7 种十字花科植物挥发物成分分离与鉴定

冯雪梦，闫喜中，郝 赤

（山西农业大学植物保护学院，山西太谷030801）

植物在不断生长的同时，会持续地向环境中释放挥发性有机物，它是植物重要的信息传递渠道，对植物与植物、植物与动物间的联系起着十分重要的作用。植物挥发物是植物的次生代谢物，由相对分子质量100～200 的物质组成[1]，主要以萜类、苯丙酸类、脂肪酸衍生物和氨基酸衍生物为主[2]。植物挥发物具有高度的特异性，这种特异性的实现途径主要有2 种，一是源于植物中的特异性物质，二是植物中的各物质按特定比例组成[3]。这使得植食性昆虫能够准确地寻找到寄主植物[4]，如十字花科植物释放的特异性挥发物异硫氰酸酯类物质可以吸引小菜蛾（Plutella xylostella）、菜粉蝶（Pieris rapae）等昆虫的取食；苹果蠹蛾（Cydia pomonella）对枣树组织挥发物有明显的电生理反应[5]。对于植物本身来说，通过释放植物挥发物，可以抵御病虫害，吸引天敌昆虫，甚至可以引起邻近植物的防御反应[6]，从而达到自我保护的目的，如欧洲山芥（Barbarea vulgaris）的植物挥发物可以吸引小菜蛾产卵，但在莲座期却对幼虫具有强烈的致死作用[7]；玉米花粉释放的挥发物可以吸引粉虱的天敌——东亚小花蝽和浅黄恩蚜小蜂，从而减少自身受侵害的程度[8]。此外，植物挥发物也是食物风味的重要体现[9]。近些年的研究发现，某些植物香味对人体健康有积极的作用，如提神静气、强身健体等[10]，百合科（Liliaceae）植物的挥发物可净化空气，缓解紧张[11]。本试验的研究对象十字花科植物是人类食用率最高的植物，同时也受到了严重的虫害威胁。有研究显示，十字花科植物至少遭受了5 个目昆虫的危害[12]，这些昆虫灵敏的嗅觉系统，可以使触角短暂暴露在多种挥发物质混合的空气中识别出相关的寄主气味线索[13]，从而在复杂的环境中找到十字花科植物，并作为取食、交配和产卵的场所。随着现代生物化学以及先进的生测技术的进步，对于植物挥发物的研究会更加深入。

目前，关于十字花科植物挥发物的研究多为对一种植物的挥发物成分的研究，缺少对多种十字花科植物的挥发物成分差异比较。为了更为全面地分析十字花科植物的挥发物成分，本研究利用顶空收集的方式，通过气相色谱- 质谱联用（GC-MS）技术，对十字花科7 种植物的挥发物进行收集与鉴定，探讨7 种植物的挥发物组成与含量的差异，利用植物—植食性昆虫—天敌三级营养关系为十字花科病虫害的进一步研究提供一定依据，从而在研发绿色农药、降低物种抗性、维持生态平衡等方面起到重要作用，对于深入探究植物本身的价值以及防治植物病虫害有着重要的意义。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试7 种十字花科植物为盆栽小白菜（Brassica chinensisL.）、油菜（Brassica napusL.）、芥菜（Brassica junceaL.）、萝卜（Raphanus sativusL.）、菜心（Brassica campestrisL.）、甘蓝（Brassica oleraceaL.）、花椰菜（Brassica oleraceaL.var.botrytisL.），品种分别为台湾小白菜、五月慢、光头芥、三尺白、49-19 菜心、中甘十一、白雪80，所有植物种植于山西农业大学农学院试验站，均采用生长21～28 d且长势一致的健康植株进行采集工作。

1.2 试验方法

1.2.1 挥发物的收集 采用顶空收集的方法进行7 种十字花科植物挥发物的收集，具体方法[14]为：选择晴朗无风的晴天进行挥发物的收集，将提前用蒸馏水清洗好的植株叶片进行采集，用消毒后的剪刀将叶片剪碎后迅速装入采样瓶中，植物叶片装至采样瓶2/5 处，塞紧瓶塞。试验前需进行Porapak Q 吸附剂（CNW Technologies）的激活：将20 mg 吸附剂装入洁净干燥的采样管（长12 cm、内径4 mm、外径6 mm）中，分别用3 mL 丙酮、3 mL 甲醇进行淋洗，用锡箔纸对采样管外管壁进行包裹。通过硅胶管（图1）将大气采样仪（QS-Ⅱ型，流量为0.5 L/min）、活性碳管、变色硅胶管、玻璃转子流量计、采样瓶连接起来，确保装置的气密性。抽气15 min 排尽装置中的气体后，再连接采样管和末端的玻璃转子流量计。采集时间为4 h。

挥发物采集结束后，于常温下用二氯甲烷洗脱至2 mL 的进样瓶中，每次300 μL 洗脱5 次，密封好后将样品置于-20 ℃冰箱中保存。

1.2.2 植物挥发物成分测定 采用Trace ISQ 质谱联用仪对7 种十字花科植物的挥发物进行分析鉴定。色谱柱型号为DB-5MS，每次进样1 μL，采用不分流进样方式，载气为氦气。升温程序：初始值50 ℃保持2 min，然后以4 ℃/min 的速度升温到120 ℃保持2 min，再以20 ℃/min 升温到250 ℃保持4 min，共运行32 min。电离方式EI，轰击电压为70 eV，检测器温度300 ℃，离子源温度250 ℃，进样口温度250 ℃，扫描速度5 s，扫描范围为45～500 m/z。

样品按照上述进样条件进行挥发物成分分析，得到的总离子流色谱图与NIST 8 标准谱库中进行比对，得出化合物结构，从而确定挥发物组分。各化合物相对含量的计算采用峰面积归一化法。

1.3 数据分析

试验采用Excel 2010 进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 7 种十字花科植物挥发物成分鉴定

经GC-MS 检测，7 种十字花科植物的挥发物成分总离子色谱如图2 所示，扣除本底空气中所含有的杂质，共鉴定出萜烯、酯、醛、酮、醇、烃类等81 种化合物（表1），其中，小白菜共鉴定出24 种化合物，主要成分为顺-3- 己烯醇、顺-3- 己烯乙酸酯、1- 戊烯-3- 醇、乙基苯，占化合物总含量的63.57%；油菜共鉴定出25 种化合物，主要成分为顺-3- 己烯醇、1- 戊烯-3- 醇、3- 己烯醛、正己醇，占化合物总含量的71.08%；芥菜共鉴定出17 种化合物，主要成分为异硫氰酸烯丙酯、顺-3- 己烯醇、异硫氰酸丁酯、反式-3- 己烯-1- 醇乙酸酯，占化合物总含量的72.47%；萝卜共鉴定出12 种化合物，主要成分为二十七烷、顺-3- 己烯醇、顺-3- 己烯乙酸酯、间二甲苯，占化合物总含量的59.62%；菜心共鉴定出17 种化合物，主要成分为顺-3- 己烯醇、间二甲苯、二十七烷，占化合物总含量的52.98%；甘蓝共鉴定出27 种化合物，主要成分为异硫氰酸烯丙酯、桉叶油醇、异龙脑，占化合物总含量的50.32%；花椰菜共鉴定出27 种化合物，主要成分为对二甲苯、乙基苯、顺-3- 己烯醇、十一烷，占化合物总含量的38.96%。

表1 7 种十字花科植物叶挥发物成分分析鉴定结果

续表1

2.2 7 种十字花科植物挥发物成分种类及差异性比较

根据GC-MS 结果，7 种十字花科植物挥发物种类有萜烯、酯、醛、酮、醇、烃类等，且相对含量存在着明显的差异（图3）。其中，酯、醛、醇、烷烃、芳香烃在7 种植物的挥发物中都被检测到，而萜烯类仅在小白菜、甘蓝、花椰菜中被检测到，酮类在小白菜、油菜、菜心、甘蓝、花椰菜中被检测到。小白菜共有7 类化合物，其中，萜烯类1 种（0.39%）、酯类6 种（14.91%）、醛类5 种（4.18%）、酮类1 种（0.21%）、醇类4 种（46.19%）、烷烃类1 种（1.89%）、芳香烃类5 种（5.72%）；油菜共有6 类化合物，其中，酯类2 种（0.42%）、醛类6 种（5.35%）、酮类2 种（0.14%）、醇类7 种（68.13%）、烷烃类1 种（0.80%）、芳香烃类7 种（1.88%）；芥菜共有5 类化合物，其中，酯类5 种（47.12%）、醛类1 种（0.04%）、醇类3 种（26.26%）、烷烃类4 种（1.17%）、芳香烃类3 种（5.33%）；萝卜共有5 类化合物，其中，酯类2 种（7.69%）、醛类1 种（0.20%）、醇类1 种（17.03%）、烷烃类4 种（32.13%）、芳香烃类3 种（11.18%）；菜心共有5 类化合物，其中，酯类6 种（8.93%）、酮类2 种（1.12%）、醇类1 种（34.65%）、烷烃类7 种（13.61%）、芳香烃类2 种（14.08%）；甘蓝共有7 类化合物，其中，萜烯类3 种（1.39%）、酯类6 种（34.44%）、醛类1 种（0.09%）、酮类4 种（13.58%）、醇类8 种（35.38%）、烷烃类1 种（0.09%）、芳香烃类4 种（2.07%）；花椰菜共有7 类化合物，其中，萜烯类1种（2.13%）、酯类6 种（8.76%）、醛类1 种（0.29%）、酮类3 种（3.06%）、醇类3 种（5.83%）、烷烃类8 种（6.70%）、芳香烃类6 种（34.93%）。

3 结论与讨论

本研究结果表明，7 种十字花科植物小白菜、油菜、芥菜、萝卜、菜心、甘蓝、花椰菜的挥发物分别有24、25、17、12、17、27、27 种，酯类、醇类、烷烃类、芳香烃类的化合物含量较高，说明这几类物质是构成十字花科植物挥发物的主要成分；7 种植物的挥发物都含有绿叶气味顺-3- 己烯醇，且含量较大，在芥菜、萝卜、甘蓝中鉴定出了特异性化合物异硫氰酸酯类物质。

总体来说，7 种十字花科植物挥发物的种类、含量等都有一定的差别，这也是造成不同种十字花科植物具有不同风味的原因之一，同时也会影响植食性昆虫取食嗜好性，如田间试验中小菜蛾对小白菜、油菜、芥菜、萝卜、菜心、甘蓝、花椰菜的产卵量依次减少[15]，分析其主要原因除植物叶片的外观有所差异外，7 种寄主植物挥发物对雌虫的吸引力有所不同，导致产卵具有差异性。在关于十字花科植物挥发物的研究中，戴建青等[16]利用顶空- 固相微萃取（HP-SPME）的方法鉴定出甘蓝、白菜和青菜的挥发物中烷烃、烯烃的含量最高；用吹扫法进行白菜、羽衣甘蓝、芥蓝、青花菜、芥菜和大白菜挥发物的收集，并在结果中发现样品中均含有硫苷降解产物异硫氰酸盐和腈类化合物[17]；LIU 等[18]对12 种不同十字花科蔬菜中挥发性有机物的含量进行测定，鉴定出44 种挥发性有机化合物，且白菜的挥发性有机物含量高，萝卜的挥发性有机物含量相对较低，异硫氰酸酯类物质在萝卜和甘蓝中含量较高，其他蔬菜次之。这些研究与本试验的结果基本相同，但是也有一定的差异。有研究表明，植物挥发物成分的鉴定结果与植物叶片的状态、生长期、收集到的挥发物的浓度、环境中CO2的浓度、光照、温度等因素有着十分密切的关系[19]。AGELOPOULOS 等[20]研究发现，完整甘蓝的挥发物有α-蒎烯、β-蒎烯、月桂烯、1，8- 桉叶素、乙酸正己酯、乙酸顺-3- 己烯-1- 酯和三硫化二甲酯，机械损伤的甘蓝挥发物中则增加了反式-2- 己烯醛和1- 甲氧基-2- 戊酮，菜青虫咬食后，则发现了异硫氰酸酯类物质；黄宇萍[21]也研究发现，被虫害诱导的甘蓝植株挥发物种类高于机械损伤与完整植株，小菜蛾取食后，青菜的挥发物释放量增加了3 倍[22]；温度对葛根（Pueraria lobata）挥发物中异戊二烯排放的影响较大，温度升高10 ℃会导致异戊二烯排放速率增加8 倍；JASONI 等[23]研究发现，高CO2浓度下，洋葱叶挥发物2- 十一烷酮和2- 十三烷酮的释放量增加。相关研究表明，CO2浓度的改变会直接影响叶片光合作用和气孔导度，从而间接影响植物释放的化合物[24-25]；高扬等[26]比较了不同生长时期波姬红无花果的挥发物成分，结果表明，不同月份成熟的果实挥发物成分发生变化。除此之外，植物品种的不同也会导致挥发物成分具有差异[27]。本研究将十字花科较为常见的7 种植物挥发物进行了收集与鉴定，较为全面地总结分析了7 种植物挥发物成分含量与种类的不同，挥发物之间的差异可能是导致蔬菜具有不同风味的原因，同时也成为植物吸引昆虫的嗅觉线索。

植物挥发物对植物与植食性昆虫、天敌昆虫的关系起着至关重要的作用[28]；利用植物信息化合物调控昆虫行为，可以用于解决植物病虫害问题、保护生态平衡、增加农业生产等，为降低农业病虫害提供了新思路，实现了生态与经济效益的双赢，为生产绿色无公害的生物农药提供了依据。