高寒草甸植物中正構(gòu)脂肪酸組成特征研究

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(1. 三江源生態(tài)和高原農(nóng)牧業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 青海 西寧 810016； 2. 青海大學(xué)生態(tài)環(huán)境工程學(xué)院， 青海 西寧 810016)

脂肪酸由C、H、O 三種元素構(gòu)成，是生物生命活動(dòng)過程中重要活性物質(zhì)，在自然界中廣泛分布[1]。脂肪酸對(duì)調(diào)節(jié)生物中各種生理和生化功能起著重要作用，與植物抵抗逆境脅迫能力密切相關(guān)[2]。植物中含多種脂肪酸，其含量因種類、生育期及生長(zhǎng)季節(jié)不同而有所差異[3]；如鴨茅(Dactylisglomerata)初花期油酸含量最低，貓尾草(Phleumpratense)初花期亞油酸含量最高[4]，克氏針茅草原常見植物中硬脂酸和C6～C14脂肪酸的含量較低，在春季和秋季較高而在夏季開花期最低[5]。植物中脂肪酸的含量不僅由遺傳決定，還與物候期溫度、水分和光照等環(huán)境因素有關(guān)[6]，故脂肪酸常用來反映植物生長(zhǎng)氣候環(huán)境的生物標(biāo)記物[7]。研究發(fā)現(xiàn)，植物葉片中正構(gòu)脂肪酸的分布范圍在C16～C28之間，且均為偶碳數(shù)優(yōu)勢(shì)，以C16、C18、C26或者C22、C28為主[8]。由于脂肪酸具有高度的物種專一性和穩(wěn)定性，因此脂肪酸是重要的生物標(biāo)記物，已被廣泛用來示蹤土壤及沉積物中有機(jī)質(zhì)來源[9-11]。目前，有關(guān)高寒草甸植物中正構(gòu)脂肪酸的含量研究鮮有報(bào)道，高寒草甸植物的研究主要集中在群落特征、生理生態(tài)等領(lǐng)域[12]，高寒草甸植物在青藏高原具有很強(qiáng)的典型性，是畜牧業(yè)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)[13]。通過對(duì)植物中正構(gòu)脂肪酸的特征分析來增加對(duì)不同高寒草甸植物脂肪酸組成的了解，為揭示植物與土壤的正構(gòu)脂肪酸內(nèi)在聯(lián)系提供數(shù)據(jù)支持，為加強(qiáng)牧草質(zhì)量評(píng)價(jià)、高寒草甸草地保護(hù)與利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青海省果洛州達(dá)日縣和瑪沁縣，緯度33o34′～34o28′ N，經(jīng)度99o53′～100o29′ E，海拔高度3 700～4 100 m，年均溫度為-0.5℃，年均降水量400～760 mm，年均蒸發(fā)量1 205.9 mm，光輻射強(qiáng)，年日照時(shí)數(shù)2260 h，晝夜溫差大，屬典型的高原大陸性氣候。植被類型以小嵩草(Kobresiapygmaea)、矮嵩草(Kobresiahumilis)為優(yōu)勢(shì)種，主要的伴生種有垂穗披堿草(Elymusnutans)、冷地早熟禾(Poacrymophila)等禾本科牧草，雜類草有鵝絨委陵菜(Potentillaanserina)、矮火絨草(Leontopodiumnanum)、甘肅馬先蒿(Pediculariskansuensis)、甘肅棘豆(Oxytropiskansuensis)、細(xì)葉亞菊(Ajaniatenuifolia)、西伯利亞蓼(Polygonumsibiricum)等。

1.2 樣品采集與制備

植物樣品(表1)采集于8月份高寒草甸植物地上生物量高峰期，每個(gè)樣地設(shè)置3個(gè)采樣點(diǎn)，同一采樣點(diǎn)每種植物采集5～8株，放到一起，裝入紙袋，運(yùn)回室內(nèi)。采集的植物樣品經(jīng)風(fēng)干、粉碎、過0.15 mm篩后，裝入自封袋密封保存，供分析使用。

表1 采集的植物樣品名錄Table 1 List of collected plant samples

1.3 提取方法

準(zhǔn)確稱取植物樣品0.2 g，置于棕色帶蓋子的小瓶中，加入5 mL飽和KOH-CH3OH溶液，搖勻后于75℃水浴中皂化10 min，倒出提取液，重復(fù)皂化1次，將2次提取液合并，待提取液冷卻后，加入5 mL 5 mol·L-1HCl-CH3OH溶液，在75℃的水浴中甲酯化10 min，待溶液冷卻后，分2次加入5 mL的正己烷進(jìn)行萃取，將萃取后的正己烷溶液置于帶刻度的小試管中，氮吹濃縮至1 mL，經(jīng)過0.45 μm濾膜后直接進(jìn)行GC-MS分析。

1.4 儀器參數(shù)

脂肪酸分析采用美國(guó)Thermo Fisher Scientific 公司DSQII型氣質(zhì)聯(lián)用儀(NIST 2008版譜庫(kù))。色譜條件：DB-5MS石英毛細(xì)管柱(60 m×0.25 mm×0.25 μm)；升溫程序：柱溫60℃，保持1 min，10℃·min-1升到180℃，4℃·min-1升到250℃，保持20 min，20℃·min-1升到280℃，持續(xù)2 min；進(jìn)樣量1 μL，不分流進(jìn)樣；進(jìn)樣口溫度280℃；載氣為高純氦(99.999%)，流速1.0 mL·min-1。質(zhì)譜條件：電離方式為電子轟擊離子源模式(EI)，電子能量70 eV，離子源溫度250℃，GC與MS傳送桿溫度280℃，掃描方式為Full Scan 模式，質(zhì)量掃描范圍為40～650 amu，溶劑延遲7 min。

2 結(jié)果與分析

2.1 禾本科科植物中正構(gòu)脂肪酸的含量

6種禾本科植物的單種正構(gòu)脂肪酸(C6～C28)含量范圍：0.02～4 586.09 mg·kg-1，其中冷地早熟禾(Poacrymophila)十一酸含量最低，紫花針茅(Stipapurpurea)十八酸含量最高。6種植物中主要脂肪酸含量大小關(guān)系：十六酸為紫花針茅>梭羅草(Kengyiliathoroldiana)>中華羊茅(Festucasinensis)>冷地早熟禾>垂穗披堿草(Elymusnutans)>麥賓草(Elymustangutorum)，十五酸為紫花針茅>中華羊茅>冷地早熟禾>梭羅草>麥賓草>垂穗披堿草(圖1)。6種植物中總正構(gòu)脂肪酸(C6～C28)含量及長(zhǎng)鏈正構(gòu)脂肪酸(C21～C28)所占比重分別為：紫花針茅為7 868.14 mg·kg-1，2.88%；中華羊茅為1 558.77 mg·kg-1，6.05%；梭羅草為1 492.67 mg·kg-1，4.11%；冷地早熟禾為1 454.23 mg·kg-1，7.46%；垂穗披堿草為1 229.40 mg·kg-1，8.76%；麥賓草為1 222.85 mg·kg-1，6.69%。單種植物中各種脂肪酸含量差異顯著(P<0.01)，但禾本科六種植物中各對(duì)應(yīng)脂肪酸含量差異不顯著。

圖1 禾本科植物中正構(gòu)脂肪酸的含量Fig.1 The content of n-fatty acids in Gramineous plants

2.2 莎草科植物中正構(gòu)脂肪酸的含量

6種莎草科植物的單種正構(gòu)脂肪酸(C6～C28)含量范圍：0.20～3 342.45 mg·kg-1，其中黑褐苔草(Carexastrofusca)中二十七酸含量最低，青藏苔草(Carexmoorcroftii)中十六酸含量最高。6種植物中主要脂肪酸含量大小關(guān)系：十六酸為青藏苔草>小嵩草(Kobresiapygmaea)>雙柱頭藨草(Scirpusdistigmaticus)>西藏嵩草(Kobresiaschoenoides)>矮嵩草(Kobresiahumulis)>黑褐苔草，十五酸為西藏嵩草>青藏苔草>雙柱頭藨草>小嵩草>黑褐苔草>矮嵩草，十八酸為雙柱頭藨草>青藏苔草>矮嵩草>小嵩草>西藏嵩草>黑褐苔草(圖2)。6種植物中總正構(gòu)脂肪酸(C6～C28)含量及長(zhǎng)鏈正構(gòu)脂肪酸(C21～C28)所占比重分別為：小嵩草為6 347.99 mg·kg-1，17.35%；青藏苔草為5 954.02 mg·kg-1，7.61%；雙柱頭藨草為5 835.86 mg·kg-1，5.28%；西藏嵩草為5 304.57 mg·kg-1，6.73%；矮嵩草為4 796.55 mg·kg-1，21.25%；黑褐苔草為3 177.69 mg·kg-1，8.61%。單種植物中各種脂肪酸含量之間差異顯著(P<0.01)，莎草科植物中黑褐苔草與雙柱頭藨草、小嵩草中各對(duì)應(yīng)脂肪酸含量差異顯著(P<0.01)，其他植物兩兩比較各對(duì)應(yīng)脂肪酸含量差異不顯著。

圖2 莎草科植物中正構(gòu)脂肪酸的含量Fig.2 The content of n-fatty acids in Cyperaceae plants

2.3 毛茛科植物中正構(gòu)脂肪酸的含量

毛茛科4種植物中單種正構(gòu)脂肪酸(C6～C28)含量范圍為：0.18～3 537.52 mg·kg-1，瓣蕊唐松草(Thalictrumpetaloideum)壬酸最低，鐵棒錘(Aconitumpendulum)十六酸最高。4種植物中主要脂肪酸含量大小關(guān)系：十五酸含量為鐵棒錘>露蕊烏頭(Aconitumgymnandrum)>密花翠雀(Delphiniumdensiflorum)>瓣蕊唐松草，十六酸含量為鐵棒錘>密花翠雀>露蕊烏頭>瓣蕊唐松草，十八酸含量為密花翠雀>露蕊烏頭>鐵棒錘>瓣蕊唐松草(圖3)。4種植物中總正構(gòu)脂肪酸(C6～C28)含量及長(zhǎng)鏈正構(gòu)脂肪酸(C21～C28)所占比重分別為：鐵棒錘為6 287.22 mg·kg-1，8.73%；露蕊烏頭為5 919.58 mg·kg-1，7.40%；密花翠雀為4 976.54 mg·kg-1，3.43%；瓣蕊唐松草為2 343.04 mg·kg-1，4.62%。正構(gòu)脂肪酸含量偶數(shù)碳優(yōu)勢(shì)明顯。單種植物中不同脂肪酸含量之間差異顯著(P<0.01)，密花翠雀和鐵棒錘中各對(duì)應(yīng)脂肪酸含量差異顯著(P<0.05)，其他植物兩兩比較，各對(duì)應(yīng)脂肪酸含量差異不顯著。

圖3 毛茛科植物中正構(gòu)脂肪酸的含量Fig.3 The content of n-fatty acids in Ranunculaceae plants

2.4 唇形科植物中正構(gòu)脂肪酸的含量

唇形科4種植物中單種正構(gòu)脂肪酸(C6～C28)含量范圍：0.51～4 549.15 mg·kg-1，其中獨(dú)一味(Lamiophlomisrotata)十一酸含量低，黃花粘毛鼠尾草(Salviaroborowskii)十六酸含量最高。4種植物中主要脂肪酸含量大小關(guān)系：十六酸為黃花粘毛鼠尾草>密花香薷(Elsholtziadensa)>獨(dú)一味>白苞筋骨草(Ajugalupulina)，十五酸為白苞筋骨草>密花香薷>獨(dú)一味>黃花粘毛鼠尾草，十八酸為黃花粘毛鼠尾草>密花香薷>白苞筋骨草>獨(dú)一味(圖4)。4種植物中總正構(gòu)脂肪酸含量及長(zhǎng)鏈正構(gòu)脂肪酸(C21～C28)所占比重分別為：白苞筋骨草為7 741.49 mg·kg-1，42.81%；黃花粘毛鼠尾草為6 760.49 mg·kg-1，1.24%；密花香薷為6 379.06 mg·kg-1，4.44%；獨(dú)一味為4 071.13 mg·kg-1，9.62%。單種植物中各種脂肪酸含量差異顯著(P<0.01)，唇形科4種植物中各對(duì)應(yīng)脂肪酸含量差異不顯著。

圖4 唇形科植物中正構(gòu)脂肪酸的含量Fig.4 The content of n-fatty acids in Labiatae plants

2.5 薔薇科植物中正構(gòu)脂肪酸的含量

薔薇科4種植物中單種正構(gòu)脂肪酸(C6～C28)含量范圍：0.54～3 260.38 mg·kg-1，其中高山繡線菊(Spiraeaalpina)十六酸的含量最高，十一酸含量最低。4種植物中主要脂肪酸含量大小關(guān)系：十六酸為高山繡線菊>二裂委陵菜(Potentillabifurca)>鵝絨委陵菜(Potentillaanserina)>金露梅(Potentillafruticosa)，十五酸為鵝絨委陵菜>金露梅>二裂委陵菜>高山繡線菊，十五酸為鵝絨委陵菜>金露梅>二裂委陵菜>高山繡線菊，十八酸為金露梅>鵝絨委陵菜>二裂委陵菜>高山繡線菊(圖5)。4種植物中總正構(gòu)脂肪酸含量及長(zhǎng)鏈正構(gòu)脂肪酸(C21～C28)所占比重分別為：鵝絨委陵菜為7 061.75 mg·kg-1，16.07%；二裂委陵菜為5 943.64 mg·kg-1，9.23%；金露梅為5 769.40 mg·kg-1，5.62%；高山繡線菊為5 157.06 mg·kg-1，11.29%。單種植物中各種脂肪酸含量差異顯著(P<0.05)，薔薇科4種植物中各對(duì)應(yīng)脂肪酸含量差異不顯著。

圖5 薔薇科植物中正構(gòu)脂肪酸的含量Fig.5 The content of n-fatty acids in Rosaceae plants

2.6 玄參科植物中正構(gòu)脂肪酸的含量

玄參科2種植物中單種正構(gòu)脂肪酸(C6～C28)含量范圍：1.44～2 284.46 mg·kg-1，肉果草(Lanceatibetica)中十六酸的含量最高，十一酸含量最低。肉果草中十五酸、十六酸、十八酸、二十酸、二十二酸均高于甘肅馬先蒿(圖6)。2種植物中總正構(gòu)脂肪酸含量及長(zhǎng)鏈正構(gòu)脂肪酸(C21～C28)所占比重分別為：肉果草為4 497.68 mg·kg-1，6.03%；甘肅馬先蒿為3 318.00 mg·kg-1，6.91%。單種植物中各種脂肪酸含量之間差異顯著(P<0.01)，2種植物中各對(duì)應(yīng)脂肪酸含量差異不顯著。

圖6 玄參科植物中正構(gòu)脂肪酸的含量Fig.6 The content of n-fatty acids in Scrophulariaceae plants

2.7 豆科植物中正構(gòu)脂肪酸的含量

豆科2種植物中單種正構(gòu)脂肪酸(C6～C28)含量范圍：0.61～2 209.98 mg·kg-1，其中甘肅棘豆(Oxytropiskansuensis)十六酸的含量最高，十一酸含量最低。甘肅棘豆中十五酸、十六酸、十八酸、二十酸、二十二酸、二十四酸均明顯高于黃花棘豆(圖7)。2種植物中總正構(gòu)脂肪酸含量及長(zhǎng)鏈正構(gòu)脂肪酸(C21～C28)所占比重分別為：甘肅棘豆為5 292.97 mg·kg-1，1.86%；黃花棘豆為2 745.31 mg·kg-1，17.65%。單種植物中各種脂肪酸含量差異顯著(P<0.05)，2種植物中各對(duì)應(yīng)脂肪酸含量差異顯著(P<0.05)。

圖7 豆科植物中正構(gòu)脂肪酸的含量Fig.7 The content of n-fatty acids in Leguminous plants

2.8 龍膽科植物中正構(gòu)脂肪酸的含量

龍膽科4種植物中單種正構(gòu)脂肪酸(C6～C28)含量范圍：0.14～7 964.32 mg·kg-1，其中線葉龍膽(Gentianafarreri)十六酸的含量最高，濕生扁蕾(Gentianopsispaludosa)十一酸含量最低(圖8)。4種植物中總正構(gòu)脂肪酸(C6～C28)含量及長(zhǎng)鏈正構(gòu)脂肪酸(C21～C28)所占比重分別為：線葉龍膽為10 939.02 mg·kg-1，5.43%；濕生扁蕾為5 966.30 mg·kg-1，6.34%；達(dá)烏里秦艽(Gentianadahurica)為5 449.06 mg·kg-1，7.49%；麻花艽為3 682.41 mg·kg-1，7.32%。單種植物中各種脂肪酸含量之間差異顯著(P<0.05)，4種植物中各對(duì)應(yīng)脂肪酸含量差異不顯著。

圖8 龍膽科植物中正構(gòu)脂肪酸的含量Fig.8 The content of n-fatty acids in Gentianaceae plants

2.9 菊科植物中正構(gòu)脂肪酸的含量

12種菊科植物中單種脂肪酸(C6～C28)含量范圍：0.08～6 347.84 mg·kg-1，其中十六酸(臭蒿Artemisiahedinii)的含量最高，二十七酸(冷蒿Artemisiafrigida)含量最低。菊科植物中總正構(gòu)脂肪酸(C6～C28)含量分布范圍為1 754.76(冷蒿)～11 335.95(臭蒿) mg·kg-1，其中短鏈正構(gòu)脂肪酸(C6～C20)含量范圍為1 518.45(冷蒿)～10 603.02 (臭蒿) mg·kg-1，長(zhǎng)鏈正構(gòu)脂肪酸(C21～C28)含量范圍為121.86 (條葉垂頭菊Cremanthodiumlineare)～1 239.37 (鐵桿蒿Artemisiasacrorum)mg·kg-1(表2)。總奇數(shù)碳正構(gòu)脂肪酸含量小于總偶數(shù)碳正構(gòu)脂肪酸含量，偶數(shù)碳優(yōu)勢(shì)明顯。單種植物中各種脂肪酸含量差異顯著(P<0.05)，菊科植物中大籽蒿與條葉垂頭菊、冷蒿比較各對(duì)應(yīng)脂肪酸含量差異顯著(P<0.05)，其他植物兩兩之間比較各對(duì)應(yīng)脂肪酸含量差異不顯著。

2.10 其他科植物中正構(gòu)脂肪酸的含量

10科10種植物中單種正構(gòu)脂肪酸(C6～C28)含量范圍：0.05～6 229.07 mg·kg-1，其中十六酸(拉拉藤Galiumaparine)的含量最高，癸酸(唐古特虎耳草Saxifragatangutica)含量最低。10科10種植物中短鏈正構(gòu)脂肪酸(C6～C20)含量范圍是364.24 (唐古特虎耳草)～9 611.38 (拉拉藤) mg·kg-1，長(zhǎng)鏈正構(gòu)脂肪酸(C21～C28)含量范圍為15.95(唐古特虎耳草)～1 064.16 (西藏沙棘Hippophaethibetana) mg·kg-1(表3)。

表2 菊科植物中正構(gòu)脂肪酸的含量Table 2 The content of n-fatty acids in compositae plants

表3 其他科植物中正構(gòu)脂肪酸的含量Table 3 The content of n-fatty acids in other plant families

3 討論

高寒草甸植物中可檢測(cè)到豐富的正構(gòu)脂肪酸，其碳數(shù)分布為C6～C28，具有顯著的偶數(shù)碳優(yōu)勢(shì)。這與高建花等[3]、張繼等[4]分析結(jié)果相似。植物中短鏈正構(gòu)脂肪酸(≤C20)中C16或C18含量最高，這是由于植物中β-酮脂酰ACP合成酶能催化14碳和16碳脂酰-ACP的縮合，決定了植物中C16和C18的含量[14]。另外C16和C18脂肪酸直接或間接參與植物對(duì)細(xì)菌和真菌病害的基礎(chǔ)防御，因此植物病害情況也會(huì)影響C16和C18脂肪酸含量[15]。而長(zhǎng)鏈正構(gòu)脂肪酸(C21-C28)以C24、C26或C28為主峰碳。這些研究結(jié)果與張曉慶等[5]、孫曉青等[6]和Boris等[16]有關(guān)植物正構(gòu)脂肪酸研究一致。高寒草甸中退化指示植物(鵝絨委陵菜、矮火絨草、甘肅馬先蒿、甘肅棘豆)長(zhǎng)鏈正構(gòu)脂肪酸占比重較大，而禾本科和莎草科植物中長(zhǎng)鏈正構(gòu)脂肪酸百分比含量較低，因此不同科植物長(zhǎng)鏈脂肪酸含量上的差異性可以用作土壤退化后植物演替的依據(jù)。植物的脂肪酸不飽和度除取決于植物的遺傳特性外，也會(huì)被外界溫度所誘導(dǎo)[10]。植物中正構(gòu)脂肪酸含量受外界環(huán)境因素(如溫度、光照)影響很大[17]，低溫環(huán)境下植物中正構(gòu)飽和脂肪酸含量明顯降低[18]，這能實(shí)時(shí)反映植物生存的環(huán)境條件，且長(zhǎng)鏈正構(gòu)脂肪酸在土壤、沉積物中穩(wěn)定存在[9,11,19]，因此正構(gòu)脂肪酸常用作生物標(biāo)記物指示土壤及沉積物形成過程中氣候環(huán)境的變化。各種高寒草甸植物中正構(gòu)脂肪酸含量存在明顯差異，由于其受遺傳基因控制，具有物種的專一性，故脂肪酸也用于土壤、沉積物和水體中有機(jī)物質(zhì)來源的示蹤[20-21]。

4 結(jié)論

高寒草甸常見植物中單種正構(gòu)脂肪酸(C6～C28)含量分布范圍0.05～7 964.32 mg·kg-1，其中十六酸含量最高，而十一酸含量最低，長(zhǎng)鏈正構(gòu)脂肪酸中C24、C26或C28為含量較高。

高寒草甸常見植物中總正構(gòu)脂肪酸(C6～C28)含量為380.19～11 335.95 mg·kg-1，總奇數(shù)碳正構(gòu)脂肪酸含量小于總偶數(shù)碳正構(gòu)脂肪酸含量，偶數(shù)碳優(yōu)勢(shì)明顯。同種植物中各種正構(gòu)脂肪酸含量差異顯著，同科植物中各對(duì)應(yīng)正構(gòu)脂肪酸含量差異不顯著，不同科植物間正構(gòu)脂肪酸含量也明顯不同。