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，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]。通過對植物中正構(gòu)脂肪酸的特征分析來增加對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Thermo Fisher Scientific 公司DSQII型氣質(zhì)聯(lián)用儀(NIST 2008版譜庫)。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、小嵩草中各對應(yīng)脂肪酸含量差異顯著(P<0.01)，其他植物兩兩比較各對應(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應(yīng)脂肪酸含量差異顯著(P<0.05)，其他植物兩兩比較，各對應(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)?？偲鏀?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。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)長鏈正構(gòu)脂肪酸占比重較大，而禾本科和莎草科植物中長鏈正構(gòu)脂肪酸百分比含量較低，因此不同科植物長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。