全 文 ：第2 8卷 , 第3期　 　　　　　　　　　　　光 谱 学 与 光 谱 分 析 Vol.28 , No.3 , pp582-585
2 0 0 8 年 3 月　　　　　　　　　　　 　Spectro scopy and Spectr al Analy sis March , 2008 　
美洲商陆对锰毒生理响应的 FTIR研究
任立民1 , 2 , 成则丰1 , 刘　鹏1＊ , 李志刚2
1.浙江师范大学植物学实验室 , 浙江 金华　321004
2.广西大学农学院 , 广西南宁　530004
摘　要　在一定 Mn 浓度梯度处理下(0 , 0.125 , 0.25 , 0.5 , 1 g · kg-1), 超积累植物———美洲商陆(Phy to-
lacca ame ricana)不同组织器官的傅里叶变换红外光谱(FT IR)图谱发生了变化。其中 , 茎组织在 3 336 和
2 916 cm -1处峰高先上升后下降 , 反映了有机物运输受阻情况的变化 , 即美洲商陆在低 Mn 刺激下会产生大
量有机物作为渗透调节物质来增强其耐 M n 性 , 高 Mn 则抑制了有机物的分泌和运输;根和叶组织分别在
2 922和 1 606 cm -1处表现不同变化趋势 , 但都反映了一个变化规律即低 Mn 处理下美洲商陆分泌的有机酸
不断螯合 Mn , 随着 Mn 毒害的加重 , 其羧酸螯合力变弱;根组织 1 732 和 1 026 cm -1 、 茎组织 1 028 cm -1 、
叶组织 1 052 和967 cm -1处呈现差异性变化 , 但都与其膜脂过氧化有关;根组织 1 375 cm -1处峰高先上升后
下降 , 可能与植物在细胞壁结构上增强抗逆性有一定关系 , 即低M n处理下细胞壁可能通过阳离子交换能力
(CEC)的提高增强了耐 M n性。以上说明 , 利用 FT IR研究重金属超积累植物化学组分具有应用价值。
关键词　傅里叶变换红外光谱;美洲商陆;Mn 毒;化学组分
中图分类号:O657.3　　文献标识码:A　　　文章编号:1000-0593(2008)03-0582-04
　收稿日期:2006-11-06 , 修订日期:2007-02-08
　基金项目:国家自然科学基金项目(30540056 , 40573052)和浙江省自然科学基金项目(303461 , 304185 , 304186 , 305151 , 404135)资助
　作者简介:任立民 , 1975年生 , 浙江师范大学植物学实验室硕士研究生　　＊通讯联系人　　e-mai l:p liu99@163.com
引　言
　　Mn 是植物生长所必须的微量元素 , 但过量的 M n 同样
污染土壤 , 造成对植物的胁迫。目前 Mn 毒的研究处于初级
阶段 , 尤其对植物耐性机理的研究还相当薄弱 , Baker[ 1] 指
出 , 耐性具有 2 条基本途径 , 一是金属排斥性 , 即重金属被
植物吸收后又被排出体外 , 或者重金属在植物体内的运输受
到阻碍;另一途径是积累金属 , 但可自身解毒 , 即重金属在
植物体内以不具生物活性的解毒形式存在 , 如结合到细胞壁
上 、离子主动运输进入液泡 、 与有机酸或某些蛋白质的络合
等。虽然已有的研究提出了不少假设 , 但对于植物的耐 M n
机制仍未形成统一定论 , 这大大限制了植物修复的商业化进
程。
美洲商陆是一种 Mn 超积累植物[ 2] 。研究不同 Mn 处理
下其植物化学组成上的差异将有利于其耐 Mn 机理的揭示。
在传统化学方法中 , 美洲商陆每种成分的测定需要分别使用
不同的仪器和各自不同的方法 , 不仅测定速度慢 、 成本高 ,
而且在分析时样品因需要粉碎 、化学预处理等而受到破坏。
红外光谱中所反映的是植物中混合成分的叠加 , 各种化
学成分只要质和量相对稳定 , 样品的处理方法按统一要求进
行 , 则其红外光谱应该是相对稳定的。目前 , 国内外对重金
属超积累植物组分进行 FTIR的研究鲜有报道 , 本实验将利
用 FT IR对美洲商陆不同组织器官的化学组成进行研究 , 以
便为植物修复的开展提供理论指导。
1　研究材料与方法
1.1　实验材料
美洲商陆(Phy tolacca Americana)。
1.2　实验方法
通过土培实验研究美洲商陆对 Mn 的响应。Mn 以
M nCl2 · 7H 2O 的形式加入 , 浓度梯度为 0 , 0.125 , 0.25 ,
0.5 , 1 g· kg -1 , 原有土壤 Mn 含量为0.21 g· kg -1 , 将萌发
后的美洲商陆移栽到盆中 , 待长到 7 片叶时开始处理。培养
30 d 后收获植物 , 分别取根茎叶于 105 ℃杀青 , 80 ℃烘箱中
干燥 24 h , 用粉碎机进行粉碎。
1.3　测定方法
将粉末样品分置于 FT IR仪采样器校正压力装置下 , 按
照所给定的测试条件(光谱范围 4 000 ～ 650 cm -1 , 分辨率 4
cm -1 , 扫描累加次数 32 次)直接测定样品的 FT IR。采用
OMNI E.S.P.5.1 智能操作软件进行谱图数据处理。
2　结果与讨论
2.1　根的 FTIR分析
图 1 为不同 Mn 浓度处理下 , 美洲商陆根的红外光谱
图 , 图 2 为其特征峰变化图。图 1 中 2 922 cm -1附近是饱和
C— H 键的伸缩振动吸收 , 主要来自于维生素和各种膜及细
胞壁的组织等成分。随着 Mn 浓度的升高 , 该处峰高呈现先
降后升的趋势。如图 2 所示 , 前期美洲商陆分泌的有机酸不
断螯合 Mn , 造成羧酸 O— H 的减少 , 峰值下降 , 后期随着
Mn 毒害的加重 , 其羧酸螯合力变弱 , 因而其谱带开始上升。
　　图 1 中 1 735 ～ 1 720 cm -1处吸收峰为脂肪族酮类化合
物中羰基的 C O 伸缩振动[3-6] 。1 732 cm -1附近 , 随着 M n
浓度的升高 , 前期峰值逐渐降低 , 但最高浓度处理下开始出
现显著的吸收峰 , 峰值达到最大(见图 2)。这可能因为初期
美洲商陆膜质过氧化 , 使脂类物质减少 , 但含脂肪族酮类化
合物羰基的产物也逐渐增多 , 因而后期开始升高。
1 375 cm -1处为含油脂化合物(各种膜和胞壁)的组织中
甲基的吸收带。随着浓度的升高 , 其峰高表现先减小后增大
的趋势 , 最高浓度下其峰形出现在 1 369 cm -1处 , 向短波位
移了 6 cm -1 , 这说明随着 Mn 浓度的升高 , 细胞壁通过降低
果胶甲基化程度 , 使 CEC(阳离子交换能力)提高 , 从而吸收
更多的 Mn , 即通过细胞壁中积累 M n 来增强抗逆性 , 但高
浓度的 Mn 已对美洲商陆产生了胁迫 , 甲基化程度又开始升
高。
1 026 cm -1附近为碳水化合物 C—O 键的伸缩振动吸收
带。随着 Mn 处理浓度的增加 , 吸收带由对照的窄峰逐渐演
变为宽峰 , 峰高先降后升。前期下降是因为糖类运输通道受
到一定影响 , 致使部分糖类物质无法运输到根部 , 后期上升
是因为随着膜脂过氧化程度的加深 , 脂肪族酮类化合物过氧
化产物在根部积累。
2.2　茎的 FTIR分析
图 3 是在不同 Mn 浓度处理下 , 美洲商陆茎的红外光谱
图 , 图 4 为其特征峰变化图 , 图 3 中 3 300 cm -1左右是典型
缔合羟基—OH 伸缩振动和氨基酸 、 核苷酸的 N —H 伸缩振
动的叠加 , 这部分的吸收主要反映茎中碳水化合物(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[ 7] , 而 3 400 cm -1是芳香族仲胺的振动吸收带。具体到图
3 中 , 3 051 cm-1处吸收峰先升高而逐渐消失;3 336 和3 421
cm -1两处峰形同样先升高后减弱 , 这说明低 Mn 下促进了有
机物的分泌 , 高 Mn 则抑制了有机物的分泌和运输。
　　2 916 cm -1附近为饱和 C— H 键的伸缩振动吸收带 , 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
583第 3 期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　光谱学与光谱分析
分 , 这与茎的运输功能有关。与根变化不同 , 该处与 2 849
cm -1肩峰先急剧升高后降低(见图 4)。美洲商陆在一定 M n
浓度刺激下会产生大量碳水化合物作为渗透调节物质来增强
其耐 Mn 性 , 但后期随着 M n 毒的加剧 , 碳水化合物合成和
运输均减少。
1 458 cm -1附近为蛋白质分子肽键中 C—N 键的伸缩振
动吸收。峰高先升后降 , 说明美洲商陆在一定 Mn 浓度下会
产生氨基酸等物质 , 通过渗透调节来增强抗逆性。
1 040～ 920 cm -1为磷酸及其酯和盐的振动吸收带。主导
峰由对照的 1 054 cm -1转变为 1 028 cm -1 , 峰形由宽变尖 ,
峰高先升高后维持对照水平 , 可能因为 Mn 毒抑制了细胞的
伸长 , 构成细胞壁的多糖类受抑 , 同时活性氧积累过多 , 质
膜透性增大 , 磷酯和其他小分子有机物游离渗漏造成。
2.3　叶的 FTIR分析
　　图 5 为不同 Mn 浓度处理下 , 美洲商陆叶的红外光谱
图 , 图 6 为其特征峰变化图 , 图 5 中 1 650 ～ 1 620 cm -1是缔
合态伯酰胺面内弯曲振动(δN— H)的吸收带。1 632 cm -1处
的峰形随着浓度的提高而逐渐消失 , 说明蛋白二级结构中 ,
肽键间氢键的结合力随着 Mn 浓度的升高而变弱。
Fig.5　Absorption FTIR spectra in the 1 850 to 900 cm-1
region in the leaves of phytolacca americana
a:C on t rol;b:0.125 g· kg -1 ;
c:0.25 g· kg -1 ;d:0.5 g· kg -1;e:1 g· kg -1
　　1 606 cm -1处为羧酸盐羰基不对称振动吸收带。如图 6
所示 , 峰高在处理前期突然升高 , 说明前期由根系输送来的
羧酸盐较多 , 并以该形式积累在叶片 , 后期由于受 M n 的胁
迫较重 , 根系螯合力相应减弱 , 其羧酸盐的运输能力也变
弱 , 但图中变化较为紊乱 , 需要进一步研究。
　　1 052 cm -1为碳水化合物如纤维素 C—O 键的伸缩振动
Fig.6　The band height changes of 1 606 and 1 052 cm-1
in the leaves of phytolacca americana
1:1 606 cm-1;2:1 052 cm-1
吸收带。随着 Mn 浓度的升高 , 其最大吸收带由对照的 1 052
cm -1位移到 1 068 cm -1 , 且峰形变窄 , 肩峰变得不明显。这
说明低浓度处理使碳水化合物升高 , 通过渗透调节作用来增
强抗逆性 , 但高浓度下膜脂过氧化程度加深 , 脂类及碳水化
合物含量相对减少 967 cm -1为反式烯烃的弯曲振动吸收带。
对照和处理前期均没有吸收峰 , 但最高浓度下 , 有较强的宽
峰吸收 , 新的吸收峰的出现与高 M n 胁迫下 , 膜脂过氧化加
剧有关。
3　结　论
　　通过综合比较发现 , 某些有机化合物如糖类和氨基酸在
M n胁迫初期往往作为渗透性调节物质出现 , 其含量升高 ,
但后期随着 Mn 毒害的加重 , 其合成和运输都会受限 , 含量
必然下降 , 这在输导组织中表现明显 , 如茎组织在 3 336 和2
916 cm -1处的变化便反映了这一点;有机酸对重金属的螯合
作用是目前公认的耐性机制 , 根 2 922 cm -1处峰高先减弱后
增强 , 说明前期美洲商陆分泌的有机酸不断螯合 Mn , 造成
羧酸 O —H 的减少 , 后期随着 Mn 毒害的加重 , 其羧酸螯合
力变弱。而叶 1 606 cm -1处峰高先急剧升高后降低 , 前期由
根系输送来的羧酸盐较多 , 因而急剧升高 , 这与根系变化较
为一致 , 但后期可能干扰因素增多 , 造成其变化紊乱。
美洲商陆对 Mn 毒的耐性有一个临界值问题 , 当超过此
临界值 , 植物同样会受到毒害 , 主要表现是膜脂过氧化。根
组织 1 732 和 1 026 cm -1 、茎组织1 028 cm -1 、叶组织 1 052
和 967 cm -1处在最高浓度下峰值的变化均证明了这一点。
584 光谱学与光谱分析　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 第 28 卷
参 考 文 献
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Studies on the Physiological Response of Phytolacca Americana to
Manganese Toxicity by FTIR Spectroscopy
REN Li-min1 , 2 , CHENG Ze-feng1 , LIU Peng 1＊ , LI Zhi-gang2
1.Key Labo rato ry o f Bo tany , Zhejiang Norma l Unive rsity , Jinhua　321004 , China
2.Co llege of Ag ronomy , Guangxi Univer sity , Nanning　530004 , China
Abstract　A technique based on Fourier t ransfo rm infra red(FT IR)spectrometry w as used to detect the phy siological change s in
chemical composition o f Phy tolacca americana under a w ide r ange o f Mn2+ treatments (0 , 0.125 , 0.25 , 0.5 and 1 g · kg -1).
Using the ro ots , stems and leave s of phy tolacca americana , absorption bands cor responding to carbohydrates , ester and proteins
varied differently.The abso rption band heights at 3 000 and 2 916 cm -1 of stem tissues ro se firstly and then decreased , indica-
ting the exuda tion and t ranspor ting situation of o rganic substances w hich se rved as or ganic o smo tic contents to enhance manga-
nese tole rance under low trea tments;Meanwhile , the band heights at 2 922 cm -1(ro ots)and 1 606 cm -1(leave s)w hich have dif-
fer ent tendency in acco rdance with Mn treatments showed tha t the capability to chela te Mn dec reased under highe r manganese
concentra tion.I n addition , the changes of the bands a t 1 732 and 1 026 cm -1(roo ts), 1 028 cm -1(stems), 1 052 and 967 cm -1
(leav es)differed from each o ther , sugge sting that under the conditions o f sever e Mn stre ss the ex-oxidation of membrane lipid
increased;Otherw ise , the band heights at 1 375 cm -1 increased fir stly and then decreased , r epr esenting that the cell wa ll im-
proved Mn resistance by increa sing cation-exchange capacity(CEC).The result also implied that it is prac tica l to apply FT IR to
the resea rch comparing the chemica l differences o f phy toaccumula to r s under me tal trea tments.
Keywords　FT IR;Phy to lacca americana;Manganese tox icity;Chemical composition
(Receiv ed Nov.6 , 2006;accepted Feb.8 , 2007)　　
＊Co rr esponding author
585第 3 期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　光谱学与光谱分析