全 文 ：生态与农村环境学报 2016，32 (1):157－167
Journal of Ecology and Ｒural Environment
硒处理下紫云英二维红外相关光谱与主成分分析
袁菊红1，胡绵好2① (1. 江西财经大学环境与植物科学研究所，江西 南昌 330032;2. 江西财经大学鄱阳湖生态经济
研究院，江西 南昌 330032)
摘要:利用傅里叶变换红外光谱、二维红外相关光谱法和主成分分析方法研究不同硒处理(0、0. 2、0. 5、1. 0、1. 5、
2. 0、2. 5、5. 0 mg·L－1)对紫云英地上和地下部物质成分变化的影响，探讨不同浓度硒处理下紫云英化学成分的光
谱学差异及微观动力学变化。结果表明:紫云英地上和地下部吸收峰峰形基本没有变化，但吸光度变化较大，说
明不同浓度硒对紫云英化学成分改变较小，但对其含量改变较大;紫云英地下部─OH、C─OH 和 C O 基团和地
上部 C O、─OH和─COO基团吸收峰位移变化明显，说明不同浓度硒处理对这些基团有明显影响，它们可与硒
的吸收、络合和运输密切相关;紫云英在 890～1 750 cm－1区域内基团之间有很强的协同作用或强烈的相互作用，其
二维红外相关光谱图差异明显，这表明二维红外相关分析能提供更丰富的结构信息，提高图谱的分辨率，并能捕
捉到浓度变化过程中物质体系和分子结构的动态变化，为重金属胁迫下植物耐性机制研究提供有效方法。
关键词:硒处理;紫云英;傅里叶变换红外光谱;二维红外相关光谱法;主成分分析
中图分类号:X132 文献标志码:A 文章编号:1673－4831(2016)01－0157－11
DOI:10．11934 / j．issn．1673－4831．2016．01．025
Two-Dimensional Infrared Correlation Spectroscopy and Principal Components Analysis of Se-Treated Astragalus
sinicus． YUAN Ju-hong1，HU Mian-hao2(1. Institute of Environment and Plant Science，Jiangxi University of Finance and
Economics，Nanchang 330032，China;2. Institute of Poyang Lake Eco-Economics，Jiangxi University of Finance ＆ Eco-
nomics，Nanchang 330032，China)
Abstract:Changes in material compositions of the shoots and roots of Astragalus sinicus treated with different
concentration of selenium (Se)(0，0. 2，0. 5，1. 0，1. 5，2. 0，2. 5 and 5. 0 mg·L－1)were analyzed，using the fourier
transform infrared spectrometry，two-dimensional infrared correlation spectroscopy and principal components analysis，in
order to investigate variation of the chemical composition of A． sinicus in spectroscopy and microscopic dynamics relative to
concentration of Se in treatment． Ｒesults show that the shoots and roots of A． sinicus did not change much in shape of their
Se absorption peaks，but did quite obviously in absorbence，which indicates that concentration of Se did not affect much
chemical composition of the plant，but did its content in the plant;The —OH，C— OH and C O group absorption peaks
in the roots and the C O，—OH and —COO group absorption peaks in the shoots of the plant moved in location，indica-
ting that concentration of Se in the soil had a significant effect on these groups in the plant，which shows that they may be
closely related to the absorption，complexation，and transportation of Se in the plant． Within the band of 890－1 750 cm－1
these groups in A． sinicus displayed a strong synergic effects or a strong interaction and varied sharply in two-dimensional
infrared correlation spectroscopy，which indicates that the two-dimensional infrared correlation spectroscopy provides richer
information about their structures，improves resolution of the spectra and captures dynamic changes in material system and
molecular structure with changing Se concentration，and further on providing the study on mechanisms of plants tolerating
heavy metal stress with an effective tool．
Key words:selenium treatment;Astragalus sinicus; fourier transform infrared spectrometer; two-dimensional infrared
correlation spectroscopy;principal components analysis
收稿日期:2015－03－26
基金项目:国家自然科学基金(21407069，21367013，41161064);江
西省自然科学基金(20142BAB203024，20151BAB203034);江西财
经大学优秀学术人才支持计划(K00292025)
① 通信作者 E-mail:yankeu1@ 163．com
硒(Se)是人和动物必需的微量元素，具有抗衰
老、抗癌和解毒等作用，是植物生长发育所需的有
益元素，对植物抗氧化、抗逆性、拮抗外界重金属污
染和参与植物新陈代谢等有重要作用［1］。自 1932
年从植物中检测出 Se 以来［2］，高等植物 Se 领域的
研究无论从广泛性还是从深度性都比动物和人体
健康领域的研究落后，然而环境无机 Se通过高等植
·158· 生 态 与 农 村 环 境 学 报 第 32卷
物的同化作用进入生命有机体系中，且植物中 Se 的
生物有效性不仅比动物 Se 产品要高，其有机 Se 也
比无机 Se安全有效，所以植物 Se 是决定食物链中
Se水平的重要环节。但植物体内 Se 含量与环境中
Se含量和形态、植物种类及其生长环境有一定关
系，加之 Se 是一种两性元素，正常营养与中毒剂量
之间的范围很窄，在一定浓度范围内有利于植物的
生长，过量则会抑制植物生长，甚至导致植物死
亡［3－5］。因此，开展植物耐 Se 性及富 Se 能力、施 Se
量及其产品中 Se水平的调控研究对充分发挥 Se 在
土壤－植物系统中的植物－动物－人类食物链中的作
用具有重要的现实意义。
傅里叶变换红外光谱(fourier transform infrared
spectrometer，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，可帮助判断分子中含
有何种官能团，更重要的是可比较不同样品的红外
光谱差异，从而反映样品在植物化学组成上的差异
程度，已被广泛应用于大分子化合物结构分析及蛋
白质的二级结构解析［6－8］。二维红外相关光谱法
(two dimensional infrared correlation spectroscopy)是
建立在以一定形式外扰条件下对红外信号的时间
分辨检测基础之上的一种较为新型的光谱分析技
术，是研究功能基团动态结构变化和分子内、分子
间相互作用的强有力手段［9］。近年来，二维红外相
关光谱的扩展提高了红外光谱的分辨率，增强了其
谱图的识别能力，因外扰(如温度、压力、浓度、反应
时间、磁场等)引起的细微特征光谱变化更加受到
广泛关注。
紫云英(Astragalus sinicus)是豆科黄芪属一年
或越年生草本植物，是重要的冬季绿肥作物，不仅
具有农用、食用、药用价值和富 Se 特性等［10］，还具
有改良土壤、提升土壤肥力、增加土壤有机质含量、
减少土壤重金属含量［11］、提高种植区食物链中 Se
含量和保护农业生产环境的作用。目前我国大多
数地区种植的紫云英，主要用于绿肥生产、花卉观
赏及其富 Se食品的开发［10］。虽然有关紫云英的富
Se特性［12］，外源 Se 对紫云英品质、产量［13］，以及紫
云英体内 Cu、Zn 和 Pb 重金属的胁迫效应［14］等方
面的研究已有报道，但有关外源 Se浓度与紫云英不
同组织器官化学组分光谱变化的关系的研究却鲜
见报道。因此，笔者在前期研究［15］基础上，利用
FTIＲ、二维红外相关光谱技术和主成分分析(PCA)
方法，深入探讨不同浓度 Se处理紫花苜蓿各器官的
化学组分差异及其微观动力学机理，以期为牧草富
Se和耐 Se机制研究提供新的方法和思路，为富 Se
紫云英在农业生态环境和预防 Se缺乏、促进健康等
的综合开发利用方面提供理论参考。
1 材料与方法
1. 1 植物预处理及试验设计
紫云英(Astragalus sinicus)种子购自江西省南
昌市花鸟市场。试验于 2013年 10月在江西财经大
学江西省生态环境实验中心进行。挑选大小均匀
饱满的紫云英种子 100粒，用 w为 0. 1%的 HClO 溶
液消毒 10 min，用水洗净，均匀播种在装有沙子的
育苗盘中，在室内条件下培养，待小苗长出第 2 片
真叶时，挑选长势一致的幼苗，移入水培装置中，每
盆 4束苗 (15株·束－1)，先用自来水培养 2 周，待
长出 2～3片营养叶，根长达 5 cm时，挑选长势一致
的幼苗，用 w为 25%的霍格兰氏(Hoagland)营养液
预培养 1周，再在 w 为 50%的营养液中培养 1 周，
最后在全营养液中培养 2 周后再更换为不同浓度
Se 的培养液进行处理。
添加 Na2SeO3 到营养液中，设置 8个 Se 浓度梯
度:0、0. 2、0. 5、1. 0、1. 5、2. 0、2. 5 和 5. 0 mg·L－1。
试验在室内进行，每处理 24 株苗，3 次重复。试验
期间每天补水 1次，5 d 换 1 次营养液，所有处理溶
液的 pH 值控制在 6. 5 ± 0. 1，处理 18 d后收获紫云
英植株，将其分成地上部(包括茎、叶)和地下部
(根)2个部分，然后在 105 ℃的鼓风干燥箱中杀青
30 min，在 65 ℃条件下烘干至恒重后用于红外光谱
测定。
1. 2 测定方法
将烘干的紫云英地上部和地下部样品磨碎至
粉末状，过 0. 150 μm孔径筛后置于 50 ℃ 烘箱中烘
至恒重。准确称取 1. 000 mg样品与 KBr充分混合，
其质量比为 1 ∶ 200，压片测定。测定仪器为傅里叶
变换红外光谱仪(Nicolet FTIＲ－570)和 DTGS 检测
器，扫描范围 400～ 4 000 cm－1，分辨率 4 cm－1，扫描
累加 32次。每个处理样本制备 9个锭片，每个锭片
采集 6张图谱，取其平均图谱作为最后的样品图谱。
1. 3 数据分析
用 OMNICE． S． P． 5．1 同步智能软件进行 ATＲ
校正，每个处理样品测定前均对背景进行测定，得
到紫云英在不同 Se 浓度处理下地上部和地下部的
FTIＲ一维分析图谱，并根据吸收峰的吸光度值筛选
特征峰，用 SPSS 19. 0 软件对特征峰进行主成分分
析，采用 2D Shige 软件和 Origin 8. 5 软件对红外谱
图进行二维相关分析。
根据吸收峰吸光度值的特点筛选出 6个比较典
第 1期 袁菊红等:硒处理下紫云英二维红外相关光谱与主成分分析 ·159·
型的吸收峰，以不同浓度硒处理的紫云英为对象，
以不同波数段上的吸光度值为指标，构建原始数据
矩阵。将原始数据矩阵中的吸光度值转化为成分
比例后，应用 SPSS 19. 0 软件对数据进行主成分分
析(principal component analysis，PCA)，得到表征不
同浓度硒处理下紫云英 FTIＲ特征峰的相关性。
2 结果与讨论
2. 1 不同浓度硒处理对紫云英一维红外光谱的
影响
傅里叶一维红外光谱图谱可帮助判断其化学
成分所含何种官能团，并根据官能团特征找到相应
红外光谱吸收峰的归属，还可通过其反映不同处理
下样品在植物化学组成上的差异程度。不同浓度
Se处理紫云英化学组成基本相似，但化学成分含量
发生了一定变化。图 1是不同浓度硒处理下紫云英
地上部和地下部的 FTIＲ 图谱。由图 1可见，不同浓
度处理紫云英红外光谱存在一定差异，主要表现为
各特征峰的吸收强度有所变化和指纹区小峰的微
小差异，各谱峰归属为:(1)3 300 ～ 3 800 cm－1附近
的吸收峰为羟基(O—H)和氨基(N—H)吸收的叠
加，主要反映植物所含蛋白质、核酸等在光谱中的
贡献［16］;(2)2 922 cm－1附近的吸收为亚甲基 CH2
不对称伸缩振动，2 866 cm－1附近的吸收峰为亚甲基
CH2 对称伸缩振动
［17］，主要来自于蛋白质、核酸、碳
水化合物、维生素和各种膜及细胞壁的组织等成
分。(3)1 620～ 1 643 cm－1附近为蛋白质酰胺Ⅰ带
的 C O 伸缩振动［18］，酰胺Ⅰ带(1 600 ～ 1 700
cm－1)包含了蛋白质丰富的二级结构信息，常用来解
析蛋白质的二级结构［6］;(4)1 539 cm－1附近为蛋白质
酰胺Ⅱ带的 N—H键的弯曲振动［19］;(5)1 381～1 442
cm－1附近的吸收峰主要为—COO 的对称伸缩振动，
是脂肪酸吸收区［20］;(6)1 245～1 270 cm－1附近的吸
收峰主要为蛋白质酰胺Ⅲ带的 C—N 伸缩振动和
N—H弯曲振动［8］;(7)900～ 1 200 cm－1附近的吸收
峰为 C—O伸缩振动、C C或芳环骨架振动叠加和
糖苷类物质的 C—O(H)伸缩振动［21］，主要是多糖
及其糖苷的特征吸收［22］;(8)400 ～ 900 cm－1附近的
吸收峰为 C—O面外弯曲和 O—C—H变角振动，主
要是糖类异构体的特征吸收［22］。
对不同浓度 Se处理紫云英地上和地下部 FTIＲ
进行分析，结果表明，各组分在不同浓度 Se 处理的
峰形基本保持不变，只有某些参与重金属吸附官能
团的吸收峰发生了不同程度的位移，没有参与重金
属吸附官能团的吸收峰位移均较小。变化较明显
的有羟基(3 381 ～ 3 743 cm－1)、羧基(1 381 ～ 1 442
cm－1)和酰胺基(1 620～1 643和 1 245～1 270 cm－1)
等吸收峰，这表明—OH 可能与 Se 的吸收、络合有
关;也表明不同浓度 Se处理可能导致紫云英的孤立
羧基(—COOＲ)和蛋白质结构或含量发生变化。该
研究结果与曾峰等［8］对空心莲子草、落葵和菊苣在
高浓度 U胁迫下的研究结果相似。
ρ(Se)/(mg·L－1):a—0;b—0. 2;c—0. 5;d—1. 0;e—1. 5;f—2. 0;g—2. 5;h—5. 0。
图 1 不同浓度硒处理下紫云英地上部和地下部的 FTIＲ 图谱
Fig. 1 FTIＲ spectra of shoots and roots of A． sinicus relative to concentration of Se in treatment
·160· 生 态 与 农 村 环 境 学 报 第 32卷
2. 2 不同浓度硒处理紫云英 FTIＲ 一维光谱特征峰
的 PCA分析
2. 2. 1 地下部 FTIＲ一维光谱特征峰的 PCA分析
由表 1可知，紫云英地下部 FTIＲ 主要特征峰之
间的相关性很高。在 KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)和
Bartlett球形检验中，一般 KMO 值大于 0. 9 时效果最
佳，0. 7以上可以接受，0. 5以下不宜作因子分析。该
研究中，KMO 值为 0. 807，说明可进行因子分析;
Bartlett检验的 F值等于 0. 000，表明主要特征峰之间
存在显著相关性。
由表 2 可知，第 1 个主成分累积百分率就达
97. 404%，表明第 1 个主成分就可代表全部因子
97. 404%的综合信息，后 5 个主成分仅反映 Se 胁迫
下紫云英地下部 FTIＲ 主要特征峰变化的 2. 596%信
息。因此，第 1个主成分为反映 Se 胁迫下紫云英地
下部 FTIＲ特性的重要主成分。
表 1 硒胁迫下紫云英地下部 FTIＲ特征峰强度的相关系数
Table 1 Correlation matrix of the characteristic peak inten-
sity in the FTIＲ spectra of the roots of A． sinicus under
Se stress
特征峰
强度
A1 620. 16 A1 393. 18 A3 381. 78 A2 922. 90 A1 265. 15 A1 077. 52
A3 416. 02 1. 000
A2 927. 05 0. 990＊＊＊ 1. 000
A1 631. 97 0. 990＊＊＊ 0. 989＊＊＊ 1. 000
A1 393. 26 0. 960＊＊＊ 0. 963＊＊＊ 0. 988＊＊＊ 1. 000
A1 255. 84 0. 973＊＊＊ 0. 986＊＊＊ 0. 993＊＊＊ 0. 991＊＊＊ 1. 000
A1 030. 30 0. 955＊＊＊ 0. 978＊＊＊ 0. 948＊＊＊ 0. 914＊＊＊ 0. 954＊＊＊ 1. 000
＊＊＊表示在 0. 001水平上显著相关。
表 2 硒胁迫下紫云英地下部 FTIＲ 特征峰强度的主成分解
释的总方差
Table 2 Total variance explained with PCA of the charac-
teristic peak intensity in the FTIＲ spectra of the roots of A．
sinicus under Se stress
主成分 特征值 百分率 /% 累积百分率 /%
1 0. 037 97. 404 97. 404
2 0. 001 1. 896 99. 300
3 0. 000 0. 617 99. 917
4 2. 379×10－5 0. 063 99. 980
5 5. 527×10－6 0. 015 99. 994
6 2. 232×10－6 0. 006 100. 000
表 3是硒胁迫下紫云英地下部 FTIＲ特征峰强度
成分和成分得分系数。由于主成分是由 6 个指标组
成，根据表 3中成分得分系数及变量的观测值可计算
因子得分，函数式如下:
f1 = 0. 261x1 + 0. 122x2 + 0. 204x3 + 0. 110x4 +
0. 056x5 + 0. 260x6。 (1)
式(1)中，x1 ～ x6 分别为 A3 416. 02、A2 927. 05、A1 631. 97、
A1 393. 26、A1 255. 84和 A1 030. 30变量，各变量均为经过均值
为 0、标准差为 1 标准化处理后的变量。由式(1)可
知，第 1主成分中波数为 3 416. 02 cm－1的吸光度系
数最大，其次分别是 1 030. 30、1 631. 97、2 927. 05、
1 393. 26和1 255. 84 cm－1，说明不同浓度 Se 处理对
紫云英根系中—OH、C—OH和 C O基团影响较大。
表 3 硒胁迫下紫云英地下部 FTIＲ 特征峰强度成分和成分
得分系数
Table 3 Component matrix and component score coefficient
matrix of the characteristic peak intensity in the FTIＲ
spectra of the roots of A． sinicus under Se stress
特征峰强度 成分(成分 1) 成分得分系数(成分 1)
A2 927. 05 0. 067 0. 122
A1 631. 97 0. 087 0. 204
A3 416. 02 0. 098 0. 261
A1 255. 84 0. 045 0. 056
A1 030. 30 0. 097 0. 260
A1 393. 26 0. 063 0. 110
2. 2. 2 地上部 FTIＲ一维光谱特征峰的 PCA分析
由表 4可知，紫云英地上部 FTIＲ 主要特征峰之
间的相关性也很高。根据 KMO和 Bartlett 统计，该研
究中 KMO 值为 0. 725，可进行因子分析，且 Bartlett
检验的 F值等于 0. 000，说明主要特征峰之间也存在
显著相关性。由表 5可知，第 1个主成分累积百分率
达 99. 57%，说明第 1 个主成分可代表全部因子
99. 57%的综合信息，后 5个主成分仅反映 Se 胁迫对
紫云英地上部 FTIＲ 主要特征峰的 0. 43%信息。因
此，第 1 个主成分为反映 Se 胁迫下紫云英地上部
FTIＲ特性的重要主成分。
表 4 硒胁迫下紫云英地上部 FTIＲ特征峰强度的相关系数
Table 4 Correlation matrix of the characteristic peak inten-
sity in the FTIＲ spectra of the shoots of A． sinicus under Se
stress
特征峰
强度
A1 620. 16 A1 393. 18 A3 381. 78 A2 922. 90 A1 265. 15 A1 077. 52
A1 620. 16 1. 000
A1 393. 18 0. 996＊＊＊ 1. 000
A3 381. 78 0. 995＊＊＊ 0. 994＊＊＊ 1. 000
A2 922. 90 0. 993＊＊＊ 0. 996＊＊＊ 0. 998＊＊＊ 1. 000
A1 265. 15 0. 996＊＊＊ 0. 997＊＊＊ 0. 995＊＊＊ 0. 995＊＊＊ 1. 000
A1 077. 52 0. 990＊＊＊ 0. 993＊＊＊ 0. 995＊＊＊ 0. 992＊＊＊ 0. 995＊＊＊ 1. 000
＊＊＊表示在 0. 001水平上显著相关。
第 1期 袁菊红等:硒处理下紫云英二维红外相关光谱与主成分分析 ·161·
表 5 硒胁迫下紫云英地上部 FTIＲ 特征峰强度的主成分解
释的总方差
Table 5 Total variance explained with PCA of the charac-
teristic peak intensity in the FTIＲ spectra of the shoots of A．
sinicus under Se stress
主成分 特征值 百分率 /% 累积百分率 /%
1 0. 043 99. 570 99. 570
2 8. 423×10－5 0. 194 99. 764
3 4. 847×10－5 0. 111 99. 875
4 4. 340×10－5 0. 100 99. 975
5 8. 427×10－6 0. 019 99. 995
6 2. 358×10－6 0. 005 100. 000
表 6是硒胁迫的紫云英地上部 FTIＲ特征峰强度
成分和成分得分系数。由于主成分是由 6 个指标组
成，根据表 6中成分得分系数及变量观测值可计算因
子得分，函数式如下:
f1 = 0. 277x1 + 0. 176x2 + 0. 251x3 + 0. 137x4 +
0. 05x5 + 0. 110x6。 (2)
式(2)中，x1 ～ x6 分别为 A1 620. 16、A1 393. 18、A3 381. 78、
A2 922. 90、A1 265. 15和 A1 077. 52变量，各变量均为经过均值
为 0、标准差为 1 标准化处理后的变量。由式(2)可
知，第 1主成分中波数为 1 620. 16 cm－1的吸光度系
数最大，其次分别是 3 381. 78、1 393. 18、2 922. 90、
1 077. 52和 1 265. 15 cm－1。由此说明不同浓度 Se处
理对紫云英地上部 C O、—OH 和—COO 基团影响
较大。
表 6 硒胁迫下紫云英地上部 FTIＲ 特征峰强度成分和成分
得分系数
Table 6 Component matrix and component score coefficient
matrix of the characteristic peak intensity in the FTIＲ
spectra of the shoots of A． sinicus under Se stress
特征峰强度 成分(成分 1) 成分得分系数(成分 1)
A3 381. 78 0. 104 0. 251
A1 265. 15 0. 047 0. 050
A1 393. 18 0. 087 0. 176
A1 620. 16 0. 110 0. 277
A2 922. 90 0. 077 0. 137
A1 077. 52 0. 069 0. 110
2. 3 不同浓度硒处理对紫云英 FTIＲ 一维光谱主要
特征峰变化的影响
2. 3. 1 对地下部 FTIＲ 一维光谱主要特征峰变化的
影响
植物在受到低浓度重金属胁迫时，可通过提高
自身可溶性糖含量来保持蛋白质的水和度，防止原
生质脱水，平衡胞质与胞间的渗透压，减轻质膜受害
的程度，从而增强自身的抗逆性［23］。由图 2 可知，紫
云英地下部 FTIＲ主要特征峰变化趋势基本一致，即
随着 Se浓度的升高，特征峰均呈现升高—降低—升
高—降低的趋势，ρ(Se)为 0. 5 mg·L－1时特征峰吸
光度达最大值，而 ρ(Se)为 2. 0 mg·L－1时特征峰吸
光度为最小。其中，3 418. 02 cm－1附近主要来自紫云
英根中 O—H的典型缔合和蛋白质、氨基酸 N—H 的
振动叠加，反映紫云英根中碳水化合物、蛋白质和脂
肪酸等对光谱的贡献。随 Se 处理浓度的增加，
A3 416. 02呈先升后降的趋势，这说明低浓度 Se 处理紫
云英根通过提高所含的自由羧基数量参与 Se离子的
吸附和结合，减轻 Se的毒害。随着 Se胁迫浓度的增
加，紫云英根系伤害加重，根细胞壁所含的果胶甲基
化程度升高，吸光度下降。植物细胞通过对重金属
离子的束缚和络合以提高植物对重金属的耐性，而
植物细胞壁对重金属离子的结合能力主要取决于细
胞壁所含果胶中自由羧基的含量，果胶的甲基化程
度降低可提高自由羧基的含量和增加细胞壁的阳离
子交换能力，从而提高植物吸附重金属的能力［24］。
波数 2 927. 05 cm－1附近归属于膜及细胞壁组织
的脂类物质中—CH2 的振动，其与丙二醛(MDA)含
量呈负相关关系［25］。A2 927. 05随着 Se 浓度的增加而
上升，但当 ρ(Se)＞0. 5 mg·L－1时增加 Se 处理浓度
反而使其下降。这可能是由于植物体内合成的脂类
物质对细胞膜和细胞壁巩固及修复能力下降，膜脂
过氧化程度加剧，从而使丙二醛含量不断增加，
2 927. 05 cm－1峰的吸光度下降。1 393. 26 cm－1附近
的为—COO 的伸缩振动，主要是脂肪酸吸收区;
A1 393. 26值变化趋势与 A2 927. 05相似，说明当 ρ(Se)≤
0. 5 mg·L－1时，根细胞膜的脂肪酸含量增加，MDA
含量下降;当 ρ(Se)＞0. 5 mg·L－1时，膜脂过氧化程
度加剧，脂肪酸含量下降，MDA 含量增加，最终致使
2 927. 05和 1 393. 26 cm－1峰谱带发生相应的变化。
波数 1 631. 97 和 1 255. 84 cm－1附近分别为蛋白
质酰胺Ⅰ带和Ⅲ带的振动峰，主要代表蛋白质的变
化［25］。A1 631. 97和 A1 255. 84随 Se 处理浓度升高呈先升
高后降低的变化趋势。蛋白质、氨基酸和多肽类物
质是紫云英根部响应 Se 胁迫的根系分泌物，低浓度
下 Se诱导了这类物质的合成和分泌，参与 Se 络合作
用以降低细胞内 Se的浓度，从而减轻 Se 对植物的毒
害，吸光度上升;Se浓度过高则抑制了该类物质的合
成，致使吸光度下降。
波数 1 030. 30 cm－1附近主要是多糖及其糖苷的
C—O特征吸收峰［22］，其与碳水化合物的含量成正相
关［25］。紫云英地下部 A1 030基本呈现先升高后下降
再上升的趋势，其中在 ρ(Se)为 0. 5 mg·L－1处理的
·162· 生 态 与 农 村 环 境 学 报 第 32卷
紫云英地下部 A1 030达最大值。这表明当 ρ(Se)≤0. 5
mg·L－1时，紫云英通过地下部碳水化合物含量的提
高来增强其耐 Se性;当 ρ(Se)＞0. 5 mg·L－1时，超过
了紫云英的耐 Se限度，随着 Se浓度的增加及毒害的
加剧，碳水化合物的合成及运输受到抑制，致使其含
量下降。李延真等［7］对油菜的 Cd 胁迫研究中也得
到了类似的结果。
图 2 不同浓度硒胁迫下紫云英地下部 FTIＲ 特征峰强度变化
Fig. 2 Change in characteristic absorption peak intensity in the
FTIＲ spectra of the roots of A． sinicus relative to Se concentration in treatment
2. 3. 2 对地上部 FTIＲ一维光谱主要特征峰变化的
影响
波数 3 381. 78 cm－1左右强而宽的谱带是典型
的缔合 OH伸缩振动吸收，以及蛋白质、氨基酸、核
酸、维生素等物质中 N—H 键的伸缩振动吸收的叠
加，这里主要反映紫云英地上部所含蛋白质、核酸
等大分子在光谱中的贡献。2 922. 90 cm－1主要反映
膜脂和细胞壁果胶中常见的酯类化合物的吸收峰，
其峰高变化与细胞膜的过氧化程度有关，反映膜的
透性。1 393. 18 cm－1附近的为—COO 的伸缩振动，
主要反映脂肪酸吸收区。1 620. 16 和 1 265. 15
cm－1是与蛋白质相关的特征峰，其峰高变化可反映
可溶性蛋白含量或某些游离氨基酸的变化趋势。
1 077. 52 cm－1附近是与细胞可溶性糖相关的特征
峰，其峰高变化可反映可溶性糖含量的变化趋势。
由图 3可知，紫云英地上部 FTIＲ主要特征峰变化随
着 Se浓度的升高，特征峰均呈现降低—升高—降低
的趋势，在 ρ(Se)为 1. 5 mg·L－1时特征峰吸光度达
最大值;而在 ρ(Se)为 1. 0 mg·L－1时，特征峰吸光
度为最小。这可能是由于低浓度 Se 处理(ρ＜ 1. 0
mg·L－1)，紫云英地上部细胞膜脂过氧化程度及膜
透性减小，紫云英的生长良好，叶片合成有机物的
能力及向下运输的能力增强，加之 Se主要积累于根
系，仅少量 Se向上运输、转运和积累，因此紫云英地
上部合成的可溶性糖向下运输，致使其含量降低，
而地下部吸收的 N、P 等营养物质向上运输降低，从
而致使蛋白质和核酸等含量降低，而当 Se处理浓度
升高(＞1. 0 mg·L－1)时，紫云英生长受阻和 Se在地
上部的逐渐积累，从而使紫云英地上部蛋白质、核
酸和可溶性糖含量出现升高再降低趋势。
2. 4 不同浓度硒处理对紫云英二维红外相关光谱
的影响
2. 4. 1 对地下部二维红外相关光谱的影响
二维同步谱图中，在对角线上出现的相关峰为
第 1期 袁菊红等:硒处理下紫云英二维红外相关光谱与主成分分析 ·163·
自相关峰(强度为正)，其大小代表了光谱强度在扰
动作用下动态涨落的总程度，在一定程度上可以反
映外扰对不同基团影响的大小。对角线以外的相
关峰为交叉峰(强度有正有负)，代表在不同波数上
光谱信号的同步变化，是不同官能团振动同时取向
而产生的，这种分子微观结构运动的同步性表明基
团之间有很强的协同作用或者可能存在着强烈的
相互作用。
图 3 不同浓度硒胁迫下紫云英地上部 FTIＲ 特征峰强度变化
Fig. 3 Change in characteristic absorption peak intensity in the FTIＲ
spectra of the shoots of A． sinicus relative to Se concentration in treatment
由图 4可知，ρ(Se)为 0 mg·L－1处理的紫云英
(对照)地下部在对角线上出现 3 个自动峰，分别在
1 030. 30、1 393. 26 和 1 631. 97 cm－1附近，其中
1 631. 97 cm－1 附近的峰较强;在对角线两边
(1 393. 26 cm－1，1 030. 30 cm－1)处出现 1 个正交叉
峰，(1 631. 97 cm－1，1 393. 26 cm－1)和(1 631. 97
cm－1，1 030. 30 cm－1)处出现 2 个负交叉峰。ρ(Se)
为 0. 2 mg·L－1时，在对角线上 1 030. 30 cm－1附近
出现一个较强自动峰，在对角线两边(1 631. 97
cm－1，1 030. 30 cm－1)处出现 1个负交叉峰。
根据读谱规则［26－28］可知，1 631. 97 和 1 030. 30
cm－1吸收峰强度在 Se 浓度提高时发生了相反方向
的变化，其中 1 631. 97 cm－1处吸收峰强度增加，而
1 030. 30 cm－1处吸收峰强度减小。ρ(Se)为 0. 5
mg·L－1时，在对角线上出现 3 个自动峰，分别在
1 030. 30、1 393. 26 和 1 631. 97 cm－1 附近，其中
1 030. 30 cm－1 附近的峰较强;在对角线两边
(1 631. 97 cm－1，1 030. 30 cm－1)、(1 631. 97 cm－1，
1 393. 26 cm－1)和(1 393. 26 cm－1，1 030. 30 cm－1)
处出现 3个正交叉峰。ρ(Se)为 1. 0 mg·L－1时，在
对角线上出现 2 个自动峰，分别在 1 030. 30 和
1 631. 97 cm－1附近，其中 1 030. 30 cm－1附近的峰较
强;在对角线两边(1 631. 97 cm－1，1 030. 30 cm－1)
处出现 1 个正交叉峰和(1 393. 26 cm－1，1030. 30
cm－1)处出现 1 个负交叉峰。ρ(Se)为 1. 5 mg·L－1
时，在对角线上出现 2个自动峰，分别在1 030. 30和
1 631. 97 cm－1附近，其中 1 030. 30 cm－1附近的峰较
强;在对角线两边(1 631. 97 cm－1，1 030. 30 cm－1)
和(1 393. 26 cm－1，1 030. 30 cm－1)处出现 2 个负交
叉峰。ρ(Se)为 2. 0 mg·L－1时，在对角线上出现 5
个自动峰，分别在 948. 82、1 147. 76、1 393. 26、
1 500. 37和 1 631. 97 cm－1附近，其中 1 393. 26 cm－1
附近的峰较强;在对角线两边(1 631. 97 cm－1，
1 393. 26 cm－1)、(1 631. 97 cm－1，1 147. 76 cm－1)、
·164· 生 态 与 农 村 环 境 学 报 第 32卷
(1 393. 26 cm－1，1 147. 76 cm－1)和(1 393. 26 cm－1，
948. 82 cm－1)处出现 4 个正交叉峰，(1 631. 97
cm－1，948. 82 cm－1)和(1 393. 26 cm－1，1 631. 97
cm－1)处出现 2 个负交叉峰。ρ(Se)为 2. 5 mg·L－1
时，在对角线上出现 2 个自动峰，分别在 1 030. 30
和 1 631. 97 cm－1附近，其中 1 030. 30 cm－1附近的峰
较强;在对角线两边(1 631. 97 cm－1，1 030. 30
cm－1)和(1 449. 72 cm－1，1 030. 30 cm－1)处出现 2个
负交叉峰。ρ(Se)为 5. 0 mg·L－1时，在对角线上出
现 2个自动峰，分别在 1 030. 30和 1 393. 26 cm－1附
近，其中1 030. 30 cm－1附近的峰较强;在对角线两边
(1 608. 37 cm－1，1 393. 26 cm－1)、(1 608. 37 cm－1，
1 030. 30 cm－1)、(1 393. 26 cm－1，1 608. 37 cm－1)和
(1 393. 26 cm－1，1 030. 30 cm－1)处出现 4 个正交
叉峰。
图 4 不同浓度硒处理下紫云英地下部二维同步相关图谱
Fig. 4 2D-correlation synchronous spectra of the roots of A． sinicus relative to Se concentration in treatment
对照处理紫云英地下部较强峰在 1 631. 97 cm－1附近，而不同浓度 Se 处理较强峰除 ρ(Se)为
第 1期 袁菊红等:硒处理下紫云英二维红外相关光谱与主成分分析 ·165·
2. 0 mg·L－1处理的紫云英地下部出现在 1 393. 26
cm－1附近外，其他处理较强峰主要出现在1 030. 30
cm－1附近，其次在 1 631. 97 cm－1附近。由此表明这
3个峰所对应的基团随 Se 浓度的变化而变化，这与
一维图谱主要特征峰的主成分分析得出的结论是
一致的。
2. 4. 2 对地上部二维红外相关光谱的影响
由图 5可知，ρ(Se)为 0 mg·L－1对照处理紫云
英地上部在对角线上出现 3 个自动峰，分别在
1 077. 52、1 393. 18 和 1 620. 16 cm－1附近，其中
1 620. 16 cm－1 附近的峰较强;在对角线两边
(1 620. 16 cm－1，1 393. 18 cm－1)处出现 1 个正交叉
峰，(1 620. 16 cm－1，1 077. 52 cm－1)和(1 393. 18
cm－1，1 077. 52 cm－1)处出现 2个负交叉峰。根据读
谱规则［26－28］可知，1 620. 16、1 393. 18 和 1 077. 52
cm－1附近的吸收峰强度在 Se 浓度提高时发生了相
反方向的变化，其中 1 620. 16 和1 393. 18 cm－1附近
的吸收峰强度增加，1 077. 52 cm－1附近的吸收峰强
度减小。ρ(Se)为 0. 2 mg·L－1时，在对角线上出现
3个自动峰，分别在 1 077. 52、1 393. 18和 1 620. 16
cm－1附近，其中 1 620. 16 cm－1附近的峰较强;在对
角线 两 边 (1 620. 16 cm－1，1 393. 18 cm－1 )、
(1 620. 16 cm－1，1 077. 52 cm－1)和(1 393. 18 cm－1，
1 260. 80 cm－1)处出现 3 个正交叉峰，(1 393. 18
cm－1，1 077. 52 cm－1)处出现 1个负交叉峰。根据读
谱规则可知，1 393. 18 和1 077. 52 cm－1附近的吸收
峰强度在 Se浓度提高时发生了相反方向的变化，其
中 1 393. 18 cm－1附近的吸收峰强度增加，1 077. 52
cm－1附近的吸收峰强度减小。ρ(Se)为 0. 5 mg·L－1
时，在对角线上出现 3 个自动峰，分别在 1 077. 52、
1 393. 18和1 620. 16 cm－1附近，其中 1 620. 16 cm－1
附近的峰较强;在对角线两边(1 620. 16 cm－1，
1 393. 18 cm－1)和(1 393. 18 cm－1，1 260. 80 cm－1)
处出现 2 个正交叉峰，(1 620. 16 cm－1，1 077. 52
cm－1)和(1 393. 18 cm－1，1 077. 52 cm－1)处出现 2个
负交叉峰。根据读谱规则可知，1 620. 16、1 393. 18
和1 077. 52 cm－1附近的吸收峰强度在 Se 浓度提高
时发生了相反方向的变化，其中 1 620. 16 和
1 393. 18 cm－1附近的吸收峰强度增加，1 077. 52
cm－1附近的吸收峰强度减小。ρ(Se)为 1. 0 mg·L－1
时在对角线上出现 3 个自动峰，分别在 1 077. 52、
1 393. 18和 1 620. 16 cm－1附近，其中 1 620. 16 cm－1
附近的峰较强;在对角线两边(1 620. 16 cm－1，
1 393. 18 cm－1)、(1 620. 16 cm－1，1 077. 52 cm－1)和
(1 393. 18 cm－1，1 077. 52 cm－1)处出现 3 个正交叉
峰。ρ(Se)为 2. 0 mg·L－1时在对角线上出现 3个自
动峰，分别在 1 077. 52、1 393. 18和1 620. 16 cm－1附
近，其中 1 620. 16 和 1 077. 52 cm－1附近的峰较强;
在对角线两边(1 620. 16 cm－1，1 393. 18 cm－1)和
(1 393. 18 cm－1，1 077. 52 cm－1)处出现 2 个正交叉
峰，(1 620. 16 cm－1，1 077. 52 cm－1)处出现 1个负交
叉峰。根据读谱规则可知，1 620. 16 和 1 077. 52
cm－1附近的吸收峰强度在 Se 浓度提高时发生了相
反方向的变化，其中 1 620. 16 cm－1附近的吸收峰强
度增加，1 077. 52 cm－1附近的吸收峰强度减小。
ρ(Se)为 2. 0 mg·L－1处理时，在对角线上出现
3个自动峰，分别在 1 077. 52、1 393. 18和 1 620. 16
cm－1附近，其中 1 620. 16 cm－1附近的峰较强;在对
角线 两 边 (1 620. 16 cm－1，1 393. 18 cm－1)和
(1 620. 16 cm－1，1 077. 52 cm－1)处出现 2 个正交叉
峰，(1 393. 18 cm－1，1 077. 52 cm－1)处出现 1个负交
叉峰。根据读谱规则可知，1 393. 18 和 1 077. 52
cm－1附近的吸收峰强度在 Se 浓度提高时发生了相
反方向的变化，其中 13 93. 18 cm－1附近的吸收峰强
度增加，1 077. 52 cm－1附近的吸收峰强度减小。
ρ(Se)为 2. 5 mg·L－1时，在对角线上出现 3 个自动
峰，分别在 1 077. 52、1 393. 18 和 1 620. 16 cm－1附
近，其中 1 620. 16 cm－1附近的峰较强;在对角线两
边(1 620. 16 cm－1，1 268. 89 cm－1)和(1 393. 18
cm－1，1 077. 52 cm－1)处出现 1 个正交叉峰，
(1 620. 16 cm－1，1 393. 18 cm－1)、(1 620. 16 cm－1，
1 077. 52 cm－1)和(1 393. 18 cm－1，1 268. 89 cm－1)
处出现 3 个负交叉峰。根据读谱规则可知，
1 620. 16、1 393. 18、1 268. 89 和 1 077. 52 cm－1附近
的吸收峰强度在 Se 浓度提高时发生了相反方向的
变化，其中 1 393. 18和 1 077. 52 cm－1附近的吸收峰
强度增加，1 620. 16和 1 268. 89 cm－1附近的吸收峰
强度减小。ρ(Se)为 5. 0 mg·L－1时，在对角线上出
现 3 个自动峰，分别在 1 077. 52、1 393. 18 和
1 620. 16 cm－1附近，其中 1 620. 16 cm－1附近的峰较
强;在对角线两边(1 620. 16 cm－1，1 393. 18 cm－1)、
(1 393. 18 cm－1，1 260. 19 cm－1)和(1 155. 83 cm－1，
1 077. 52 cm－1)处出现 3 个正交叉峰，(1 620. 16
cm－1，1 260. 19 cm－1)、(1 620. 16 cm－1，1 155. 83
cm－1)、(1 620. 16 cm－1，1 077. 52 cm－1)、(1 393. 18
cm－1，1 155. 83 cm－1)和(1 393. 18 cm－1，1 077. 52
cm－1)处出现 5 个负交叉峰。根据读谱规则可知，
1 620. 16、1 393. 18、1 260. 19、1 155. 83 和1 077. 52
cm－1附近的吸收峰强度在 Se 浓度提高时发生了相
反方向的变化，其中 1 620. 16、1 393. 18和 1 260. 19
·166· 生 态 与 农 村 环 境 学 报 第 32卷
cm－1附近的吸收峰强度增加，1 155. 83 和 1 077. 52 cm－1附近的吸收峰强度减小。
图 5 不同浓度硒处理下紫云英地上部二维同步相关图谱
Fig. 5 2D-correlation synchronous spectra of the shoots of A． sinicus relative to Se concentration in treatment
对照处理紫云英地下部较强峰在 1 620. 16
cm－1附近，而不同浓度 Se 处理紫云英地上部较强
峰，除 ρ(Se)为 1. 5 mg· L－1 时在 1 620. 16 和
1 077. 52 cm－1 附近外，其他处理的较强峰均在
1 620. 16 cm－1附近，其次在 1 393. 18 cm－1附近。由
此表明，这些峰对应的基团随 Se 浓度的变化而变
化，这与一维图谱主要特征峰的主成分分析得出的
结论是一致的。
3 结论
(1)与对照相比，紫云英在不同浓度 Se 处理下
吸收峰峰形基本未发生较大变化，吸收峰波数相对
固定，说明不同浓度 Se处理并未改变紫云英的基本
化学组分，但吸光度有较大差异，说明不同浓度 Se
对紫云英化学成分含量有所影响。说明 FTIＲ 能作
为探究紫云英对不同浓度 Se 胁迫下物质成分响应
第 1期 袁菊红等:硒处理下紫云英二维红外相关光谱与主成分分析 ·167·
的一种快速、灵敏的检测手段，可应用于 Se 对植物
物质成分的生物效应研究。
(2)紫云英在 890～1 750 cm－1区域的二维红外
相关光谱图存在较明显的差别;对于一维红外图谱
较为相似的样品，凭借高分辨率二维红外相关谱图
分析技术，能够提供 Se浓度变化所引起的紫云英植
物化学成分结构动态变化的微观信息。
(3)通过对不同浓度处理下紫云英地上和地下
部特征峰变化的主成分分析，不同浓度 Se处理对紫
云英地上、地下部中—OH和 C O基团影响较大。
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作者简介:袁菊红 (1975—)，女，湖南绥宁人，讲师，博士，
主要研究方向为植物资源分类及其在环境中的应用。E-
mail:yuanjuhong@ sina．com．cn
(责任编辑:陈 昕)