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江西产兰属花卉挥发性化合物代谢组学研究

周雅莲  
【摘要】:兰科(Orchidaceae)种类繁多,分布广泛,具有极高的观赏、药用和经济价值。挥发性有机化合物(Volatile organic compounds,VOCs)是植物与周围环境互动的“特殊语言”,帮助植物吸引传粉者,抵御各种逆境胁迫。兰科以欺骗性传粉著称,通过释放VOCs模拟其它含蜜花的气味或雌性昆虫性激素等吸引传粉者,VOCs很大程度上促进了兰科的有效传粉和生殖发育。江西省兰科种质资源极其丰富,拥有该科60属153种植物,但有关江西兰花VOCs研究报道却相对较少。本文首先以建兰为实验材料,通过研究吸附方式、萃取温度和样品状态等对检测效果的影响,建立并优化了适用于分析兰科植物VOCs的样品预处理及气相色谱-质谱联用技术(Gas Chromatography-Mass Spectrometry,GC-MS);应用建立的方法,对产自江西的墨兰(C.sinense)、建兰(C.ensifolium)、春兰(C.goerinngii)、蕙兰(C.faberi)、寒兰(C.kanran)、多花兰(C.floribundum)和兔耳兰(C lancifolium)等7种兰属植物花的VOCs化学组成进行了系统分析,并结合化学计量学对数据进行了分析;最后,研究了建兰花VOCs释放的日变化规律及相关基因表达规律。本研究结果为兰花VOCs生物合成途径、调控机制以及兰花传粉生物学的研究提供了数据基础。主要结果如下:(1)优化建立了适用于兰花样品VOCs采集分析的方法。以建兰花为实验材料,对比分析了固相微萃取(Solid-Phase Microextraction,SPME)和动态顶空(Dynamic Headspace Sample,DHS)两种样品吸附方式,分别在 30℃、45℃和60℃萃取温度下,对鲜样和粉末2种样品VOCs检出效果的影响。研究结果显示,SPME在60℃下收集到8个类别的32种建兰粉末VOCs,7个类别的32种建兰鲜样VOCs,而DHS在室温下收集到6个类别的24种化合物。SPME简便、快速、分析准确、有机溶剂消耗低,主要是收集酯类、醛类和萜烯类物质,共检出72种化合物;DHS可直接检测新鲜样品,更能反映植物真实状态,主要是收集酯类、烷烃和醛类物质,共检出24种化合物。结果表明,采用SPME方法在60℃下更能有效地收集建兰花的挥发性成分。从萃取温度分析,挥发性成分的种类和组成随萃取温度的升高而逐渐丰富。从30℃到60℃,建兰鲜样VOCs由6种增加到32种,化学组成由3类增加到7类,建兰粉末VOCs由8种增加到32种,化学组成由5类增加到8类。结果表明,60℃高温萃取出的建兰VOCs种类最多,组成最丰富。从样品状态分析,30℃低温萃取时,粉末样品检测出5个类别8种化合物,离体鲜样检测出3个类别6种化合物。45℃萃取时,粉末样品检测出8个类别25种化合物,离体鲜样检测出5个类别17种化合物。在低温度萃取下,粉末样品检测出的VOCs组成明显比离体鲜样丰富。而60℃高温萃取下,离体鲜样与粉末样品挥发性成分组成一致,都以醛类物质为主,其次为萜烯类物质和其它类物质。但考虑到鲜样比粉末样品更能反映植物的真实状态,最终选定鲜样进行下一步实验。(2)采用建立的方法,分别以建兰、春兰、多花兰、墨兰、寒兰,兔耳兰和蕙兰等7种江西产兰属植物为实验材料,通过GC-MS对花VOCs进行了鉴定,并采用主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)和聚类分析(Cluster Analysis,CA)对鉴定的化合物进行了聚类。结果表明,采用GC-MS从建兰、春兰、多花兰、墨兰、寒兰、兔耳兰和蕙兰中检测到的VOCs数量依次为32、26、24、23、22、19和19种。多花兰、蕙兰和建兰VOCs以醛类化合物为主,相对含量最高的分别为苯乙醛、2-乙基丁醛和2-正戊基呋喃;春兰和兔耳兰VOCs以醇类化合物为主,相对含量最高的为苯甲醇和橙花叔醇;寒兰VOCs中的萜烯类物质以(E)-α-香柑油烯相对含量最高;墨兰VOCs则以酮类物质为主,β-紫罗兰酮占总成分的76.07%。PCA分析中,PCl、PC2和PC3累积贡献率达73.5%,7种兰花可有效区分;CA分析中,当临界值为10时,墨兰和春兰归为一类,共同拥有(E)-2-庚烯醛、甲基庚烯酮、和辛醛等10种挥发性物质,蕙兰和兔耳兰归为一类,共同拥有对甲酚、壬醛和2-正戊基呋喃等5种VOCs。寒兰和多花兰在临界值为4时聚在一起,共同拥有蘑菇醇、β-甜没药烯和壬醛等7种化合物,并在临界值为8时与建兰聚成一大组。综上所述,7种兰属植物花挥发性成分丰富,具有苯乙醛、2-乙基丁醛和2-正戊基呋喃等不同主成分。2-正戊基呋喃和壬醛等多种VOCs在7种兰属植物花种均有检测到,是江西产兰属花卉VOCs重要组成部分。(3)明确了建兰VOCs释放日变化规律,并探索了相关基因表达模式。分别采用 SPME-GC-MS 和 DHS-GC-MS 对 4:00、8:00、12:00、16:00、20:00 和24:00时采集的建兰花鲜样和粉末样品进行吸附和分析。研究结果表明,建兰花VOCs的释放有明显的日变化规律,从凌晨4:00到晚上24:00,VOCs的种类随着时间的变化呈现先增高后降低的趋势,在12:00时VOCs种类数量及组成类别最为丰富。建兰花VOCs主要组成化合物为茉莉酸甲酯及其同分异构体[1-α,2-α(Z)]-3-氧代-2-(2-戊烯基)-环戊烷乙酸甲酯,也呈现先增后减的趋势,并于12:00时达到最高相对含量。为明确其相关合成基因表达规律,采用qRT-PCR检测了其关键合成基因CeLOX、CeAOS、CeAOC、CeJMT的表达水平。研究结果表明,所有基因的相对表达水平在12:00时达最高,而在20:00时为最低。这些关键合成基因在表达模式上表现出与挥发物相似的变化规律,进一步调控挥发物的合成。研究首次对江西兰属植物花的挥发性成分进行了系统探究,丰富了江西省兰花香气研究的数据资源,为今后兰科VOCs生物合成途径、调控机制以及兰花传粉生物学等多方面研究奠定了基础,有助于兰科植物保育和保护工作的顺利进行。


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