钾镁胁迫对橡胶幼苗叶片物质成分影响的FTIR表征

薛欣欣，王文斌，罗雪华，张永发，赵春梅

中国热带农业科学院橡胶研究所，土壤肥料研究中心，农业农村部橡胶树生物学与遗传资源利用重点实验室，省部共建国家重点实验室培育基地-海南省热带作物栽培生理学重点实验室，海南 海口 571101

引 言

天然橡胶是重要的战略物资和工业原料，在国民经济发展中具有非常重要的地位和作用。橡胶树(Heveabrasiliensis)是天然橡胶的重要来源，为我国热带和亚热带地区重要的经济作物。然而，我国橡胶林的大规模垦植、刺激割胶应用、化肥施用不当等造成胶园土壤肥力出现下降趋势[1-2]。研究表明，海南植胶后土壤速效钾含量仅为未开垦土壤的50%[3]。橡胶缺钾会造成碳水化合物转运受阻、叶片结构(面积、厚度、叶绿体结构等)发生变化[4]，进而影响橡胶树产、排胶及橡胶质量[5]。海南作为我国最大的热区之一，其砖红壤具有阳离子交换能力低、强风化、酸性和砂质等特点，土壤中水合半径较大的镁离子存在较高的淋失风险[6]。研究发现，海南植胶区80%以上的土壤交换性镁含量低于正常值[7]。橡胶缺镁会造成暴光老叶叶脉间呈鱼骨褪绿而变黄，严重时出现黄叶落叶病，影响产量形成[8]。

傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR)技术是一种基于化合物中官能团和极性键振动的结构分析技术，可对样品进行定性和定量分析，具有灵敏度高，制样方法简单，样品用量少，测试时间短等优点[9]。植物体内生物大分子如核酸、脂类和碳水化合物，具有特征性的官能团和独特的分子振动模式，通过分析红外光谱吸收位置、宽度和强度，有助于了解植物体内有机物分子官能团的组成和结构特征。以往研究认为，植株组织的FTIR吸收峰特征会因营养状态的不同而产生差异[10-11]。Butler等[12]证实FTIR能够对缺钙胁迫下模式植物鸭跖草的营养状态进行精确评估。王盛峰等[13]利用FTIR研究了缺锌条件下玉米碳水化合物、脂类、蛋白质及核酸等组分发生了改变。有报道利用FTIR研究了低硼和高硼胁迫下影响柑橘叶片物质组成和结构。有工作对棉花功能叶片FTIR谱图特征峰的研究发现缺钾破坏了叶片表皮结构，蛋白质、纤维素、可溶性糖和核糖等结构发生变化，缺硼造成蛋白质及可溶性糖、纤维素等碳水化合物在叶片大量积累。姚宇洁等[14]利用FTIR研究了枳橙实生苗缺铁胁迫下叶片蛋白质、纤维素、可溶性糖和核糖结构发生了变化而且含量降低。尽管如此，利用FTIR技术对橡胶叶片物质成分构成及其对钾、镁胁迫的响应鲜有报道。本研究以橡胶树幼苗作为试验材料，采用FTIR技术来表征钾镁胁迫下橡胶叶片化学组分的变化特征，以期为橡胶钾、镁生理代谢的机制研究提供新的思路和方法。

1 实验部分

1.1 材料与设计

1.2 取样与测定

叶片样品采集和处理：橡胶幼苗培养60 d后，选取橡胶幼苗顶端完全展开叶片，一级水冲洗干净后将样品置于105 ℃烘箱中杀青30 min，之后在75℃烘箱中烘干至恒重，磨细并过100目筛，备用。

样品测定：采用溴化钾压片法。压片之前，将溴化钾(光谱纯)粉末放入烘箱烘干至恒重，然后分别称取叶片粉末样品和溴化钾(光谱纯)0.200和2.000 g(质量比1∶10)加到玛瑙研钵中，在红外灯照射干燥条件下按同一方向磨细呈淀粉状，取少许样品，在真空条件下，用压杆缓慢加压至约15 MPa，维持1 min左右，得到样品薄片；采用上述方法，将溴化钾制成薄片作为背景。将薄片放在Nicolet公司的Inpact-410型FTIR光谱仪上进行测定，测定波数范围4 000～400 cm-1，扫描累加次数32，分辨率4 cm-1，每个样品测定前均对背景进行扫描，去除背景的影响。

1.3 数据处理与分析

采用OMNIC8.2软件对叶片样品的FTIR谱图进行数据处理，Origin8.0软件作图。

2 结果与讨论

2.1 钾镁胁迫下橡胶叶片的FTIR全图谱分析

橡胶幼苗叶片的红外光谱图如图1所示。各化学键的吸收处于中红外区，即波数为4 000～400 cm-1。各处理下的叶片具有一些典型的共有吸收峰，但各处理间的特征峰数目以及相对吸光度存在不同程度差异。结合表1进一步分析发现，与正常处理(CK)相比，缺钾(-K)条件下，橡胶叶片1 554，1 519和1 075 cm-1处的吸收峰缺失，并且3 345和1 541 cm-1处的吸收峰分别向高频方向位移了9和6 cm-1后分别位于3 354和1 547 cm-1处；缺镁(-Mg)条件下，橡胶叶片1 075 cm-1处的吸收峰缺失，并且3 345，1 631，1 554和1 057 cm-1处的吸收峰分别向高频方向位移了8，4，6和11 cm-1；钾镁同时缺乏(-K-Mg)条件下，1 554，1 519和1 075 cm-1处吸收峰缺失，并且3 345和1 541 cm-1处的吸收峰向高频方向位移了8和5 cm-1。由此可见，钾、镁营养缺乏下，橡胶叶片物质组分结构发生了变化。

表1 不同处理下橡胶叶片的特征峰Table 1 Characteristic peak of FTIR in rubber leaf under different treatment

图1 不同处理下橡胶叶片的FTIR全谱图(4 000～400 cm-1)Fig.1 FTIR spectra of the leaves of rubber seedlings under different treatments (4 000～400 cm-1)

4 000～400 cm-1范围，钾镁同时缺乏条件下特征峰的相对吸光度明显低于其他处理，且特征峰吸收强度明显减弱；缺钾条件下的特征峰相对吸光度高于正常处理；在4 000～1 600 cm-1波数范围，缺镁条件下的特征峰相对吸光度高于正常处理，而波数处于1 600～400 cm-1时，缺镁则低于正常处理。由此表明，钾、镁营养缺乏时，橡胶叶片各物质组分的含量发生了改变。由于1 800～900 cm-1波数范围内特征峰的数量较为集中，且相对吸光度变化幅度最显著，为提高谱图的分辨率以减少叠加，对不同处理下1 800～900 cm-1波数范围内的FTIR谱图做进一步分析。

2.2 缺钾胁迫下橡胶叶片1 800～900 cm-1FTIR图谱分析

由图2可知，与正常处理(CK)相比，缺钾(-K)条件下橡胶叶片在1 800～900 cm-1范围内的吸收峰数量、吸光度以及吸光强度等方面均发生了明显的变化，其中，1 554和1 075 cm-1处的特征峰缺失，结合红外光谱特征峰归属表(表2)可知，1 554 cm-1附近表征总蛋白酰胺Ⅱ带吸收，为C—N键和N—H键的弯曲振动，1 075 cm-1附近表征碳水化合物C—O键的伸缩振动，由此可见，低钾胁迫破坏了蛋白质及碳水化合物的分子结构，这与郝艳淑在棉花上的研究结果相似[15]。此外，相比正常处理下的1 541.01 cm-1的吸收峰，缺钾胁迫造成该吸收峰向高频方向移动6.40 cm-1，1 541 cm-1为蛋白质酰胺Ⅱ带，说明缺钾胁迫影响了橡胶叶片中C—N键和N—H键的结合，造成蛋白质的结构发生改变。

表2 叶片官能团和相应的红外吸收频率Table 2 Functional groups of the leaf and the corresponding infrared absorption frequencies

由图2可明显看到，缺钾胁迫时各特征峰的相对吸光度均高于正常处理，说明缺钾胁迫影响叶片蛋白质及可溶性糖、纤维素、果胶、酯类等碳水化合物的积累，并造成光合产物向韧皮部的运输或转载受阻，导致这些大分子物质较多的积累在叶片中，进而影响植株的正常生长发育。该结果与相关研究相似，但与有些研究结果相反。研究认为，缺钾条件下棉花功能叶片蛋白质和碳水化合物纤的含量均降低。分析以上结果差异的可能原因，一方面与缺钾造成光合作用减弱，蛋白质和碳水化合物合成受阻有关[16]，另一方面也可能与品种的钾效率高低有关(钾高效品种降低、低效品种积累)[15]。以往研究通过化学分析方法也证实了本研究结果，即缺钾橡胶叶片中可溶性糖含量显著增加、叶绿体中的淀粉粒明显增多，导致碳水化合物在叶片中积累，阻碍了其向其他器官的运输[4]。

图2 缺钾条件下橡胶叶片的FTIR光谱特征(1 800～900 cm-1)Fig.2 FTIR spectra of the leaves of rubber seedlings under K deficiency (1 800～900 cm-1)

2.3 缺镁胁迫下橡胶叶片1 800～900 cm-1FTIR图谱分析

图3 缺镁条件下橡胶叶片的FTIR光谱特征 (1 800～900 cm-1)Fig.3 FTIR spectra of the leaves of rubber seedlings under Mg deficiency (1 800～900 cm-1)

2.4 钾镁同时缺乏橡胶叶片1 800～900 cm-1FTIR图谱分析

分析图4，与正常处理(CK)相比，钾镁同时缺乏(-K-Mg)条件下橡胶叶片FTIR图谱的吸收峰明显变少，并且吸收峰的吸光强度明显减弱，由此说明钾镁同时缺乏造成橡胶叶片中蛋白质、脂类、纤维素、可溶性糖等含量明显下降以及某些物质的结构发生改变。进一步分析发现，1 554，1 519和1 075 cm-1吸收峰缺失，这与缺钾胁迫较为相似，其中1 554 cm-1吸收峰附近为蛋白质酰胺Ⅱ带的C—N伸缩振动，1 519 cm-1为酚类物质的苯环骨架振动，1 075 cm-1为碳水化合物的C—O伸缩振动，说明钾镁同时缺乏破坏了蛋白质酰胺Ⅱ带、酚类物质以及碳水化合物的化学结构。另外，钾镁同时缺乏造成1 541.01 cm-1向1 546.19 cm-1位移了5.18 cm-1，1 541 cm-1附近的吸收峰为蛋白质酰胺Ⅱ带的N—H弯曲振动，进一步也说明钾镁同时缺乏造成蛋白质酰胺Ⅱ带的结构发生改变。

图4 钾镁同时缺乏条件下橡胶叶片的FTIR光谱特征 (1 800～900 cm-1)Fig.4 FTIR spectra of the leaves of rubber seedlings under both K and Mg deficiency (1 800～900 cm-1)

3 结 论

采用傅里叶红外光谱测定了不同钾、镁胁迫处理下的橡胶叶片化学物质组成。得到以下结论：(1)缺钾造成橡胶叶片中蛋白质酰胺Ⅱ带、酚类物质、碳水化合物的化学结构受到破坏，以及蛋白质、碳水化合物等物质在叶片中大量积累；(2)缺镁降低了细胞壁多糖以及含油脂化合物的含量，1 550～1 350 cm-1波段内的吸收峰可以较好地指示橡胶叶片镁营养状况；(3)钾镁同时亏缺造成橡胶叶片中果胶类多糖分子结构发生了变化，蛋白质、脂类、糖类物质等物质含量均明显下降。本研究表明，使用FTIR技术对养分缺乏下的橡胶叶片物质成分定性分析具有一定的可行性，同时可为橡胶钾、镁营养生理代谢的机制研究提供新的思路和方法。