全 文 ：第2 7卷 , 第1期　 　　　　　　　　　　　光 谱 学 与 光 谱 分 析 Vol. 27 , No. 1 , pp38-42
2 0 0 7 年 1 月　　　　　　　　　　　 　Spectro scopy and Spectr al Analy sis January , 2007 　
FTIR直接测定法在解决忍冬科一些分类学问题中的应用研究
郝朝运 , 程存归 , 刘　鹏*
浙江师范大学化学与生命科学学院 , 浙江金华　321004
摘　要　应用傅里叶变换红外光谱 (FT IR) 法测定了忍冬科 5 属 12种植物的红外光谱 , 对其红外光谱及系
统关系进行了分析。结果表明:各分类群的红外光谱具有高度特异性和重现性 , 七子花属与忍冬族和北极花
族的关系都比较接近 , 表明七子花属有可能在一定程度上联系着忍冬族和北极花族 , 而接骨木属和荚蒾属
与科内其他属的距离并不远 , 支持目前把这两属归入忍冬科的分类方法。说明利用已知的标准红外光谱图
库 , 可以鉴定和区分出这些属或其他属植物的种类及关系。
关键词　傅里叶变换红外光谱;聚类分析;主坐标分析;系统关系;忍冬科
中图分类号:Q949　　文献标识码:A　　　文章编号:1000-0593(2007)01-0038-05
　收稿日期:2005-11-07 , 修订日期:2006-03-08
　基金项目:浙江省自然科学基金项目(399277)资助
　作者简介:郝朝运 , 1979年生 , 浙江师范大学生物科学系在读硕士生　　　e-mail:haochy79@163. com　　*通讯联系人
引　言
　　忍冬科(Caprifo liaceae)是一个古老的科 , 主要分布于北
温带和热带高海拔山地 , 以东亚和北美东部种类最多。忍冬
科以盛产观赏植物而著称 , 荚蒾属 (Viburnum)、 忍冬属
(Lonicera)和锦带花属(Weigela)等都是著名的庭院观赏花
木 , 忍冬属和接骨木属(Sambucus)的一些种类是我国传统中
药材 , 具有重要的研究价值[ 1] 。其中 , 单种属植物七子花
(Heptacodium miconioides)为我国特有的珍稀濒危植物 , 属
国家二级重点保护植物 , 在系统演化和分类上具有重要的学
术价值 , 目前主要分布于浙江省金华 、 台州等地。由于忍冬
科植物的形态性状较为复杂 , 并与茜草科(Rubiaceae)、 山茱
萸科(Cornaceae)等科都有一定的相似性 , 所以一个多世纪以
来 , 虽然有不少学者应用形态学 、解剖学 、 胚胎学 、化学分
类学等方法做了大量工作 , 但至今还并未取得一致的意见 ,
尤其在七子花属的系统地位以及接骨木属和荚蒾属的系统归
属等方面。
傅里叶变换红外光谱法(fourier transform infra red spec-
troscopy , FT IR)是一种现代结构分析技术 , 具有操作快速 、
简单和灵敏度高的特点[ 2] , 已经被广泛地应用于各个研究领
域[ 3-6] 。近年来 FT IR 在高等植物的系统分类研究方面也有
一定的开展 , 如红景天属(Rhodiola) 的几个种类的鉴别研
究[ 7] 、蔷薇(Rosa multi f lora) 等 7 种高等植物的系统分
类[ 8] 、蛇足石杉及其 5 个近缘种的 16 个叶片样品的分类分
析[ 9] 。目前 , 应用 FT IR技术解决忍冬科植物的系统分类问
题在国内外尚未见报道。本文应用 FT IR法对忍冬科 12 种植
物的木质部进行了直接测定 , 采用数值分析法对这 12 种植
物间的系统关系进行了分析 , 为解决忍冬科的一些分类学疑
问提供新依据。本文所用的植物名称列于表 1。
Table 1　The name and number of materials used in this study
Gene ra Species Code
Sampling
number
六道木属 Abelia 糯米条 A. chi nensis LD1 10
南方六道木 A. dielsii LD2 10
七子花属 Heptacodi um 七子花 H. miconioides QZ 10
忍冬属 Lonicera 红腺忍冬 L. hypoglauca RD1 10
金银花 L. japonica RD2 10
大花忍冬 L. macrantha RD3 10
接骨木属 Sambucus 西洋接骨木 S. nigra JG 1 2
接骨木 S. wil liamsi i JG 2 10
荚蒾属 Viburnum 荚蒾 V. dil atatum JM1 10
珊瑚树V. odorat issimum JM2 10
球核荚蒾V. propinquum JM3 10
饭汤子 V. seti gerum JM4 10
1　材料与方法
1. 1　材料来源
所用材料采自浙江金华北山 、 浙江杭州植物园 、 浙江临
安天目山 、 浙江宁波四明山 、 福建武夷山等地 , 采集植物同
一部位的木质部。每种植物从不同产地共采集 10 个单株样
品用于红外光谱的测定 , 以尽量消除不同产地的植株间存在
差异对结果造成的影响。西洋接骨木(Sambucus ni gra)仅在
杭州植物园采集到两株样品。样品在测试前均置于 50 ℃左
右的红外干燥箱中干燥 3 h。
1. 2　测定方法
美国 Nicolet公司生产的 NEXUS 670 型傅里叶变换红
外光谱仪 , DTGS 检测器 , OMNIC E. S. P. 5. 1 智能操作软
件 , OMNI采样器 , 光谱范围 4 000 ～ 650 cm - 1 , 分辨率 4
cm - 1 , 扫描累加次数 32次。
在采集数据前 , 根据仪器测试要求把 OMNI采样器水平
放置在傅里叶变换红外光谱仪的样品仓中 , 用单面刀分别切
取样品的木质部 , 置于采样器的锗晶片与校正压力装置之
间 , 按照所给定的测试条件直接测定样品的 FTIR。
1. 3　数据分析
测定得到忍冬科 5 属 12 种植物共 112 个样品的 FTIR。
根据样品的吸收峰值的特点筛选出 20个比较典型的吸收峰 ,
记录各吸收峰的峰高值 , 求同种植物不同产地样品的对应吸
收峰峰高的平均值。以植物种类为对象 , 以各吸收峰的峰高
平均值为指标 , 构建原始数据矩阵。将原始数据矩阵中的峰
高值转化为成分比率后 , 分别应用聚类分析(Cluster analy-
sis)和主坐标分析(principal co ordina tion analysis , PCO)得到
表征 12 种植物间相似性关系的聚类图和三维排序图。以上
数据分析均在 PAST 1. 24b 统计软件包中运行。
主坐标分析是一个从多变量中选出新的综合变量来反映
原变量主要信息的研究方法 , 具有客观反映各变量的综合贡
献和各研究对象间相互关系的优点。但由于在运算过程中要
对数据进行多次的转换与综合 , 容易造成信息的丢失 , 同时
在对研究对象进行分组时判定某些研究对象的归属会有一定
的难度。而聚类分析是对研究对象进行分类的数学手段 , 其
结果侧重于揭示具有最相近关系的研究对象 , 虽然其聚类结
果较为简单明了 , 但是不能全面揭示研究对象之间的关系 ,
具有一定的局限性。所以 2 种分析方法相结合不但能准确对
研究对象进行划分 , 而且也能直观体现各研究对象之间的关
系。
2　结果与分析
2. 1　FTIR谱图的重复性与差异性
为揭示植物木质部红外光谱图的重复性和差异性 , 本文
首先分别对同种植物同一产地不同植株的木质部(图 1)、 同
种植物不同产地的木质部(图 2)、不同种类植物的木质部(图
3)的红外光谱进行对比分析。从结果看 , 同种植物同一产地
的不同植株木质部的红外光谱的差异不明显 , 各特征峰的吸
光度值基本一致;同种植物不同产地木质部的红外光谱有一
定的差异 , 主要体现在 1 800～ 1 100 cm - 1光谱范围内各特征
峰的吸收强度有所变化 , 这可能是与不同分布地的生境条件
差异以及种群间的遗传分化引起木质部内含物含量发生改变
有关。可见 , 单一样品的红外光谱图应用于植物系统分类研
究将会造成一定的误差 , 因此本文建议 , 在应用红外光谱技
术研究植物间的系统关系时应尽量从更多产地取样 , 以解决
单一样品代表性欠缺的问题;不同植物种类的木质部红外光
谱差异较大 , 在 3 292 , 2 926 cm - 1以及 1 800～ 1 100 cm - 1之
间各特征锋的吸收强度都有明显差异 , 表现出红外光谱图在
植物种属级水平上更大的差异性。
2. 2　FTIR 数据的多元统计分析
2. 2. 1　聚类分析
39第 1 期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　光谱学与光谱分析
基于欧式距离 , 应用聚类分析中的最近邻体法(Neare st
neighbour)得到表征 12 种植物系统关系的树系图(表 2 , 图
4)。从结果看 , 12 种植物间的距离系数变化范围较大 , 在
0. 032 ～ 0. 142 之间变动 , 平均值为 0. 102 , 其中红腺忍冬
( L. hypoglauca)和金银花(L. japonica)之间的距离系数最
小(0. 032), 西洋接骨木和饭汤子(V. setigerum)之间的最大
(0. 142)。聚类结果表明 , 在距离系数约为 0. 064的水平上12
种忍冬科植物可划分为 5 个类群 , 该聚类结果与依据形态特
征的传统分类学结果一致。其中 , 七子花属在约为 0. 070 的
距离水平上首先与忍冬族(Capri f olieae) 的忍冬属聚在一
起 , 随即在0. 072的距离水平上与北极花族(Linnaeeae)的六
道木属聚(Abelia)为一大组 , 这说明七子花属与忍冬族和北
极花族的关系都比较接近。接骨木属则直到在 0. 096 的距离
水平上才与其他属聚在一起 , 并未表现出和荚蒾属有较强的
相似性关系。
Table 2　Distance among 12 taxa according to the Euclidean distance coefficient
LD1 LD2 QZ RD1 RD2 RD3 JG1 JG2 JM1 JM 2 JM3 JM4
LD1 0
LD2 0. 045 0
QZ 0. 092 0. 071 0
RD1 0. 105 0. 082 0. 071 0
RD2 0. 101 0. 084 0. 074 0. 033 0
RD3 0. 116 0. 089 0. 069 0. 049 0. 043 0
JG1 0. 138 0. 117 0. 124 0. 135 0. 135 0. 124 0
JG2 0. 130 0. 109 0. 114 0. 123 0. 125 0. 113 0. 027 0
JM 1 0. 095 0. 109 0. 128 0. 139 0. 129 0. 142 0. 134 0. 127 0
JM 2 0. 088 0. 094 0. 114 0. 124 0. 116 0. 125 0. 100 0. 096 0. 050 0
JM 3 0. 096 0. 11 0. 126 0. 128 0. 119 0. 131 0. 130 0. 123 0. 050 0. 047 0
JM 4 0. 098 0. 105 0. 115 0. 116 0. 112 0. 125 0. 142 0. 131 0. 061 0. 072 0. 060 0
Table 3　Infrared spectrum variance proportion and cumulative variance proportion of the first three principal coordinates
Prin cipal coordinates
Ex t raction:principal coordinates analysis
Eigenvalue Variance /% Cum ulative eigenvalue Cumulative variance /%
1 0. 027 43. 21 0. 027 43. 21
2 0. 020 31. 51 0. 047 74. 72
3 0. 008 12. 69 0. 055 87. 31
2. 2. 2　排序分析
应用排序分析中的主坐标法得到表征忍冬科 12 种植物
系统关系的三维排序图(表 3 , 图 5)。主坐标分析中坐标轴的
特征根和方差贡献率是选择主坐标的依据。从表 3 可见 , 第
一主坐标的方差贡献率为 43. 21%, 是最重要的坐标 , 前 3
个主坐标的累积方差贡献率为 87. 31%, 表示前 3 个主坐标
可表达全部信息的 87. 31%, 而有12. 69%的信息丢失 , 所以
前 3 个主坐标基本可以显示出植物间的相似性关系。排序图
大体可把这 12 种植物划分为 5 组 , 与上文的聚类结果基本
一致。与聚类图相比 , 三维排序图能更直观地体现出研究对
象间相互关系 , 但缺点是难以在各距离水平上对对象进行准
确的划归。如在排序图中 , 七子花属与六道木属 、 忍冬属和
接骨木属的关系似乎都比较相近 , 甚至从第三主坐标上看 ,
七子花属与接骨木属的相似性更强 , 仅靠排序图难以对七子
40 光谱学与光谱分析　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 第 27 卷
花属的系统位置进行准确的划分 , 所以参考聚类分析的结果
还是非常必要的。
3　讨　论
3. 1　七子花属的系统地位探讨
对七子花属系统地位的争议存在已久 , Rehde r在发表七
子花属时就指出 , 该属的形态特征与忍冬族和北极花族都有
各自的相似之处。Metcalfe[ 10]根据对叶和木材的解剖研究结
果 , 认为应该把七子花属归入忍冬族内 , 后来 Donoghue[ 11]
相关研究也均将其归入忍冬族。但是徐炳声[12] 根据数值统
计法对忍冬科各属间关系的研究显示七子花属应归入北极花
族 , Takhtajan [ 13]和汤彦承等[ 14]也都赞成徐炳声的观点。最
近 , Zhang等[ 15]在利用叶绿体 trnL-F 和 ndhF 序列研究川续
目(Dipsacales)内植物的系统起源时发现 , 七子花属与忍冬
族和北极花族的遗传距离都比较接近。本研究结果显示 , 七
子花属首先与忍冬族的忍冬属聚在一起 , 随即该聚类组与北
极花族的六道木属聚在一起 , 说明七子花属与忍冬族和北极
花族的关系都比较密切 , 并不能硬性地将七子花属归入忍冬
族或者北极花族。这表明七子花属应在一定程度上联系着忍
冬族和北极花族 , 在系统演化中处于一种过渡状态 , 这可能
也是七子花属的系统地位一直不能完全明确的主要原因。
3. 2　接骨木属和荚蒾属的系统地位探讨
Dahlg ren[ 16]研究认为接骨木属和荚蒾属应从忍冬科中
独立出来成立接骨木科(Sambucaceae)和荚蒾科(Viburnace-
ae)。Wilkinson[ 17]根据接骨木属和荚蒾属花部的解剖结构彼
此相似这一点 , 认为两者是科内最相近的 , 并提出了忍冬科
的接骨木属———荚蒾属类群可能起源于原始的山茱萸科复合
群(Co rnaceous complex)。孢粉学的研究发现 , 接骨木属和荚
蒾属的花粉大小明显比其他属偏小 , 显示两者具有一定的相
似性[ 18] 。徐炳声应用数值统计法对忍冬科各属间系统关系
的研究也发现 , 接骨木属和荚蒾属之间的相似性远远超过它
们同忍冬科其他属之间的关系。但是 Bohm 等[ 19]关于忍冬科
化学分类的研究不支持把接骨木属独立出来成立新科 , 后来
增令杰等[ 20]的研究也验证了 Bohm 等的结论。从本文的研究
结果看 , 接骨木属和荚蒾属之间并未表现出较强的相似性 ,
同时这两属与忍冬科其他属间的距离关系并不远 , 所以支持
将接骨木属和荚蒾属归入忍冬科这一现行的分类方法。
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41第 1 期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　光谱学与光谱分析
The Applications of Fourier Transform Infrared Spectroscopy in
Resolving Some Taxonomic Doubts of Caprifoliaceae
HAO Chao-yun , CHENG Cun-gui , LIU Peng*
Depa rtment o f Biolo gical Science , Zhejiang No rmal Univer sity , Jinhua　321004 , China
Abstract　Fourier transfo rm infra red spectro scopy (FT IR) provides biochemica l profiles containing overlapping signals f rom a
majo rity of the compounds that are present w hen w hole samples a re analy zed. The spectra of the xy lem o f 112 samples belonging
to 12 specie s and 5 genera in Caprifo liaceae were determined directly with FT IR spectrome try and OMNI-sampler. Based on the
indices of w ave number-abso rbance , the phy lo genetic relationships of the 12 specie s were analyzed by the methods of principal
co ordinate analy sis(PCO) and cluster analysis. The results showed that the infra red spectra o f the 12 plant species are fing er-
print-like patterns which are highly typical for different ta xa. Genus Heptacodium has clo se rela tion w ith the tribe Linnaeeae ,
and Lonicereae , show ing tha t its systematic position is probably located betw een the tw o t ribes. There is no obvious differ ence
betw een Viburnum and S ambucus , so the author s thought it w ould be better to put the two gene ra in Caprifo liaceae. The refore ,
the infrared spectr a a re o f tax onomic va lue at the level of species and gene ra , and this technique could be w idely used for identifi-
cation and classification o f o ther taxa w hen standard spectra are available.
Keywords　FT IR;cluste r ana ly sis;Pr incipa l coo rdinate analysis;Phylogenetic relationship;Caprifoliaceae
(Received Nov. 7 , 2005;accepted Mar. 8 , 2006)　　
*Co rr esponding author
42 光谱学与光谱分析　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 第 27 卷