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叶片衰老影响木兰科植物聚类的FTIR研究



全 文 :第3 3卷,第9期             光 谱 学 与 光 谱 分 析 Vol.33,No.9,pp2359-2362
2 0 1 3年9月             Spectroscopy and Spectral Analysis  September,2013  
叶片衰老影响木兰科植物聚类的FTIR研究
李 伦1,刘 刚1*,欧全宏1,张 黎1,刘剑虹2,孙世中2
1.云南师范大学物理与电子信息学院,云南 昆明 650500            
2.云南师范大学可再生能源材料先进技术与制备教育部重点实验室,云南 昆明 650092
摘 要 傅里叶变换红外光谱(FTIR)结合聚类分析技术应用于木兰科植物不同亚族分类,研究了叶片衰老
对聚类分析效果的影响。测试了木兰科三个亚族14种植物的幼叶、成叶、老黄叶红外光谱,结果显示三个
亚族植物叶片红外光谱差异不大;同种植物叶片不同生长期的红外光谱吸收峰位置基本一致,但一些特征
峰的峰强有变化;用1 800~700cm-1范围二阶导数光谱结合聚类分析,发现成叶二阶导数光谱聚类分析能
够正确对样品分类,幼叶和老黄叶二阶导数谱聚类分析效果不如成叶,说明叶片衰老过程化学成分变化影
响聚类分析效果,聚类分析时取成叶样品为好。
关键词 傅里叶变换红外光谱;木兰科;叶片衰老;聚类分析
中图分类号:O657.3  文献标识码:A   DOI:10.3964/j.issn.1000-0593(2013)09-2359-04
 收稿日期:2012-12-13,修订日期:2013-02-20
 基金项目:国家自然科学基金项目(30960179)资助
 作者简介:李 伦,1981年生,云南师范大学物理与电子信息学院硕士研究生 e-mail:liyilun@sohu.com
*通讯联系人  e-mail:gliu66@163.com
引 言
  木兰科植物是被子植物中最原始的类群之一[1],可用作
园林绿化、香原料、药用、木材等多用途,具有较高经济利
用价值。目前全世界木兰科植物共有2-17属240-300余种,
主要分布于亚洲东南部和热带美洲,中国有木兰科植物2-12
属120余种,主要分布于东南至西南部[2]。
中国木兰科植物分类系统工作一直在进行,目前,广泛
采用刘玉壶系统,分类常用手段有形态学、解剖学、胚胎学、
孢粉学、植物化学、分子生物学、遗传学等,有时要几种方
法结合在一起使用才能达到较好效果。分析化学在植物分类
中占有重要地位,振动光谱技术是分析化学的重要组成部
分,如利用气相色谱-质谱联用(GC-MS)技术分析木兰科植
物精油所含的化学成分,为木兰科植物亲缘关系提供了科学
依据[3],虽然准确性高,但需要分离提取,操作繁琐、费用
高,破坏植物样品;李水福等对木兰科十种花的紫外光谱进
行了相似系数法聚类分析[4],但在有机化合物的定性鉴定和
结构分析中,紫外-可见光谱较简单,特征性不强。
红外光谱具有较好的指纹特性,不仅用于纯化合物结构
分析与鉴定,还可用于复杂混合物体系的分析。傅里叶变换
红外光谱法操作简单、无损、灵敏度高、用样少、重复性好,
结合化学计量学方法,已经被广泛应用于各个领域,如对食
用菌不同产地的鉴别、对中药材鉴定[5]。利用傅里叶变换红
外光谱技术对植物系统分类方面也有报道,如对山茶系统分
类研究[6],对杜鹃花植物鉴别分类研究[7]等。但木兰科植物
不同生长期叶片对红外光谱聚类的影响的研究尚未见报道。
本工作将傅里叶变换红外光谱技术结合聚类分析应用于木兰
族三个亚族的14种植物的分类,探讨叶片衰老对聚类效果
的影响。
1 实验部分
1.1 仪器
红外光谱仪为PerkinElmer公司的Frontier傅里叶变换
红外光谱仪,扫描范围4 000~400cm-1,分辨率4cm-1,扫
描次数16次。
1.2 样品制备
实验用木兰科三个亚族14种植物共42个叶子样品,均
采自昆明植物园,幼叶、成叶、老黄叶采自同一棵树同一枝
条。包括木兰族的木兰亚族(黄山木兰,夜香木兰,三瓣木
兰,二桥木兰12各样品)、木莲亚族(粗梗木莲,桂南木莲,
锈毛木莲,大果木莲,川滇木莲15个样品)。含笑族的含笑
亚族(峨眉含笑,多花含笑,阔瓣含笑,金叶含笑,亮叶含笑
15个样品)。将样品清洗干净后晾干,避开主叶脉取叶片中
上部位进行研磨,再加入溴化钾搅磨均匀压片测红外光谱。
1.3 光谱预处理及数据分析
所得光谱均扣除背景吸收,光谱经过基线校正,归一化
处理。用Omnic8.0软件得到二阶导数谱,再用SPSS18.0软
件进行聚类分析。
2 结果与讨论
2.1 不同亚族木兰植物叶片红外光谱分析
图1是从三组木兰亚族植物中分别选取的3个具有典型
性光谱特征的图谱代表:黄山木兰(木兰亚族)、粗梗木莲
(木莲亚族)、阔瓣含笑(含笑亚族)。三个光谱较相似,各谱
峰归属:3 500~3 200cm-1范围强宽峰为O—H与N—H的
伸缩振动吸收;2 925cm-1附近为亚甲基中C—H不对称伸
缩振动吸收;2 857cm-1附近的峰为亚甲基中C—H对称伸
缩振动吸收[8];1 735cm-1附近的吸收峰主要来自脂类
C O 伸缩振动;1 700~1 600cm-1范围主要为蛋白质酰
胺Ⅰ带 C O 伸缩振动和木质素中与芳香环相连的 C O
伸缩振动吸收的叠加[8];1 516cm-1附近为木质素中苯环的
骨架特征伸缩振动吸收[8];1 445cm-1附近为细胞壁多糖
C—H弯曲振动吸收,苯环的骨架振动吸收,C—O伸缩振动
吸收[5,9];1 440~1 330cm-1范围的谱峰为蛋白质、纤维素、
木质素等受氧、氮原子影响的甲基、亚甲基对称弯曲振动和
CH3 剪式振动吸收[10]及C—H弯曲振动吸收[5],其中1 375
cm-1附近为纤维素、半纤维素 C—H 弯曲振动[11];1 247
cm-1附近为木质素中苯羟基中 C—O 键的伸缩振动[12];
1 200~900cm-1范围显示强峰主要是多糖的吸收;900~
750cm-1范围为糖类异构吸收区,其中895cm-1附近为纤维
素的环振动产生的C—H 变形峰,830cm-1附近为木质素中
C—H平面弯曲振动吸收[13]。
Fig.1 FTIR specta of mature leaves
a:Magnolia cylindrica Wils;
b:Manglietia crassipes Law;c:Michelia platypetala
  图2为黄山木兰成叶、粗梗木莲成叶、阔瓣含笑成叶的
二阶导数谱,二阶导数光谱提高了分辨率,在二阶导数红外
光谱上,1 700~1 600cm-1范围重叠在一起的谱峰分解成
1 658和1 605cm-1附近两个峰。1 658cm-1附近主要为蛋白
质酰胺Ⅰ带的振动吸收,1 605cm-1附近为木质素中与芳香
环相连的 C O 伸缩振动吸收[10]。二阶导数谱在1 100~
1 020cm-1范围有较大差异:黄山木兰有1 066,1 037,
1 020cm-1附近三个峰;粗梗木莲显示1 046和989cm-1附
近两个峰;阔叶含笑有1 075和1 020cm-1附近两个峰。
Fig.2 Second derivative infrared specta of mature leaves
a:Magnolia cylindrica Wils;
b:Manglietia crassipes Law;c:Michelia platypetala
2.2 叶片不同生长期的红外光谱分析
随着植物叶片的生长衰老,植物叶片发生复杂的生理生
化变化,蛋白质、核酸、脂类等生物大分子被一系列降解酶
降解后,其降解产物转化为容易运输的氨基酸、谷氨酸、天
冬氨酸、蔗糖,从衰老叶片中转运出去,以满足生殖器官或
贮藏器官等代谢旺盛部位对营养物质的需求[14],这些变化
会引起叶片红外光谱的变化[15]。以具有代表性的锈毛木莲
为例,图3为锈毛木莲幼叶、成叶、老黄叶的红外光谱,同
种植物叶片不同生长期的红外光谱吸收峰位置基本一致,但
一些特征峰的峰强有变化。从幼叶到老黄叶,光谱中1 700~
1 600cm-1范围峰明显增强,吸光强度比:幼叶A1 055/A2 920
为0.709、成叶A1 055/A2 922为0.659、老黄叶A1 058/A2 922为
0.644,多糖含量随叶片衰老减少,可能是多糖从叶片被转
运出 去;幼 叶 A1 610/A2 920 为 0.016、成 叶 A1 604/A2 922 为
1.307、老黄叶A1 604/A2 922为1.550,木质素含量随叶片衰老
增多,可能是维管细胞担任降解产物的有效调运,而比叶肉
细 胞保持时间长的原故[14]。叶片衰老过程化学成分变化可
Fig.3 FTIR specta of Manglietia rufibarbata Dandy leaves
a:Young;b:Mature;c:Old yelow
0632 光谱学与光谱分析                    第33卷
能会影响木兰科植物聚类分析效果。所以,聚类分析时把样
品分为幼叶、成叶、老黄叶三个组,每组单独进行聚类分析。
2.3 聚类分析
为了研究叶片衰老影响木兰科植物聚类分析效果,聚类
分析时把样品分为幼叶、成叶、老黄叶三个组,每组单独进
行聚类分析,最后将幼叶、成叶、老黄叶放在一起进行聚类
分析。
在国内木兰科的分类系统主要为刘玉壶系统:将木兰科
分为木兰亚科、鹅掌楸亚科两个亚科。木兰亚科分为木兰
族、含笑族。木兰族分为木兰亚族、木莲亚族、长蕊木兰亚
族;含笑族分为南洋含笑亚族、含笑亚族。
图4为不同亚族植物成叶的聚类分析结果图,用1 800
~700cm-1范围二阶导数谱,使用系统聚类法聚类分析。从
图4可看出,在距离15左右将木兰亚族、木莲亚族、含笑亚
族三个亚族分别聚为三类,在距离18左右将木兰亚族、木莲
亚族聚为一类,在距离25处将三个亚族聚为一类。木兰亚族
与木莲亚族关系相对含笑亚族更近一些,这与刘玉壶系统相
吻合。
Fig.4 Dendrogram from hierarchical cluster analysis results of
mature leaves on the second-derivative spectra in the
range of 1 800~700cm-1
  图5为不同亚族植物幼叶的聚类分析图,用1 800~700
cm-1范围二阶导数谱,使用系统聚类法聚类分析。图中显
示:大果木莲未能很好地聚到木莲亚族,三瓣木兰未能很好
地聚到木兰亚族。用同样方法不同亚族植物老黄叶没能将木
兰亚族、木莲亚族、含笑亚族三个亚族分别聚为三类(图未
显示)。
  图6为14种不同亚族植物的幼叶、成叶、老黄叶样品
(共42个)放在一起聚类分析图,用1 800~700cm-1范围二
阶导数谱,使用系统聚类法聚类分析。图中显示:除了桂南
木莲幼叶、夜香木兰老黄叶、大果木莲幼叶、三瓣木兰幼叶
四种叶片外,在距离11左右将木兰亚族、木莲亚族、含笑亚
族三个亚族分别聚为三类,但其中亮叶含笑老黄叶、金叶含
笑老黄叶、黄山木兰老黄叶错误的聚类在了木莲亚族;在距
离12左右将木兰亚族、木莲亚族聚为一类;在距离13左右
将三个亚族聚为一类;在距离13-25之间才逐渐将桂南木莲
幼叶、夜香木兰老黄叶、大果木莲幼叶、三瓣木兰幼叶与所
有叶片聚为一类。从中也能看出木兰亚族与木莲亚族关系相
对含笑亚族更近一些。
Fig.5 Dendrogram from hierarchical cluster analysis re-
sults of mature leaves on the second-derivative
spectra in the range of 1 800~700cm-1
Fig.6 Dendrogram from HCA results of young,mature and
old leaves on the second-derivative spectra in the range
of 1 800~700cm-1
  从幼叶、成叶、老黄叶单独聚类分析及混合聚类分析结
果看,成叶聚类较准确,幼叶、老黄叶效果稍差,其主要原
1632第9期                    光谱学与光谱分析
因可能是叶片衰老过程蛋白质、脂类、多糖等化学成分变化
影响了聚类分析效果。
3 结 论
  测试了木兰科三个亚族14种植物的幼叶、成叶、老黄叶
共42个叶子样品红外光谱,对14种植物进行了系统聚类分
析,其中成叶二阶导数光谱聚类效果最好,幼叶和老黄叶光
谱聚类效果不如成叶,叶片衰老过程中成分变化影响聚类分
析效果,因此建议在用叶片红外光谱做聚类分析时,尽量使
用成叶样品。本工作只是对木兰科三个亚族14种植物分类
进行了研究,而木兰科植物种类繁多,在利用红外光谱对木
兰科植物分类的研究方面有必要做进一步的工作。红外光谱
在植物系统分类研究方面具有操作简单、取样少、快速、无
损和无需分离提取等优点,所获得的信息可为植物系统分类
研究提供参考。
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FTIR Study of the Influence of Leaf Senescence on Magnoliaceae Cluster
Analysis
LI Lun1,LIU Gang1*,OU Quan-hong1,ZHANG Li 1,LIU Jian-hong2,SUN Shi-zhong2
1.School of Physics and Electronic Information,Yunnan Normal University,Kunming 650500,China
2.Key Laboratory of Advanced Technique & Preparation for Renewable Energy Materials,Ministry of Education,Yunnan
Normal University,Kunming 650092,China
Abstract Fourier transform infrared(FTIR)spectroscopy combined with hierarchical cluster analysis was used to study the in-
fluence of leaf senescence on magnoliaceae cluster.FTIR spectra of young,mature and old yelow leaves were obtained from 14
species trees belonging to the three magnoliaceae subtribes.Results showed that the infrared spectra of the three subtribes plant
leaves were similar,only with minor differences in the absorption intensity of several peaks.Hierarchical cluster analysis was
performed on the second derivative infrared spectra in the range 1 800~700cm-1.The HCA results showed that the cluster
based on mature leaves is better than that based on young and old yelow leaves.Our study suggests that it should be cautious to
select leaf sample while using leaf spectra for classification.
Keywords FTIR;Magnoliaceae;Leaf senescence;Cluster analysis
*Corresponding author (Received Dec.13,2012;accepted Feb.20,2013)  
2632 光谱学与光谱分析                    第33卷