华北落叶松不同部位的挥发物成分分析

李亚勇，张 平，李茂林，杨美红，赵 祥

（1.山西农业大学基础部化学生态研究所，山西太谷 030801；2.山西省关帝山国有林管理局 双家寨林场，山西 交城 030500；3.山西省管涔山国有林管理局有害生物防治检疫站，山西 宁武 036700；4.山西农业大学 草业学院，山西 太谷 030801）

华北落叶松（Larix principis-rupprechtii）是松 科落叶松属乔木，为华北地区高山针叶林带中的主要森林树种，也是我国独有的树种，主要分布在山西、河南和河北等地，而山西省是华北落叶松生长的最适区，具有生长快、适应性强、移植成活率高等优良的特性，是很多地区主要的速生造林树种之一，也是重要用材林。目前，在山西省山地造林华北落叶松约占20%。不仅如此，由于华北落叶松季相变化复杂，树姿优美，华北落叶松正由高山走向平原，成为一种绿化树种，走进人们的视野中[1-3]。

目前，华北落叶松以人工纯林为主，这为各类病虫害的暴发提供了条件，伴随着各种气候等因素，容易形成暴发性灾害，造成重大经济损失。严重影响华北落叶松生长的主要害虫有落叶松叶蜂、落叶松尺蠖、落叶松毛虫、落叶松鞘蛾、落叶松球蚜、落叶松八齿小蠹、落叶松松线小卷蛾、西北槌缘叶蜂等，多年来华北落叶松害虫的防治方法一直以营造混交林、加强天敌保护及化学防治为主，其中化学防治最有效，在害虫大面积暴发的应急防控方面有着无可替代的优势[4-7]。但其过度使用会造成环境污染、虫害抗性增加、生物多样性降低等一系列负面影响，因此，对华北落叶松绿色安全的生物防治方法的研究迫在眉睫[8]。

植物挥发性物质是已被国际公认的虫害绿色防控技术之一，在虫害治理中发挥着重要作用[9]。其应用大体分为两类：一是早期利用天然植物作为诱集或驱避植物，如我国棉铃虫的测报及防治就大量利用了杨树枝把的诱蛾技术；二是人工合成植物源引诱剂或趋避剂对虫害进行预报和防治，也是目前研究的热点。随着研究的不断深入，针对多种害虫的植物源引诱剂，已经在世界各地广泛应用[10]，如植物源引诱剂已成为实蝇、夜蛾、甲虫、蓟马等多类重大害虫综合防治体系中的重要组成部分。由松树释放的挥发物人工合成的多种植物源引诱剂对降低松褐天牛虫口密度，遏制松材线虫病的扩散和蔓延，都起到积极的作用[11]。此外，大量野外诱捕试验表明，油松挥发物中的3种挥发物3-蒈烯、β-蒎烯和α-蒎烯对红脂大小蠹具有强烈的引诱作用[12-13]；红松挥发物质中的S型α-蒎烯、R型-蒎烯和罗勒烯对松梢象有显著的引诱作用，而反-柠檬烯对松梢象则有明显的趋避作用[14]。

同时植物挥发物在植物与昆虫协同进化进程中扮演者重要的角色，是昆虫与寄主进行联系的基础，不仅对植食性昆虫产卵、取食、寄主定向选择等发挥着重要的作用[15-18]，还可作为昆虫防御天敌的物质[19]。因此，分析和鉴定植物挥发物中的活性组分及其定量组成是了解植物与昆虫之间复杂关系的重要前提。本研究采用顶空固相微萃取（HSSPME）-气相色谱-质谱（GC-MS）联用法分析比较了华北落叶松茎、叶、花3个部位挥发物组分的种类及含量差异，为华北落叶松虫害植物源引诱剂的开发和研究提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

2021年5月初采集山西省管涔山国有林管理局闫家村林场（38°38′28.608″N，111°50′11.040″E）试验基地的华北落叶松纯林，为15 a以上的幼龄华北落叶松。

1.2 试验方法

1.2.1 挥发物的收集 从华北落叶松树上摘下新鲜的茎、叶、花，分别剪碎后，各称取2 g并置于20 mL的顶空进样瓶中，密封进样瓶瓶口，放在冰盒中带回实验室，待进样瓶恢复至室温后，置于全自动固相微萃取装置进行HS-SPME萃取（50μm/30μm DVB/CAR/PDM萃取纤维头，美国Supelo公司），萃取条件：30℃恒温加热20 min，萃取吸附40 min，进样口250℃解吸附5 min。华北落叶松的各部位均在相同条件下重复测定3次。

1.2.2 挥发物的分析 运用美国Thermo公司生产的GC-MS联用仪（TRACE ISQ 1310型）完成自动进样，对华北落叶松不同部位的挥发物进行定性和定量分析。GC的工作条件：色谱柱为TG-5MS非极性毛细管柱（30 m×0.25 mm×0.25μm，5%Phenyl Methylpolysiloxane）；采用程序升温法，初始温度为40℃保持3 min，再以6℃/min升到160℃，保持1 min，最后以20℃/min升温至250℃，保持时间5 min。检测器温度及进样口温度均为250℃，载气为高纯度氮气，不分流进样。MS的工作条件：电子能量为70 eV的EI离子源；传输线温度、四级杆温度及离子源温度分别为280、150、280℃；采用全扫描方式，扫描质量范围为45～550 amu。

1.2.3 挥发物的鉴定 使用AMDIS解卷积鉴定系统及NIST 2.0谱库进行全扫描式扫描，用计算机检索获得各挥发物组分的质谱数据，对于谱库检索结果显示物质单一的，其结果直接予以确认；对于一些检索结果出现2种及2种以上物质的，结合人工谱图解析，再加以确定，最后人工扣除含硅的一些色谱柱杂质成分，得到最终挥发物组分。采用面积归一化法定量分析各挥发物组分的相对含量。

1.3 数据分析

数据统计及处理均用Excel 2019，用SPSS 25.0进行单因素ANOVA检验，并用Duncan氏多重比较分析3个部位挥发物之间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 华北落叶松茎、叶、花挥发物主要类别分析

华北落叶松不同部位挥发性物质的种类和相对含量如表1、2所示。

表1 华北落叶松不同部位挥发性物质的种类和相对含量Tab.1 Types and r elative contents of volatiles in differ ent par ts of Larix principis-rupprechtii

续表1 华北落叶松不同部位挥发性物质的种类和相对含量Tab.1（Continued） Types and relative contents of volatiles in different parts of Larix principis-rupprechtii

通过GC-MS分析，确定华北落叶松茎、叶、花释放的挥发性物质组分并计算出其相对含量（表1）。对华北落叶松茎、叶、花不同部位鉴定出的挥发物性化合物进行分类，主要包括萜烯类、醇类、酮类、醚类等（表2）。其中，萜烯类的化合物种类最多，相对含量也最高。

表2 华北落叶松茎、叶、花3个部位挥发性成分的种类及相对含量Tab.2 Types and relative contents of volatiles in the stems，leaves and flowers of Larix principis-rupprechtii

华北落叶松茎中共鉴定出10类58种挥发性化合物，占挥发物总量的88.79%，其中，萜烯类25种（75.59%）、醇类10种（8.17%）、酮类8种（1.89%）、醚类4种（1.21%）、酯类4种（0.2%）、醛类1种（0.02%）、芳香烃类2种（0.66%）、烷烃类1种（0.02%）、烯 烃 类2种（0.84%）、炔 烃 类1种（0.19%）；叶中共鉴定出10类48种挥发性化合物，占挥发物总量的89.35%，其中，萜烯类22种（82.02%）、醇类9种（3.01%）、酮类5种（0.56%）、醚类3种（0.71%）、酯类3种（0.08%）、醛类1种（0.01%）、芳香烃类2种（0.88%）、烷烃类1种（0.03%）、烯烃类1种（2.03%）、酸类1种（0.02%）；花中共鉴定出9类50种挥发性化合物，占挥发物总量的94.77%，其中，萜烯类24种（84.27%）、醇类7种（7.59%）、酮类3种（0.39%）、醚类3种（0.54%）、酯类7种（0.56）、醛类1种（0.04%）、芳香烃类3种（0.73%）、烯烃类1种（0.62%）、酸类1种（0.03%）。

2.2 华北落叶松茎、叶、花挥发物含量分析

通过GC-MS分析，得到华北落叶松茎、叶、花挥发物的总离子流图（图1—3），茎中主要的挥发物有(E)-B-罗勒烯（20.92%）、β-蒎烯（15.79%）、桧烯（12.78%）、α-蒎烯（6.41%）等；叶中主要的挥发物有（+）-α-蒎烯（28.06%）、桧烯（11.41%）、β-蒎烯（8.78%）、大根香叶烯D（7.28%）等；花中主要的挥发物有(+)-α-蒎烯（13.52%）、α-蒎烯（11.44%）、β-蒎烯（10.52%）、（-）-β-蒎烯（10.49%）、罗勒烯（10.22%）、γ-松油烯（6.76%）等。

2.3 华北落叶松各部位挥发物成分比较

华北落叶松茎、叶、花3个部位一共鉴定出78种挥发性化合物，其中茎中所特有的挥发物有15种，叶和花中所特有的挥发物均有6种，茎、叶、花3个部位共有的挥发物有28种。共有的挥发物中β-蒎烯在茎、叶、花中的含量分别为15.79%、8.78%、10.52%，与左旋樟脑和马鞭草烯醇一样，在茎的含量均最高，极显著高于叶和花中的含量（P＜0.01），而月桂烯和α-律草烯中，茎的含量显著低于叶和花中的含量（P＜0.05），4种挥发物在叶和花之间的含量差异均不显著；（-）-4-萜品醇、（-）-A-荜澄茄油烯、β-石竹烯、苯乙烯和γ-松油烯等5种挥发物在3个部位间含量差异显著（P＜0.05）；三环萜、（E）-β-金合欢烯、油酸甲酯和硬脂酸甲酯在3个部位间含量差异不显著；麝香草酚甲醚在茎中的含量显著大于花中的含量，而莰烯在茎中的含量显著大于叶中的含量（P＜0.05）；1,2,4a,5,6,8a-六氢-4,7-二甲基-1-（1-甲基乙基）萘、Δ-杜松烯、胡椒酮、乙醇、[1S,2R,6R,7R,8S,（+）]-1,3-二甲基-8-（1-甲基乙基）三环[4.4.0.0（2,7）]癸-3-烯、β-波旁烯、毕澄茄烯、（3E,5E）-2,6-二甲基-1,3,5,7-辛四烯、Γ-杜松烯和大根香叶烯D等10种共有挥发物在茎和花之间的含量差异均不显著，茎和叶及叶和花间存在显著差异（P＜0.05）；罗勒烯和苯甲酸乙酯在花中的含量极显著高于茎和叶中的含量（P＜0.01），茎和叶之间的含量差异不显著。

3 结论与讨论

本研究中采用顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用方法对华北落叶松茎、叶、花3个部位的挥发物进行收集、鉴定和分析。结果表明，不同部位的挥发物种类及相对含量差异明显，茎中挥发物的种类最多，其次为花，叶中挥发物种类最少。其中，茎中最主要的挥发物为（E）-B-罗勒烯（20.92%）、β-蒎烯（15.79%）、桧烯（12.78%），叶中最主要的挥发物为（+）-α-蒎烯（28.06%）、桧烯（11.41%），花中最主要的挥发物为（+）-α-蒎烯（13.52%）、α-蒎烯（11.44%）、β-蒎 烯（10.52%）、（-）-β-蒎 烯（10.49%）、罗勒烯（10.22%）。不同学者对松科的多种植物进行了研究，发现植物挥发物的种类及相对含量存在组织差异性，如徐伟等[20]研究表明，兴安落叶松苗中树皮的挥发物种类最多，针叶次之，整株的挥发物种类最少；李新岗等[21]研究表明，油松针叶中β-蒎烯和α-蒎烯相对含量比球果中的高2倍左右；吴楚材等[22]研究表明，马尾松花中含量最高的挥发物是β-水芹烯，而叶和木材中含量最高的挥发物均为α-蒎烯；SJÖDIN等[23]研究表明，挪威云杉树皮挥发物中萜烯类的含量是木材的10倍多。植物挥发物组织间的差异能被昆虫感知和识别，从而作为寄主定向行为选择的依据，精确地找到寄主植物[20]，昆虫利用植物气味定向寻找寄主的典型例子是马铃薯甲虫，即只要有马铃薯叶片气味的存在，马铃薯甲虫就会产生寄主定向行为[24]。

本研究中，华北落叶松茎、叶、花3个部位的挥发物种类及含量虽有差异，但其主要挥发物均是萜烯类物质，共有的主要挥发性化合物为莰烯、β-蒎烯、月桂烯、γ-松油烯、β-石竹烯等萜烯类物质。对多种针叶树如樟子松、油松、云南松、马尾松、白皮松、华山松、红松、落叶松、思茅松、雪松、湿地松等的研究[25-28]表明，针叶树挥发物之间存在数量和种类上的差异，但主要成分为萜烯类物质，与本研究的结果相符，这与萜烯类物质是针叶树主要的挥发性物质组分这一观点一致[29-30]。

不同研究人员对于落叶松挥发物的收集和鉴定已经进行了相关报道，组成均以萜烯类为主，但挥发物具体类别差异较大。本研究采用固相微萃取收集华北落叶松茎、叶、花3个部位挥发物，鉴定结果主要有（E）-B-罗勒烯、桧烯、（+）-α-蒎烯、α-蒎烯、β-蒎烯、（-）-β-蒎烯、罗勒烯等；郭阿君等[31]采用预浓缩法收集落叶松枝叶挥发物，发现萜烯类物质的种类随季节变化比较明显，主要挥发物有植紫三烯、（1S,3S）-（+）-间-薄荷-4，8-二烯、1，3-戊二烯、1R-α-蒎烯和（-）-β蒎烯等；徐伟等[20]采用预浓缩和固相微萃取2种方法对兴安落叶松苗挥发物收集的研究表明，α-蒎烯、β-蒎烯、D-柠檬烯、4（10）-侧柏烯、莰烯和β-水芹烯等萜烯类化合物所占比例较高，与本研究的结果差异较大，这可能是收集方法、提取方式、萃取条件、采集时期、植株生长发育情况及落叶松品种等差异引起的。

植物挥发物在害虫防治应用中历史悠久，意义重大，影响深远。最初以天然植物引诱剂为主，近几十年来，世界各地多采用套种诱杀技术，减少害虫对作物的危害，例如，我国利用植物气味引诱害虫产卵的特点，在田间将玉米和棉花实施间作，引诱棉铃虫在玉米植株上产卵，随后集中利用农药进行防治，显著十分效果。此外，植物挥发性物质在害虫防治中的应用除了利用天然植物资源之外，大多数是将人工合成的植物引诱剂和杀虫剂混合起来诱杀目标害虫，甚至有些形成了一套利用植物性引诱剂监测害虫发生的标准，为害虫绿色防控提供理论基础[32]。

本研究中，莰烯、β-蒎烯、月桂烯、γ-松油烯、β-石竹烯在3个部位的含量都较高（均大于1%），因此推测这5种挥发性物质是以华北落叶松为寄主植物的害虫识别华北落叶松的活性物质，但不足之处是未能对地上部分树皮的挥发物进行分析和鉴定。为了全面的了解华北落叶松挥发物的成分以便更准确地筛选出对以华北落叶松为寄主植物的害虫具有引诱的活性组分，今后可以尝试对所有部位、不同季节、不同生理状态下及采用不同的收集方法对华北落叶松的挥发物进行采集和分析，并结合筛选出的寄主植物挥发物对华北落叶松害虫进行进一步的触角电位及行为反应试验。