水化合物等物质增
强其锰耐性，但当锰浓度大于 5.0 mmol·L−1时，高外
源处理浓度的 Mn2+已经影响了细胞中碳水化合物等
的合成和运输。
1650~1620 cm−1 处为缔合态伯酰胺面内弯曲振
动(δ N-H)的吸收带。从图 4 可见：随着锰浓度的升高
(0.005~0.2 mmol·L−1)，吸光度下降，说明蛋白二级结
构中，肽键间氢键的结合力变弱；当锰浓度大于 0.2
mmol·L−1时，吸光度上升，可能是由于不断增加的外
源锰诱导富脯氨酸蛋白、病害相关蛋白和富甘氨酸蛋
白等蛋白的合成，这些重金属胁迫诱导蛋白可能具有
保护植物细胞免受重金属毒害的作用[9]，而锰浓度大
于 0.2 mmol·L−1时出现的吸收峰上升可能与酸模叶蓼
叶中氨基酸、多肽和蛋白质类物质含量升高有关；当
锰浓度大于 2.0 mmol·L−1时，吸光度下降，说明蛋白
二级结构中肽键间氢键的结合力受影响较大。
从图 3 看出：随着锰浓度的升高，其最大吸收带
由对照的 1 060 cm−1移到 1 052 cm−1附近，但峰形变
化不大，肩峰变化不明显；随着锰浓度的升高
(0.005~0.5 mmol·L−1)，吸光度变化不大。在锰浓度为
2.0 mmol·L−1 时，出现显著吸收峰，峰值达到最大；
而当锰浓度大于 2.0 mmol·L−1时，吸光度下降。说明
锰浓度为 0.5~2.0 mmol·L−1 时，膜过氧化机制对峰值
变化起主导作用，随着锰浓度的升高，膜过氧化程度
加深，脂肪族酮类化合物过氧化产物在根部积累，引
起峰值升高。当锰浓度大于 5.0 mmol·L−1时，高浓度
的 Mn2+可能破坏了此机制，造成脂肪族酮类化合物过
氧化产物减少，引起峰值下降。
2.3 叶的 FTIR 分析
图 5 为不同锰浓度下酸模叶蓼叶的傅里叶红外光
谱图，图 6 为其特征峰变化图。3 420 cm−1附近的吸
收峰反映叶片中碳水化合物(纤维素、半纤维素、多
糖)、脂肪酸、蛋白质和核酸等对光谱的贡献(图 5)。
由图 6 可以看出：随着锰浓度的升高 (0.005~0.5
mmol·L−1)，吸光度无明显变化，说明低锰胁迫对酸模
叶蓼叶片中碳水化合物等有机物的运输和合成没有明
显影响，表现出酸模叶蓼对外源锰的耐性特征；当锰
浓度大于 0.5 mmol·L−1时，该峰的吸光度先下降后上
升。说明随着锰浓度的持续升高，酸模叶蓼叶片的生
理过程开始受到影响；当锰浓度大于 0.5 mmol·L−1时，
吸光度下降，这是因为叶片表皮细胞壁的羟基吸附结
合锰，使细胞表面的氢键减少；当锰浓度大于 2.0
mmol·L−1时，吸光度上升。这说明随着锰浓度的升高
促进了碳水化合物等有机物的分泌和运输，通过渗透
作用来增强叶对锰的抗逆性。
2 920 cm−1处的吸收峰主要来自于维生素和各种
膜及细胞壁的组织成分等，这与酸模叶蓼的运输功能
有关(图 5)。该处肩峰变化不大，随着锰浓度的升高
(0.005~0.5 mmol·L−1)，吸光度变化不大。当锰浓度大
于 0.5 mmol·L−1时，吸光度先下降后升高。说明低浓
度的 Mn2+对酸模叶蓼中羧酸等物质运输影响不大，但
在锰浓度大于 0.5 mmol·L−1时，吸光度下降，是因为
叶部中有机酸不断螯合 Mn2+，降低 Mn2+对叶的毒害。
当锰浓度大于 2.0 mmol·L−1时，吸光度的上升，则说
明随着锰供应水平的不断升高，促进了碳水化合物等
有机物的分泌和运输，通过渗透作用来增强叶对锰的
抗逆性。
从图 6 可见：随着锰浓度的升高(0.005~0.5
mmol·L−1)，1 650~1 620 cm−1处的吸收峰变化不大。
说明蛋白二级结构中肽键间氢键的结合力受影响较
小；当锰浓度大于 2.0 mmol·L−1时，吸光度下降。说
明随着锰浓度的升高，蛋白二级结构中，肽键间氢键
的结合力变弱；当锰浓度大于 2.0 mmol·L−1 时，吸光
度上升，可能是由于不断增加的外源锰诱导富脯氨酸
蛋白、病害相关蛋白和富甘氨酸蛋白等一些蛋白的合
成，Didierjean 等[12]认为这些重金属胁迫诱导蛋白可
能具有保护植物细胞免受重金属毒害的作用；而浓度
大于 2.0 mmol·L−1时出现的吸收峰上升可能与酸模叶
蓼叶中氨基酸、多肽和蛋白质类物质含量升高有关。


c(Mn2+)/(mmol·L−1)：(a) 0.005；(b) 0.2；(c) 0.5；
(d) 2.0；(e) 5.0；(f) 10.0
图 5 不同锰浓度下酸模叶蓼叶的傅里叶红外光谱图
Fig.5 Absorption FTIR spectra of stems of P. lapathifolium in
different manganese concentrations
中南大学学报(自然科学版) 第 42 卷 1532


波数/cm−1：1—1 060；2—1 630；3—2 920；4—3 420
图 6 不同锰浓度下酸模叶蓼茎的特征峰变化图
Fig.6 Band height changes in leaves of P. lapathifolium in
different manganese concentrations

随着锰浓度的升高 (0.005~0.500 mmol·L−1) ，
1 060cm−1附近吸收峰值(图 5)无明显变化。说明低浓
度的 Mn2+对该类物质的运输影响不大。当锰浓度大于
0.5 mmol·L−1 时，吸光度出现略微下降。说明当锰浓
度大于 0.5 mmol·L−1时，外源 Mn2+已影响了酸模叶蓼
中碳水化合物的运输。当锰浓度大于 2.0 mmol·L−1时，
吸光度上升，可能是膜过氧化程度加深，脂肪族酮类
化合物过氧化产物在叶部积累，引起峰值升高。

3 结论

(1) 糖类和氨基酸等有机化合物在低锰浓度处理
下往往作为渗透性调节物质出现，含量升高，其耐锰
性增强，但随着锰浓度的升高，其合成和运输受限，
含量逐渐下降。
(2) 根和叶分别在 2 920 cm−1和 1 630 cm−1处表现
为酸模叶蓼分泌有机酸不断螯合锰，造成羧酸 O—H
减少；随着锰浓度的升高，其羧酸螯合力变弱；叶在
1 630 cm−1处的显著吸收峰可能与酸模叶蓼叶中氨基
酸、多肽和蛋白质类物质含量升高有关。
(3) 酸模叶蓼根、茎、叶在 1 060 cm−1处在最高锰
浓度下吸光度特征峰值的变化，主要表现是膜脂过氧
化，这可能与酸模叶蓼的锰耐性有关。

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(编辑 陈灿华)