鈉鉀替代條件下不同基因型棉花葉片的FTIR光譜研究

雷 晶，郝艷淑，吳秀文，姜存倉

華中農業大學資源與環境學院，農業部長江中下游耕地保育重點實驗室，湖北 武漢 430070

鈉鉀替代條件下不同基因型棉花葉片的FTIR光譜研究

雷 晶，郝艷淑，吳秀文，姜存倉*

華中農業大學資源與環境學院，農業部長江中下游耕地保育重點實驗室，湖北 武漢 430070

鉀缺乏是制約棉花生長的重要因子之一，而鈉鉀替代的研究一直是國內外關注的重點。以不同鉀效率基因型棉花(鉀高效HG103和鉀低效LG122)為材料，利用傅里葉紅外光譜(FTIR)對不同鉀鈉處理下棉花葉片的物質組成進行研究，分析不同鉀鈉條件下，葉片紅外光譜圖譜的差異，探討鈉鉀替代對其物質成分和結構的影響，以及基因型的差異。結果表明： (1)缺鉀條件下施鈉，2 960，2 855，2 926，1 103和1 078 cm-1這5個特征峰的相對吸光度均有所升高，其中HG103在2 960，2 855和2 926 cm-1處增加的量與LG122幾乎一致，而在1 103和1 078 cm-1附近，HG103增加的量高于LG122； 然而適鉀的條件下施鈉，這5個特征峰的相對吸光度都有所減少，且HG103減少的量都小于LG122，表明缺鉀時施鈉促進糖類、蛋白質和酯類的合成，其中對糖類的促進作用是HG103的大于LG122的，而對蛋白質和酯類的則沒有差異； 適鉀時施鈉則有抑制作用，對HG103的抑制作用小于LG122。(2)缺鉀時，1 734和1 437 cm-1附近的特征峰缺失，而補充鈉后這些缺失的峰也未出現，說明缺鉀破壞了葉片中蛋白質酰胺Ⅰ帶和纖維素的結構，而缺鉀補充鈉并不能緩解這種破壞，即對于鉀的這些功能，鈉不能完全代替鉀。

棉花； 基因型； 鈉鉀替代； 傅里葉紅外光譜(FTIR)

引 言

鉀作為植物必需的大量營養元素之一，對植物的生長發育有重要功能： 促進光合作用及其產物的運輸，促進蛋白質的合成，參與細胞滲透調節作用等[1]。目前，鉀資源的短缺已成為我國乃至世界農業生產領域必須面臨和解決的問題，為緩解該問題，劉國棟和劉更另提出了使用鉀的替代物[2]，鈉作為鉀最大優勢的替補陽離子，在某些方面則能替代鉀[3]。棉花是耐鹽作物，因此，用鈉代替鉀對緩解鉀資源短缺、促進棉花生長有重要意義。研究表明： 不同鈉鉀替代比例對椰苗葉片的可溶性糖和蔗糖含量的影響有差異[4]。

傅里葉紅外光譜(FTIR)是一種主要基于化合物中極性鍵和官能團振動的結構分析技術，它是物質分子定性分析與定量分析常用的一種方法，通過分析紅外光譜吸收峰的位置可以鑒定多種有機化合物及官能團的存在，且利用光譜吸收強度可以定量比較各種化學組分的相對含量[5-6]。該技術由于需要的樣品量少、無損、操作快速簡單以及靈敏度高等特點，越來越受到重視并已開始廣泛應用于農業領域。如應用FTIR研究玉米缺鋅[7]、花生缺鈣[8]和柑橘缺硼[9]植株體內化學組分的變化。目前，在對棉花的研究上，主要是利用該技術研究細胞壁纖維素含量[10]，然而在鈉鉀替代條件下，不同基因型棉花葉片的化學組分變化研究，尚未見到相關報道。因此，選取兩種不同鉀效率基因型棉花為材料，利用FTIR對鈉鉀替代條件下不同基因型棉花苗期葉片化學組成進行測定，以期為棉花鈉鉀替代的生理代謝的機制研究提供新的思路和方法。

1 實驗部分

1.1 材料和設計

試驗在華中農業大學盆栽場進行。供試棉花為鉀高效基因型HG103和鉀低效基因型LG122，由本實驗室在2001年—2005年間通過“兩步篩選法”從86個棉花種質資源中篩選獲得[11-12]，種子由中國農業科學院棉花所和華中農業大學作物遺傳育種研究室提供。

采用Joham[13]改良水培配方，含0.590 g·L-1Ca(NO3)2·4H2O，0.500 g·L-1MgSO4·7H2O，0.100 g·L-1NH4H2PO4和0.025 g·L-1EDTA-Fe(為了避免EDTA-Fe配制過程中EDTA二鈉引入鈉，改用EDTA代替，并用適量氨水調節pH，使其溶解)，及阿農營養液的微量元素。設K0Na0，K0Na1，K1Na0，K1Na1 4個處理，每個處理3次重復，其中K0： 0 mg·L-1KCl； K1： 20 mg·L-1KCl； Na0： 0 mg·L-1NaCl； Na1： 80 mg·L-1NaCl。選取均勻健康飽滿的種子，在50～60 ℃水中浸泡24 h，露白后在濕潤的紗布上催芽，后轉入3 L的塑料桶中營養液培養，塑料桶黑漆避光并定植1株，脫脂棉固定。開始用1/4濃度的阿夫多寧全營養液進行預培養，1周后換用1/2濃度的Joham營養液，繼而用全量營養液濃度，每隔4 h通一次氣，每次通氣20 min。培養過程中，注意病蟲害的防治。

1.2 方法

培養30天后收獲，取葉片在105 ℃下殺青30 min，70 ℃下烘干并研磨成粉末。將待測樣品與烘干后的光譜純溴化鉀以1/10的質量比用瑪瑙研缽研磨均勻后將混合物壓片，采用傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR-NEXUSTM)檢測葉片的光譜特性。光譜范圍為4 000～400 cm-1，分辨率為4 cm-1，掃描累積32次，樣品測定前均對背景進行掃描，掃描時扣除H2O和CO2的干擾。

1.3 數據分析

通過測定得到4個鈉鉀處理(每個處理3次重復)下2個基因型棉花葉片共24個樣品的FTIR。采用OPUS 6.5 軟件采集數據進行基線校正，Omnic8.0 軟件進行歸一化處理，Origin8.6軟件對FTIR 圖譜進行數據處理和作圖。

2 結果與討論

2.1 不同鈉鉀條件下不同基因型棉花葉片的FTIR全圖譜分析

FTIR圖譜可以反映植物的主要化學成分，根據所含化學成分的官能團特征找到相應紅外光譜吸收峰的歸屬[14]。棉花葉片中各化學鍵的吸收處于中紅外區，即波數為4 000～400 cm-1。從圖1可以看出，無論是否有鉀，施鈉處理的棉花葉片FTIR圖譜與缺鈉處理相比，無論是吸收峰的位置還是吸收峰對應的相對吸光度的大小都發生了變化，說明各組分構成和結構都發生了變化。

表1 葉片中的官能團及其相應的紅外吸收頻率

3 420 cm-1附近的吸收峰一般為糖類等碳水化合物中O—H和N—H的伸縮振動峰，其中包含分子鍵或分子內氫鍵的存在。對照適鉀處理的HG103和LG122葉片中該吸收峰位于3 410 cm-1，而缺鉀處理的該吸收峰向低頻方向位移了12 cm-1，說明缺鉀處理破壞了葉片中氫鍵的結合。且無論是否有鉀，施鈉處理與缺鈉處理相比，該吸收峰的位移都沒有明顯變化，表明鈉不能代替鉀的該功能。2 960 cm-1附近的吸收峰代表酯類中—CH3的伸縮振動，2 926和2 855 cm-1附近的吸收是酯類和蛋白質中—CH2的伸縮振動。無論是否有鉀且無論是否施鈉，這三個吸收峰的位置在HG103和LG122中都沒有發生明顯的變化，而相對吸光度則有明顯變化，都是缺鉀處理高于施鉀處理。由此可以得出，缺鉀對酯類和蛋白質的結構沒有影響，但是增加了它們的含量。缺鉀時施鈉，這三個峰的相對吸光度有所增加，HG103增加的幅度與LG122的幾乎一致，說明缺鉀時施鈉能夠增加葉片酯類和蛋白質的含量，HG103和LG122增加量之間無顯著差異； 然而適鉀時施鈉減少，則表明適鉀條件下施鈉，葉片酯類和蛋白質含量有所減少，HG103減少的幅度小于LG122。

在糖類和蛋白質結構指紋區(1 800～800 cm-1)，一些峰的位置和高度都發生了變化。為了提高圖譜的分辨率和減少疊加，對不同處理在1 800～800 cm-1的FTIR圖譜進行精細表征。

2.2 不同鈉鉀條件下不同基因型棉花葉片的1800-800 cm-1FTIR圖譜分析

1 103和1 078 cm-1附近的吸收峰屬于C—O的伸縮振動，主要來自糖類。HG103和LG122的各個處理的該峰都沒有發生缺失，但是相對吸光度都發生了改變，表現為： 都是缺鉀處理的高于適鉀處理的，且缺鉀時施鈉HG103和LG122在該峰的相對吸光度有所增加，HG103增加的幅度大于LG122； 適鉀時施鈉有所減少。由此可以看出，缺鉀時施鈉能夠增加葉片糖類含量，且HG103增加的量大于LG122的，而適鉀時施鈉使之減少，HG103減少的量小于LG122。

圖2 不同基因型棉花葉片的紅外光譜圖(1 800～800 cm-1)

1 438 cm-1附近的吸收峰是纖維素中—CH3的彎曲振動，缺鉀時該峰缺失，且缺鉀處理補充鈉后這個峰并沒有出現，表明缺鉀破壞了纖維素的結構，而缺鉀補充鈉并不能緩解這種破壞，即對于鉀的這一功能，鈉不能完全代替鉀。

表2 不同處理棉花葉片特征峰的相對吸光度

3 結 論

[1] LU Jing-ling(陸景陵). Plant Nutrition (Volume 1). 2nd ed(植物營養學(上冊)，第2版). Beijing: China Agricultural University Press(北京: 中國農業大學出版社), 2003, 50.

[2] LIU Guo-dong, LIU Geng-ling(劉國棟, 劉更另). Scientia Agricultura Sinica(中國農業科學), 1995, 28(1): 25.

[3] Subbarao G V, Ito O, Berry W L, et al. Critical Reviews in Plant Sciences, 2003, 22(5): 391.

[4] WANG Tie-jun, LIANG Qi-quan, YU Li-hua, et al(王鐵軍, 梁啟全, 於麗華, 等). Sugar Crops of China(中國糖料), 2012, (3): 33.

[5] WU Jin-guang(吳瑾光). Techniques and Applications of Modern Fourier Transform Infrared Spectroscopy(近代傅里葉變換紅外光譜技術及應用). Beijing: Science and Technology Literature Press(北京: 科學技術文獻出版社), 1994. 1.

[6] Yee N, Benning L G, Phoenix V R, et al. Environment Science and Technology, 2004, 38(3): 775.

[7] WANG Sheng-feng, LIU Yun-xia, GAO Li-li, et al(王盛鋒, 劉云霞, 高麗麗, 等). Plant Nutrition and Fertilizer Science(植物營養與肥料學報), 2014, 20(4): 1005.

[8] GAO Li-li, WANG Sheng-feng, HAN Ya, et al(高麗麗, 王盛鋒, 韓 亞, 等). Spectroscopy and Spectral Analysis(光譜學與光譜分析), 2014, 34(11): 2923.

[9] Liu G, Dong X, Liu L, et al. Scientia Horticulturae, 2014, 176: 54.

[10] Ma Z, Abidi N, Rajbhandari R, et al. Effects of Drought Stress on the Development of Cellulose in Cotton Fibers Studied by FTIR. Amer. Chemical Soc., 2014. 247.

[11] JIANG Cun-cang, YUAN Li-sheng, WANG Yun-hua, et al(姜存倉, 袁利升, 王運華, 等). Journal of Huazhong Agricultural University(華中農業大學學報), 2003, 22(6): 564.

[12] JIANG Cun-cang, GAO Xiang-zhao, WANG Yun-hua, et al(姜存倉, 高祥照, 王運華, 等). Plant Nutrition and Fertilizer Science(植物營養與肥料學報), 2005, 11(6): 781.

[13] Joham H E. Plant Physiology, 1955, 30(1): 4.

[14] McCann M C, Defernez M, Urbanowicz B R, et al. Plant Physiol., 2007, 143: 1314.

*Corresponding author

(Received Apr. 2, 2015; accepted Aug. 6, 2015)

FTIR Study of Leaf of Different Cotton Genotypes under Potassium Substitution with Sodium

LEI Jing，HAO Yan-shu，WU Xiu-wen，JIANG Cun-cang*

College of Resources and Environmental Sciences，Huazhong Agricultural University，Key Laboratory of Arable Land Conservation(Middle and Lower Reaches of Yangtse River)，Ministry of Agriculture，Wuhan 430070, China

Potassium (K) deficiency affects cotton growth. The substitution effects of sodium (Na) and potassium research have been the focus of attention at home and abroad. The aim of this paper was to study the substitution effects of Na and K on material composition in leaf of two kinds of K-efficiency cotton genotypes (HG103 and LG122) using Fourier to transform infrared (FTIR) spectroscopy. The results showed that: (1) the increment of the relative absorbance of HG103 at peaks 2 960, 2 855 and 2 926 cm-1were the same with LG122 with addition of Na in deficient K, while at peaks 1 078 and 1 103 cm-1, the increment of HG103 was higher than LG122, indicating that in deficient K, Na could promote the synthesis of carbohydrate, protein and esters, wherein the promoting effect on carbohydrate of HG103 was greater than LG122, while for protein and esters, there has no difference. However, the decrement of the relative absorbance at these five peaks of HG103 was higher than LG122 with addition of Na in adequate K, suggesting that in adequate K, the inhibitory effect of Na on carbohydrate, protein and esters of HG103 was less LG122. (2) the peaks at 1 734 and 1 437 cm-1disappeared due to K dificiency, when added Na, these peaks did not appear, implying that the structure of amideⅠband and cellulose was broken when lack of K when added Na has no changes.

Cotton; Genotype; Sodium and potassium replacement; FTIR

2015-04-02，

2015-08-06

國家自然科學基金項目(40801112), 公益性行業(農業)科研專項項目(201203013)資助

雷 晶，女, 1989年生, 華中農業大學資源與環境學院碩士研究生 e-mail: lj7202@126.com *通訊聯系人 e-mail: jcc2000@mail.hzau.edu.cn

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)06-1696-04