全 文 :机械伤对轮叶白千层叶片提炼油浓度和成分的影响
D. Zabaras等
摘要:机械损伤对轮叶白千层叶提炼油的影响是在其伤后 24 h 和 48 h 进行野外试验测得的。因机械损
伤而造成的油腺断裂导致了成熟和未成熟叶片中油浓度在前 24 h 内均下降 , 但成熟叶片却能在伤后 48 h 使
其油浓度恢复到伤前水平。机械损伤后成熟和未成熟叶片油组分的变化均已测定。伤后每天不同的油组分
表明成熟叶片对机械伤的响应 ,结果还表明了机械伤影响未成熟叶片的化学成熟度。试验发现两种叶片的伤
后响应并不受伤前叶片中表达响应的特定化合物的含量以及整株树上叶子油组分的制约 。
关键词:轮叶白千层;伤影响;油组分;油产率;单烯类;萜类化合物;主要成分分析
1 前言
众多研究显示 ,对许多经济农作物(如玉
米 、棉花 、卷心菜和马铃薯)来说诱导防御已
成为一种重要的保护机制 。但反映机械损
伤 、昆虫噬咬和细菌侵染对富烯植物的影响
的资料还很有限 。研究大冷杉的含油树脂显
示了受伤茎中包含一种活性增强的单烯环化
酶;从罗勒灌木叶子中获得的油成分的改变
也已被证实 ,这些信息表明了机械损伤对轮
叶白千层 、澳大利亚茶树 、桃金娘科等叶片提
炼油的影响均在 2天以上 。这些长青灌木产
出的油之所以具有杀菌功效主要是因为含有
大约 40%的(+)-松油烯-4-醇(Southw el l ,
1988),而具有化学多样性的 1 , 8-桉树脑叶
高达 15%以上。但这些油药效不理想 ,因为
它的有效成分松油烯-4-醇会随之降低
(Southw ell等 , 1996)。油中还包含其他组
分 ,如 , γ-松油烯( ~ 20%), α- 松油烯(~
10%), α-和 β-蒎烯以及倍半萜烯 (South-
well ,1988)。
2 方法与材料
2. 1 植株
试验植株均为种植于澳大利亚新南威尔
士霍克斯伯里岛悉尼西部大学科技学院园艺
专业种植园内的健康 、无虫害 、2年再生植株
(为高松油烯-4-醇 、低 1 ,8-桉树脑型)。
2. 2 试验设计
选三片叶子(叶龄 、大小接近)分别纵向
剖成两半并记录当时的时间和温度 ,各取其
一半合并称重 ,并立即用溶剂提取。24 h后
各取该三片叶子的另一半(仍留在树枝上)按
相同方法处理 。以上过程在分成两组的 8棵
树上分别执行 。为了测试结果的重复性 ,对
这两组树分别抽样一个月 。48 h 处理方法
的步骤与 24 h相同 ,只不过另一半叶子的取
样时间由 24 h延长到 48 h 。整个过程在成
熟和未成熟的轮叶白千层叶片上分别执行 。
每棵树都要依据两种处理方法和两种叶片类
型来分别测试 。一般认为在枝端第 2 、3对叶
片(淡黄绿色)是未成熟的(嫩叶)。
2. 3 环境条件
该实验在春天进行(温度 21 ~ 26℃,湿
度 65%~ 80%), 正午取样且光线要充足 。
试验所用植株每天均需灌溉 ,且每棵树只能
损伤一次 。
2. 4 化学分析
抽样 后 的 叶 片 (10 ~ 15 mg ) 浸 入
CH2 Cl2(10 ul)中加入高效反应物(示踪物)
372005年第 2期 热 带 农 业 工 程
400 ppm 辛烷(作为内标物)于室温下置暗室
中 24 h。该浸提条件被认为比彻底浸提更
能充分满足测定叶片伤前后油浓度和成分变
化的研究目的 。在这段时期之后 ,嫩叶中内
标物的回收率为 97. 3±2. 4%,成熟叶片中
的为 95. 1±2. 1%(均值±标准平均误差 , n
=8)。对所得提取液进行气相色谱和气相色
谱-质谱分析 。气相色谱分析用带有火焰离
子化检测器和 HP7673 型自动进样器的
HP6890气相色谱仪 ,色谱柱为 BPX-5(50 m
×0. 22 um×0. 25 um)(SG E Scientific ,澳大
利亚墨尔本),进样量为 2 ul ,进样口温度为
280℃,压力为 20 psi , 载气为 H2(流速 40
ml /min), 分流比 为 1∶10 , 检 测器温度
280℃,柱温采用程序升温 ,初温 60℃保持 5
min后以4 ℃/min的速率升至 180℃,终温维
持 5 min。
气相色谱-质谱检测条件同上 ,只是载气
为 He ,仪器为连接了 Varian2000离子阱检
测器的 Varian3800 气相色谱仪 。通过把质
谱和保留指数(基于 n-烷烃)与可靠标准进
行比较来确定混合物成分(Fluka Chem i-
cals ,澳大利亚新南威尔士)。同时也查阅了
相关文献(Brophy 等 , 1989;Adams ,1995)。
2. 5 油浓度测定
每种油成分的浓度(Ci)按以下公式测
定:Ci =[(Cistd /A istd)×Ai ] ×RRF ,其中
Cistd为内标浓度 , Aistd 为内标峰面积 , Ai
为面积归一化以后每种成分的峰面积
(Rouessac and Rouessac , 2000)。相对响应
因子 RRF 为内标关于总油成分的相对响应
因子 ,假定为 1 。内标与油成分之间和不同
油成分之间的任何检测器响应值差异都能引
起测定的微小偏差。但这并不影响曲线的走
向(Murtagh and Smith ,1996)。
2. 6 顶空实验
取六个月大 ,栽在花盆里的轮叶白千层一
小枝(大约有 8 ~ 10对叶片)放入 20 ml玻璃
量筒中 ,一端用聚四氟乙烯盖子封闭 ,盖子已
预先钻了一个适合放置手工固相微萃取器
(SPME)架(Supelco , USA)的孔。放进树枝
后 ,另一端用玻璃绒塞着 ,但系统仍是透气的。
30 min后 ,用聚二甲基硅氧烷涂层纤维在树枝
以上的顶空中取样(10 min ,25℃)。纤维会在
气相色谱仪和气相色谱-质谱仪的进样器中发
生热解吸作用(220℃, 10 min ,其余条件同
上)。取三片叶子沿纵向剖开。20 min后液上
气体将在 1 h内按以上程序检验。
整个实验在未受伤叶子上重复 ,结果用
于校正顶空作用造成的损耗和系统中其它挥
发损失。
2. 7 水分测定
受伤叶子(如试验设计中所描述)放在培
养皿中 50℃下干燥 10 d ,水分即是干燥前后
重量的差值。此实验须对成熟叶片和嫩叶各
重复三次 。
2. 8 统计分析
油中每种单烯(属倍半萜烯类的作为一
个整体测)的含量以色谱积分中峰面积的百
分率来表示 ,这对比较伤前后油成分的变化
是很有必要的。如果用绝对值(如面积 /克)
来表示 ,则叶子的水分 、成熟度 、油浓度等的
改变都会添加到数据上 ,最终会导致结果不
准确甚至错误 。
通过使用 Wilkoxon 信号列检测(成对
样品)法能使伤前后叶中每种油组分的百分
含量变化表现出统计意义(Sall and Leh-
man ,1996)。然后建立一个相关矩阵(基于
实际百分率),使含量易变的混合物组分具有
统计规律。PCA 测定相关性 ,所得的特征值
被用来使物体(叶片)间的关系在二维百分图
上表现出来。这种有效变量(混合物)间的联
系可以通过前两种主要组分的含量(载荷值)
来检查。独立样品(不同处理间的比较)的数
据也按以上分析。但在这种情况下 Kruskal-
Wallis 检测是实用的(Sall and Lehman ,
1996)。嫩叶提取中损伤对所占百分率较大
的守烷和萜烷之间关系的非参数测定的影响
38 热 带 农 业 工程 2005年第 2期
也已被研究(Sall and Lehman , 1996)。用来
进行数据分析的软件是 JM P-IN ○R(Window s
第三版)(SAS Insti tute Inc , USA)。
3 结果与讨论
3. 1 油浓度
图 1显示在受伤的轮叶白千层成熟和未
成熟叶子中油浓度的变化 。虽然提取的是新
鲜叶子 ,但其浓度值由含水量而引起的物质
变化所决定的干重来表示(Murtagh and
Smith ,1996)。观察两种叶片类型 ,在伤后前
24 h内变化很相似 ,但 48 h 后变化明显不
同 ,这段时间之后可以看出成熟叶片的油浓
度已回到伤前水平 。相反 ,未成熟叶片的油
浓度仍在继续下降(见图 1),不断的个体发
育而引起重量增加等叶子结构特征的变化可
能是此种现象的成因。
图 1 机械损伤导致的轮叶白千层油浓度的变化(均值±标准平均误差 n=8).相同标记表明各值间的
统计意义(P<0. 01, Wilkoxon信号列检测)
图 2 伤引起的轮叶白千层叶片顶空油浓度的变化(均值±标准平均误差 , n=3).基于未受伤的对照值
而以相同条件进行抽样.顶空油浓度先迅速增加而后逐渐降低的过程很明显
392005年第 2期 热 带 农 业 工 程
顶空实验结果表明伤后最初的油损失是
由于油成分挥散到大气中 。从图 2中可以看
出轮叶白千层叶片一旦受伤 ,其顶空油浓度
先是迅速增加 ,而后逐渐下降 。这很可能是
由于叶子分泌细胞的破裂 ,或者是通过修饰
表皮细胞而故意地释放油成分(List 等 ,
1995)。这些增加的挥发物可能是叶片为了
阻止更多损失而做出的初步反应。
成熟叶片 48 h 后油浓度的显著恢复表
明伤后一段时期内活跃的生物合成过程能弥
补由于损伤而造成的任何油损失。
3. 2 油组分
有关玉米和棉花的研究显示了植物从受
伤起几个小时以后才开始释放萜类化合物 。
这表明这些化合物的产生以及释放需要一系
列生化反应的诱导 。相类似地 ,如果轮叶白
千层中油组分的变化是由机械伤引起的 ,那
么这个过程也不可能是瞬间完成的。因此 ,
假定 T 0 值代表伤前值能有效反映油组分的
关系 。从该实验所用植株中获取的具有代表
性的 T 0 油组分(两种叶片类型)列在表 1
中。
表 1 本研究所用的轮叶白千层未成熟与成熟叶片中 T 0 的油组分
成分 百分含量 , %(最小———最大)嫩叶(n=16) 成熟叶片(n=15)
α-守烯 0. 50 - 0. 70 0. 36 - 1. 10
α-蒎烯 1. 41 - 1. 82 2. 00 - 3. 81
桧烯 3. 33 - 7. 42 nd
β-蒎烯 0. 61 - 0. 73 0. 64 - 1. 13
月桂烯 0. 61 - 0. 94 0. 79 - 1. 95
α-松油烯 1. 10 - 2. 50 3. 95 - 7. 80
原子簇 2a 2. 01 - 8. 72 5. 48 - 9. 00
γ-松油烯 1. 91 - 4. 62 8. 60 - 20. 6
反式-水合桧烯 5. 24 - 6. 72 nd
异松油烯 0. 42 - 0. 83 1. 10 - 2. 90
顺式-水合桧烯 30. 41 - 46. 32 nd
反式-孟烯醇 0. 21 - 0. 36 0. 10 - 0. 75
顺式-孟烯醇 0. 23 - 0. 39 0. 10 - 0. 78
松油-4-醇 2. 51 - 5. 74 27. 72 - 43. 91
α-松油醇 0. 61 - 1. 73 2. 01 - 6. 46
反式-胡椒脑b 0. 32 - 0. 54 0. 50 - 1. 90
未知 0. 20 - 0. 37 0. 40 - 1. 30
倍半萜烯 21. 62 - 34. 43 9. 17 - 20. 71
注: a原子簇 2=P-伞花烃 ,苧烯 , β-水芹烯 , 1 , 8-桉树脑。
b暂时鉴定。
所给值的范围表明所观察到的树间差异。24 及48 h 处理获得的值均被包含 , 选取冷溶剂提取
后所呈现的组分进行检测。
3. 2. 1 嫩叶
统计试验显示在未受伤和受伤的轮叶白
千层叶片中某些萜类化合物的成分百分比有
着显著变化(见表1)。伤后 24 h结果显示主
要萜烷类(α-和γ-松油烯 ,异松油烯 ,松油-4-
醇)浓度的增加是以守烷类(顺式-水合桧烯 ,
40 热 带 农 业 工程 2005年第 2期
桧烯)浓度的下降为代价的 。这两种官能团
间的负相关性在伤后 48 h更容易观察到(表
1)。轮叶白千层嫩叶和成熟叶片一样 ,其守
烷前体向更稳定的萜烷转化都会自然发生
(Southwel l and S tif f , 1989;Cornwell 等 ,
1995)。据知 ,在老化过程中顺式-水合桧烯
和较少的桧烯以及反式-水合桧烯影响到松
油-4-醇 、异松油烯 、α-和 γ-松油烯的形成
(Cornwell等 , 1995;Southw ell ,1999)。
然而研究结果表明 ,在嫩叶成熟过程中
损伤的影响远远超过正常的个体发育范围 。
从表 2可以看出:未受伤嫩叶中显著的线性
关系仅能从相同官能团各组分的浓度之间获
得(除了顺式-水合桧烯和α-松油烯间的关
系)。但是可以观察到受伤叶子中一些萜烯
和它们的前体守烯间显著的线性关系;桧烯
和顺式-水合桧烯似乎与松油-4-醇和γ-松油
烯密切相关 ,同时桧烯自身与异松油烯间也
有关系。在受伤叶子中 α-松油烯与其他任
何主要的守烯都没有线性关系 。
表 2 机械伤对轮叶白千层嫩叶油组分的影响
组分 未受伤与受伤叶片间百分含量的差异(均值±标准平均误差 , n=8)
伤后 24 h 伤后 48 h
α-守烯 - 0. 01±0. 01 0. 04±0. 03
α-蒎烯 - 0. 03±0. 03 0. 06±0. 05
桧烯 - 0. 44±0. 23 - 0. 78±0. 15 **
原子簇 1a - 0. 06±0. 05 0. 05±0. 07
α-松油烯 0. 34±0. 06 * 0. 71±0. 09 *
原子簇 2b 0. 14±0. 08 0. 18±0. 11
γ-松油烯 0. 63±0. 09 * 0. 98±0. 25
反式-水合桧烯 0. 04±0. 11 - 0. 13±0. 10
异松油烯 0. 29±0. 04 * 0. 40±0. 07 **
顺式-水合桧烯 - 1. 54±1. 05 - 4. 57±1. 30 *
松油-4-醇 1. 19±0. 23 * 1. 91±0. 40 **
α-松油醇 0. 11±0. 09 0. 08±0. 06
注: a原子簇 1 包括 β-蒎烯和月桂烯。
b原子簇 2=P-伞花烃 , 苧烯 ,β-水芹烯 , 桉树脑。
选取冷溶剂提取后所呈现的组分进行检测。 星号代表统计意义(*指 P<0. 02;**指 P<0. 01 ,
Wilkoxon信号列检测)。
目前仅能推测损伤怎样引起轮叶白千
层嫩叶个体发育的变化 。新近的工作已经
确认了守烯到 P-孟烯的转化与 pH 值和水
有关(Southw ell and St iff , 1989;Cornwell ,
1999)。因此 ,很可能是由于叶子中细胞破
裂改变 pH 值和水的含量而影响了嫩叶的
化学成熟度 。
根据生态学的观点 ,受伤嫩叶迅速的化
学成熟可以解释为试图把随后的损失减少到
最小 。
3. 2. 2 成熟叶片
油组分每种处理的不同数据集用来表示
损伤对轮叶白千层成熟叶片的影响(见表
3)。单烯类α-守烯和顺式-孟烯醇是在两种
伤后测定中发生显著改变的组分(表 4),其
他萜烯类最初改变的浓度最后又能恢复为伤
前水平 ,一系列不同的单烯被用来表达该响
应。这表明成熟叶片受伤后其生物合成异常
412005年第 2期 热 带 农 业 工 程
活跃以至于一些油组分以其他组分的下降为
代价被合成。这个观点被一些萜烯(如反式-
和顺式-孟烯醇)含量在 24 h 内大大增加(>
60%)的事实所支持(见表 1和表 4)。
表 3 轮叶白千层嫩叶未受伤(n=14)和受伤叶片(经 24 h和 48 h处理 , n=16)中主要守烯类和 P-孟烯
类间的非参数相关系数(*指 P<0. 05;**指 P<0. 01, Spearman检测)
变异间转化 Spearman 法检测未受伤叶片 受伤叶片
α-松油烯-桧烯 - 0. 2478 - 0. 2789
γ-松油烯-桧烯 - 0. 2156 - 0. 7574 **
γ-松油烯-α-松油烯 0. 6619** 0. 6966 **
反式-水合桧烯-桧烯 0. 3633 0. 0324
反式-水合桧烯-α-松油烯 0. 0871 0. 0496
反式-水合桧烯-γ-松油烯 0. 3917 0. 1468
异松油烯-桧烯 - 0. 1597 - 0. 5403 *
异松油烯-α-松油烯 0. 9319** 0. 5583 *
异松油烯-γ-松油烯 0. 6935** 0. 8657 **
异松油烯-反式-水合桧烯 0. 0000 0. 4122
顺式-水合桧烯-桧烯 0. 5842* 0. 7828 **
顺式-水合桧烯-α-松油烯 - 0. 5957* - 0. 5090
顺式-水合桧烯-γ-松油烯 - 0. 3868 - 0. 7710 **
顺式-水合桧烯-反式-水合桧烯 0. 5233* 0. 3291
顺式-水合桧烯-异松油烯 - 0. 4286 - 0. 4293
松油-4-醇-桧烯 - 0. 1079 - 0. 7142 **
松油-4-醇-α-松油烯 0. 8070** 0. 6020 *
松油-4-醇-γ-松油烯 0. 9281** 0. 9372 **
松油-4-醇-反式-水合桧烯 0. 2923 0. 3255
松油-4-醇-异松油烯 0. 8574** 0. 9407 **
松油-4-醇-顺式-水合桧烯 - 0. 4570 - 0. 6141 *
在伤后前 24 h 内 ,单烯的含量以倍半
萜烯下降为代价的增加也很令人感兴趣。
两种相互依赖的萜烯组之间不可能直接进
行生物合成 ,它们是在不同区室中被各自
合成的(Bohlmann 等 , 1998) ,但机械伤可
以影响基质的数目或萜烯的合成是有可能
的。这些萜烃合成相应的油组分就象通常
生物合成的一样 ,叶片受伤可能会影响附
产物油的组分 , 但通过统计分析在不同植
株上表现出相同行为的组分被认为是有研
究意义的 。把一批样品分成两组 , 每月抽
取其中一组 ,综合两批分析结果用来检验
响应的重复性 。
做实验来验证一个假说:上文所述两半
叶子中不同的油组分的改变是由于生长和其
它因素引起的 。然而统计分析发现两半叶片
中的油组分并没有明显的不同(Wilkoxon信
号列测试 P ≤0. 05 , n=8),而且两种不同提
取物的重复进针表明被检测的伤响应还存在
一些因仪器使用而产生的小误差(表 5)。提
取过程的重复性因叶间差异的存在而无法准
确测定 ,但是当相同提取过程被应用于嫩叶
上时却能准确检测出大家所知道的轮叶白千
层嫩叶的化学成熟度。
42 热 带 农 业 工程 2005年第 2期
表 4 机械伤对轮叶白千层成熟叶片油组分的影响
组分 未受伤与受伤叶片间百分含量的差异(均值±标准平均误差 , n=8)
伤后 24 h 伤后 48 h
α-守烯 0. 11±0. 01 ** 0. 12±0. 01 *
α-蒎烯 0. 02±0. 02 0. 08±0. 02
β-蒎烯 0. 03±0. 00 0. 04±0. 02
月桂烯 0. 02±0. 05 0. 02±0. 01
α-松油烯 - 0. 25±0. 57 0. 77±0. 40
原子簇 2a 0. 36±0. 54 - 0. 34±0. 13 *
γ-松油烯 0. 14±0. 12 0. 27±0. 15
异松油烯 0. 02±0. 10 0. 18±0. 07 *
反式-孟烯醇 0. 10±0. 01 ** 0. 05±0. 02
顺式-孟烯醇 0. 11±0. 01 ** 0. 12±0. 02 *
松油-4-醇 - 0. 28±0. 35 - 0. 18±0. 15
α-松油醇 0. 05±0. 03 - 0. 01±0. 01
反式-胡椒脑b 0. 40±0. 24 - 0. 16±0. 18
未知 0. 21±0. 14 - 0. 09±0. 12
倍半萜烯 - 1. 06±0. 35 * - 0. 81±0. 30
注: a原子簇 2=P-伞花烃 ,苧烯 , β-水芹烯 , 1 , 8-桉树脑〈同表 5〉 。
b暂时鉴定。
选取冷溶剂提取后所呈现的组分进行检测。星号代表统计意义(*指 P<0. 05;**指 P<0.
01 , Wilkoxon 信号列检测)
表 5 轮叶白千层伤响应中受仪器重现性影响的组分
组分 %(均值±标准平均误差 , n=8)提取 1 提取 2
α-守烯 0. 732±0. 009 0. 882±0. 010
原子簇 2a 6. 45±0. 018 5. 41±0. 007
异松油烯 1. 94±0. 001 2. 11±0. 002
反式-孟烯醇 0. 740±0. 014 0. 745±0. 011
顺式-孟烯醇 0. 281±0. 006 0. 300±0. 002
倍半萜烯 12. 6±0. 090 11. 7±0. 069
注: a原子簇 2=P-伞花烃 ,苧烯 , β-水芹烯 , 1 , 8-桉树脑。
表中显示了两次提取的结果(均值±标准平均误差 , n=5), SEM 为标准平均误差。
PCA二维百分图的创建是为了进一步
阐明被检测的伤响应(图 3),由不同条件下
的两种主要成分所确定的图能解释大部分数
据的变化(>88. 2%)。由图 3可见每一个成
熟叶片(用于两种处理)的伤响应与用来表达
响应的特殊化合物的伤前水平是不相关的 。
同时也可看到 ,尽管存在较大的树间差异 ,相
同处理间的各个重复都表现出相似的响应
432005年第 2期 热 带 农 业 工 程
量。相类似的情况在嫩叶中也可看到(未显
示数据)。
很可能这些伤响应所涉及的一系列不同化
合物具有特殊的用途。在大冷杉木的防御响应
中能产生防御物质—含油树脂组分的不同时刻
也已被测定(Steele等 ,1998)。大冷杉受伤后作
为昆虫毒素的单烯物质立即形成并汇集于伤口
表面封住伤口(Steele等 ,1998)。
图 3 轮叶白千层成熟叶片中两种主要油组分的 PCA 分布图(方框所示为未受伤叶片 , 没有方框的表示受伤
叶片)。相同序号表示来自于同一叶片(伤前 -后)(a)伤后 24 h , (b)伤后 48 h。为了测试响应的重复
性 , 5 -7号样品是在 1 - 4号样品抽样一个月后才进行抽样检测的。
比较伤后两种处理方法的结果并没发现
明显的不同 ,这可能是由于受到所观测到的
显著树间差异的影响。统计分析期间 ,独立
样品(来自于不同树上的叶子)均被测定过。
从表 1中可以看到很可能是由于显著的树间
变化遮盖了相对微小的组分变化。
以上证明了对于成熟叶片和未成熟叶
片 ,未受伤和受伤叶片的油外观的差异并不
大 ,研究卷心菜和玉米种子繁殖表明:当一个
诱导物(如唾液酶)出现而非通过单纯的机械
损伤而获得的响应时 ,这些植物的伤响应就
大得多 ,目前正进行的工作是测试关于富萜
植物假说的正确性。
4 结论
对轮叶白千层成熟和未成熟叶片的研究
证明机械伤可以引起油组分和质量的改变。
损伤使所有叶片的油总浓度都下降 ,但
成熟叶片能在伤后 48 h 使油浓度恢复到伤
前水平。
叶伤刺激以其他组分降低为代价的某些
萜烯的增加。未成熟和成熟叶片都具有这种
响应且不受油的总浓度 、油组成以及响应所
涉及的某些特殊萜烯的伤前浓度的影响 。
从商业角度看叶伤对油总浓度的影响可
能比所观察到的组分改变更有意义 。但是在
伤后期 ,叶子油浓度和组分的改变都可能起
着重要的生态作用 。
丁丽 ,程盛华译自 Biochemical Sy stematics and
Eco lo gy30(2002)399 - 412
王海英校
44 热 带 农 业 工程 2005年第 2期