辣椒疫病的傅里葉變換紅外光譜研究

楊春艷 劉飛 吉恒 胡瓊

摘要：用傅里葉變換紅外光譜（FTIR）儀測試了成株期辣椒正常植株和疫病植株的葉、莖、主根和須根4個(gè)部位的光譜。光譜顯示，2種植株葉片中的主要成分是蛋白質(zhì)、多糖和脂類物質(zhì)，莖、主根和須根中主要成分是蛋白質(zhì)、纖維素和木質(zhì)素；與正常植株相比，疫病植株葉片中蛋白質(zhì)和多糖組成或結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，莖中3種成分均有升高，其中以蛋白質(zhì)含量的增加尤為顯著，主根和須根中均顯示纖維素相對(duì)含量減少，蛋白質(zhì)相對(duì)含量增加，且出現(xiàn)了新的蛋白質(zhì)組分。對(duì)正常和病變植株相同部位的光譜在4 000～2 800 cm-1、1 800～1 200 cm-1和1 200～700 cm-1 3個(gè)范圍進(jìn)行了相關(guān)性分析，4個(gè)部位在4 000～2 800 cm-1 范圍的相關(guān)度較高，均在0.984以上，葉、莖、主根和須根在1 800～1 200 cm-1 范圍相關(guān)系數(shù)分別只有0.621、0.409、0.910和0.790。結(jié)果表明，F(xiàn)TIR可以區(qū)分疫病對(duì)辣椒植株不同部位的影響，有望為辣椒疫病的研究提供光譜信息。

關(guān)鍵詞：傅里葉變換紅外光譜；辣椒；疫??；相關(guān)性分析

中圖分類號(hào)： O657.33文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2014）06-0113-03

收稿日期：2013-09-01

基金項(xiàng)目：云南省教育廳基金（編號(hào)：2013Y480）。

作者簡介：楊春艷（1979—），女，云南祥云人，講師，從事物理教學(xué)和光譜研究工作。Tel（0877）2053601；E-mail：ychyky@163.com。辣椒，又名番椒、海椒、辣子等，是茄科辣椒屬一年生或多年生作物，果實(shí)營養(yǎng)價(jià)值豐富，在蔬菜生產(chǎn)中占有重要地位。辣椒疫病是由辣椒疫霉菌引起的一種全生育期均可發(fā)病的土傳真菌病害[1-2]，可侵染辣椒的根、莖、葉和果實(shí)。美國最早于1918年開始報(bào)道該病，我國1940年在江蘇省首次報(bào)道此病發(fā)生，現(xiàn)在全國各地普遍發(fā)生[3]。一般發(fā)病率為5%～65%，平均達(dá)24.4%，發(fā)生嚴(yán)重的可減產(chǎn)4.0%～7.0%，甚至絕收[4]，是辣椒生產(chǎn)上的一種世界性分布的毀滅性病害。國內(nèi)外對(duì)辣椒疫病的發(fā)生、防治及疫霉菌的生物學(xué)特性和常規(guī)鑒定已進(jìn)行過研究報(bào)道[5]，但這些研究都沒有反應(yīng)病菌的化學(xué)組成信息或病菌對(duì)染病植株化學(xué)組成信息的影響。

傅里葉變換紅外光譜（FTIR）是一種能夠提供分子化學(xué)結(jié)構(gòu)信息的技術(shù)，利用FTIR技術(shù)可以對(duì)樣品進(jìn)行定性和定量無損分析，根據(jù)紅外吸收光譜的譜峰位置可以鑒定多種有機(jī)化合物及官能團(tuán)的存在，而利用光譜吸收強(qiáng)度可以定量地計(jì)算出各種化學(xué)組分在樣品中的相對(duì)含量[6]。目前，F(xiàn)TIR技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于農(nóng)作物病害的研究，如任先培等用FTIR研究病害煙葉[6]；劉飛等利用FTIR研究油菜根腫病[7]；歐全宏等用FTIR研究稻瘟病、玉米銹病和蠶豆銹病葉片[8]，但研究辣椒病害方面還未見報(bào)道。本研究用FTIR技術(shù)對(duì)成株期正常辣椒和疫病辣椒4個(gè)不同部位的紅外光譜進(jìn)行對(duì)比分析，探討了正常辣椒和疫病辣椒同一部位所含化學(xué)信息的差異，以期為辣椒疫病的研究提供參考。

1材料與方法

1.1儀器設(shè)備和測試條件

所用儀器為PE公司生產(chǎn)的Frontier型傅里葉變換紅外光譜儀，裝備DTGS檢測器，累加掃描次數(shù)為16次，掃描范圍為4 000～400 cm-1，分辨率為4 cm-1，光譜數(shù)據(jù)用OMNIC 80軟件處理。

1.2樣品制備及光譜預(yù)處理

測試的所有樣品均是辣椒成株期樣品，正常辣椒植株和疫病辣椒植株均采自紅塔區(qū)北城鎮(zhèn)，并經(jīng)農(nóng)職技術(shù)人員鑒定。樣品經(jīng)自然晾干，除去根部泥土，保存待測。取樣時(shí)葉片、莖、主根和須根均取相同或相近部位，將樣品放入瑪瑙研缽磨為細(xì)粉，再加入溴化鉀攪磨均勻，然后壓片測定光譜。所有光譜都已扣除背景光，并使用OMNIC 8.0 軟件進(jìn)行自動(dòng)基線校正、平滑和歸一化處理。

2結(jié)果與討論

2.1正常植株與疫病植株葉的紅外光譜圖的比較分析

為正常植株和疫病植株葉片的紅外光譜圖，其中a是正常植株的葉片光譜，b和c分別是疫病植株葉片無病斑處和病斑處的光譜，譜圖都以1 630 cm-1附近的吸收峰為參考進(jìn)行了歸一化處理。3 330 cm-1附近出現(xiàn)的寬峰屬羥基O—H和氨基N—H伸縮振動(dòng)，2 959 cm-1和2 927 cm-1附近峰分別歸屬亞甲基和甲基的C—H反對(duì)稱伸縮振動(dòng)。正常植株葉片光譜中，1 730 cm-1附近弱峰為酯羰基CO的伸縮振動(dòng)峰，說明辣椒葉片中含有脂肪類化合物。1 648 cm-1附近的強(qiáng)峰主要是酰胺Ⅰ帶吸收，歸屬CO的伸縮振動(dòng)[9]，為光譜第二強(qiáng)峰，由于沒有1 540 cm-1附近的吸收峰存在，所以可以判斷辣椒葉片中含有的酰胺大多為叔酰胺[10]。1 445 cm-1 附近為甲基的C—H剪式振動(dòng)，1 319 cm-1為芳香胺中C-N伸縮振動(dòng)，1 261 cm-1附近為酰胺Ⅲ帶C-N伸縮振動(dòng)、N-H變形振動(dòng)[10]，說明樣品中含有蛋白質(zhì)類物質(zhì)。位于1 140、1 121、1 071cm-1的寬峰，主要是多糖類物質(zhì)C—O和C—O—C的伸縮振動(dòng)[11]，881 cm-1附近是纖維素中C—H振動(dòng)吸收峰[10]，781 cm-1附近為C—O對(duì)稱彎曲振動(dòng)吸收[12]。葉片光譜的上述特征，表明葉片中的主要物質(zhì)成分為蛋白質(zhì)、多糖和脂類物質(zhì)。

在疫病葉片（病斑處和病斑附近）的光譜中，反映酯羰基CO伸縮振動(dòng)的吸收峰峰位與正常植株相同，但強(qiáng)度有所增強(qiáng)；在酰胺帶吸收區(qū)，反映蛋白質(zhì)酰胺Ⅰ帶CO 伸縮振動(dòng)吸收峰的相對(duì)強(qiáng)度明顯超過正常植株，成為最強(qiáng)峰，反映酰胺Ⅲ帶吸收的1 261 cm-1處峰的相對(duì)強(qiáng)度也明顯增加，新增了反映酰胺Ⅱ帶吸收的1 546 cm-1弱峰，說明疫病植株葉片中含有蛋白質(zhì)類物質(zhì)。在1 500～1 200 cm-1 區(qū)域，比正常植株葉片光譜增加了1 389 cm-1處吸收峰，同時(shí)1 445 cm-1附近峰由最強(qiáng)峰變?yōu)槿醴澹@可能與疫病植株葉片光譜中增加的蛋白質(zhì)類物質(zhì)有關(guān)。在1 200～1 000 cm-1 區(qū)域，只顯示了1 071 cm-1 處峰，且相對(duì)強(qiáng)度顯著強(qiáng)于正常植株在該處的光譜，說明多糖類物質(zhì)的組成或結(jié)構(gòu)有變化。在1 000～700 cm-1 區(qū)域，只出現(xiàn)了781 cm-1附近峰，其相對(duì)強(qiáng)度比正常植株葉片光譜在該處的稍強(qiáng)。光譜特征表明，疫病植株葉片中的主要成分仍為蛋白質(zhì)、多糖和脂類物質(zhì)。光譜差異表明，疫病植株葉片中3類營養(yǎng)物質(zhì)的含量比正常植株中的高，說明辣椒疫病影響了辣椒葉片中營養(yǎng)物質(zhì)的含量，同時(shí)還影響蛋白質(zhì)和多糖的組成和結(jié)構(gòu)。

2.2正常植株與疫病植株莖的紅外光譜圖的比較分析

為正常植株與疫病植株莖的紅外光譜圖，其中a是正常植株莖的光譜，b和c分別是疫病植株莖部無病斑處和病斑處的光譜，譜圖都以1 384 cm-1附近的吸收峰為參考進(jìn)行了歸一化處理。

，正常植株莖的光譜和疫病植株莖部無病斑處和病斑處的光譜整體非常相似。1 735 cm-1附近的吸收是纖維素中羰基CO的伸縮振動(dòng)峰，1 645～1 626 cm-1寬峰為酰胺Ⅰ帶和木質(zhì)素中羰基CO伸縮振動(dòng)吸收峰，1 250 cm-1 附近的吸收是木質(zhì)素酚醚鍵C—O—C骨架振動(dòng)峰[12]，且1 645～1 626 cm-1處吸收峰強(qiáng)度高于1 250 cm-1處強(qiáng)度，說明樣品中含有蛋白質(zhì)和木質(zhì)素。1 384 cm-1附近吸收是纖維素中甲基的C—H對(duì)角振動(dòng)，1 158 cm-1的吸收峰和1 106～1 060 cm-1附近的寬峰，主要是纖維素中多糖C—O和C—O—C的伸縮振動(dòng)[13]，說明樣品中含有纖維素。莖部光譜的上述特征，表明莖中的主要物質(zhì)成分是纖維素、蛋白質(zhì)和木質(zhì)素。

為紅外光譜圖a、b和c中3類物質(zhì)特征峰的相對(duì)強(qiáng)度（以1 384 cm-1附近的吸收峰為參考）。由表1可知，b、c中3類物質(zhì)特征譜峰的相對(duì)強(qiáng)度比a中相應(yīng)譜峰的相對(duì)強(qiáng)度強(qiáng)，表明疫病植株莖中蛋白質(zhì)、纖維素和木質(zhì)素等3類營養(yǎng)物質(zhì)比正常植株莖中的稍高，說明辣椒疫病影響了辣椒莖中營養(yǎng)物質(zhì)的含量。

正常植株和疫病植株莖中3類主要物質(zhì)吸收峰的相對(duì)強(qiáng)度

譜線相對(duì)強(qiáng)度1 732

cm-11 645

cm-11 250

cm-11 158

cm-11 106

cm-11 060

cm-1a0.1580.490.1670.4140.341b0.2720.5490.2530.3260.4530.485c0.2980.6750.2980.3970.5760.603

2.3正常植株與疫病植株主根的紅外光譜圖的比較分析

正常植株和疫病植株主根的紅外光譜圖，其中a是正常植株的主根光譜，b是疫病植株的主根光譜，譜圖都以1 630 cm-1附近的吸收峰為參考進(jìn)行了歸一化處理。

在正常植株的主根光譜中，1 740 cm-1附近是纖維素中羰基CO伸縮振動(dòng)，1 642～1 628 cm-1的吸收峰主要是蛋白質(zhì)酰胺Ⅰ帶CO伸縮振動(dòng)吸收，1 383 cm-1附近是纖維素中甲基C—H對(duì)稱變角振動(dòng)，1 252 cm-1附近弱峰為木質(zhì)素酚醚鍵C—O—C骨架振動(dòng)[12]。在1 149、1 106、1 058、1 031 cm-1 附近顯示的4個(gè)階梯增強(qiáng)的吸收峰，主要是纖維素中 C—O—C伸縮振動(dòng)。在919、829、781 cm-1附近顯示的多個(gè)弱吸收峰主要是纖維素、木質(zhì)素中糖環(huán)振動(dòng)產(chǎn)生的[14]。光譜特征表明，正常植株主根中的主要物質(zhì)成分為蛋白質(zhì)、纖維素和木質(zhì)素。且由于表征纖維素中羰基吸收的吸收峰低于表征木質(zhì)素吸收的吸收峰，說明纖維素的相對(duì)含量比木質(zhì)素的低。

在疫病植株主根光譜中，反映纖維素和木質(zhì)素C—O—C伸縮振動(dòng)的吸收峰峰位與正常植株相同，正常植株在 1 738 cm-1 附近顯示有弱吸收，而疫病植株在此位置未顯示吸收峰，各階梯增強(qiáng)峰的相對(duì)吸收強(qiáng)度明顯低于正常植株，1 252 cm-1 處峰的相對(duì)強(qiáng)度比正常植株稍弱，說明纖維素相對(duì)含量比正常植株有所下降。在酰胺帶的吸收區(qū)域顯示了吸收峰1 649 cm-1和1 543 cm-1，其中1 649 cm-1附近吸收峰的相對(duì)強(qiáng)度與正常植株相同，而表征酰胺Ⅱ帶吸收的 1 543 cm-1 處中等強(qiáng)度峰在正常主根光譜中未出現(xiàn)，說明疫病植株主根的蛋白質(zhì)組分與正常植株相比發(fā)生了變化。在 1 000～700 cm-1 區(qū)域只顯示了781 cm-1附近的吸收峰，且相對(duì)強(qiáng)度幾乎為正常植株主根中的50%，減少了正常植株主根光譜中體現(xiàn)纖維素中C—H振動(dòng)的吸收峰919 cm-1和體現(xiàn)木質(zhì)素中C—H平面彎曲振動(dòng)的829 cm-1[15]。光譜特征表明，疫病植株主根光譜中的主要成分仍為蛋白質(zhì)、纖維素和木質(zhì)素。2種主根光譜的差異表明，疫病植株中纖維素和木質(zhì)素的相對(duì)含量明顯比正常植株的低，疫病植株中出現(xiàn)了新的蛋白質(zhì)類物質(zhì)。

上述對(duì)主根光譜的分析，反映了辣椒主根受到疫病病菌侵蝕后，物質(zhì)成分的變化情況，病菌降解了主根內(nèi)的纖維素和木質(zhì)素，染菌主根中出現(xiàn)了新的蛋白質(zhì)類物質(zhì)。

2.4正常植株與疫病植株須根的紅外光譜圖的比較分析

為正常植株和疫病植株須根的紅外光譜圖，其中a是正常植株的須根光譜，b是疫病植株的須根光譜，譜圖都以1 034 cm-1附近的吸收峰為參考進(jìn)行了歸一化處理。

正常植株與疫病植株的須根光譜顯示，須根主要成分是蛋白質(zhì)、纖維素和木質(zhì)素。它們的光譜差異主要體現(xiàn)在：（1）在2 927、1 735、1 650～1 628、1 383、1 322、1 258 cm-1附近的吸收峰，疫病植株的相對(duì)吸收強(qiáng)度都比正常植株的弱，特別在1 383 cm-1附近，吸收峰相對(duì)強(qiáng)度由正常植株的1.0下降至0.374；在1 585～1 482 cm-1區(qū)域內(nèi)，疫病植株的吸收都比正常植株的強(qiáng)；疫病植株在1 428 cm-1附近顯示有吸收，但正常植株在此位置未顯示吸收。（2）在1 200～1 000 cm-1區(qū)域，正常植株的須根光譜顯示的譜峰有1 149、1 101、1 037、916、826、780 cm-1，而疫病植株須根光譜顯示的譜峰為 1 156、1 034、781 cm-1，其中1 034 cm-1為光譜最強(qiáng)峰。上述光譜差異表明，正常植株須根中纖維素和木質(zhì)素的相對(duì)含量比疫病植株須根中的高，同時(shí)疫病植株須根光譜中出現(xiàn)了新蛋白質(zhì)組分。

另外，在光譜的低波段出現(xiàn)了多個(gè)吸收峰，正常植株須根的光譜有669、617、528、470 cm-1，疫病植株須根的光譜有662、528、470 cm-1，這些都是無機(jī)化合物的吸收峰。這些吸收峰結(jié)合光譜中出現(xiàn)的1 034、917、781 cm-1等吸收峰，構(gòu)成了高嶺土的特征吸收[7，15]，說明樣品中含有高嶺土，這可能是須根表面附帶的少量泥土引起的。

2.5正常植株與疫病植株4個(gè)部位紅外光譜的相關(guān)分析

以上對(duì)辣椒正常植株和疫病植株4個(gè)不同部位紅外光譜的對(duì)比分析，反應(yīng)了疫病對(duì)成株期辣椒不同部位的影響，為了更直觀地反映這種影響，利用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS 18.0對(duì)相同部位的辣椒光譜進(jìn)行相關(guān)分析。對(duì)同一部位光譜的4 000～2 800 cm-1、1 800～1 200 cm-1、1 200～700 cm-1 3個(gè)范圍進(jìn)行相關(guān)性分析，2種植株同一部位光譜的相關(guān)系數(shù)見表2。

由表2 可知，2種植株4個(gè)部位的光譜在4 000～2 800 cm-1 范圍內(nèi)高度相關(guān)，相關(guān)系數(shù)都在0.984以上；在 1 200～700 cm-1 范圍的相關(guān)性比4 000～2 800 cm-1有所下降，特別是葉片光譜相關(guān)系數(shù)降至0.839；在1 800～1 200 cm-1 范圍內(nèi)相關(guān)性較差，葉片、莖、主根和須根的相關(guān)系數(shù)依次為0.621、0.409、0.910、0.790，說明2種植株光譜的相關(guān)性不高，樣品的相似程度差，表明疫病對(duì)辣椒葉片、莖、主根和須根均有影響，尤其對(duì)葉片和莖的影響較大。

正常植株和疫病植株相同部分間的相關(guān)系數(shù)

3結(jié)論

對(duì)成株期正常辣椒和疫病辣椒植株葉片、莖、主根和須根的光譜測試和分析，測試結(jié)果反映了疫病對(duì)辣椒不同部位的影響。病害植株因受病菌的侵染，改變了葉片、莖和根的物質(zhì)成分和相對(duì)含量，不能較好地將營養(yǎng)物質(zhì)輸送到植株的其他部位，影響了辣椒植株的正常生長和辣椒的產(chǎn)量。研究結(jié)果表明，傅里葉變換紅外光譜可以判斷正常辣椒和疫病辣椒植株同一部位所含的化學(xué)信息差異，從分子水平上揭示疫病對(duì)辣椒植株不同部位的影響，有望為辣椒疫病的研究提供參考，具有方便、易行的優(yōu)點(diǎn)。

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