大倉鼠背毛和腹毛紅外光譜差異

楊文建 周思宇 金志民

(牡丹江師范學(xué)院生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，牡丹江，157011)

大倉鼠(Tscherskiatriton)隸屬于嚙齒目(Rodentia)，倉鼠科(Cricetidae)，大倉鼠屬，是一種農(nóng)田害鼠，是多種疾病的傳播媒介和宿主[1]。當(dāng)前，對大倉鼠的鑒定主要是依據(jù)形態(tài)學(xué)，對鼠類被毛的研究較少[2]。野生動物毛發(fā)的主要成分是角蛋白[3]，受大倉鼠的進(jìn)化、分布、行為和環(huán)境等的影響，角蛋白的成分會發(fā)生一定變化，使用紅外光譜進(jìn)行鑒定分析具有可行性。傅里葉紅外光譜(FT-IR)是一種發(fā)展迅速的檢測技術(shù)，能夠以連續(xù)波長的紅外光為光源，照射樣品引起分子振動和在轉(zhuǎn)動能級之間躍遷，進(jìn)而獲得分子的振轉(zhuǎn)光譜。通過分析光譜的變化，可以獲得細(xì)胞內(nèi)生物分子結(jié)構(gòu)、構(gòu)型、構(gòu)像和數(shù)量變化的信息[4]。吳桂芳等[5]對偶蹄目(Artiodactyla)中綿羊的山羊絨和細(xì)支綿羊毛進(jìn)行了紅外光譜分析。也有學(xué)者對食肉目(Carnivora)動物中的貉(Nyctereutesprocyonoides)、狼(Canislupus)、豹貓(Prionailurusbengalensis)、金貓(Pardofelistemminckii)、大靈貓(Viverrazibetha)、小靈貓(Viverriculaindica)、豺(Cuonalpinus)、花面貍(Pagumalarvata)、云豹(Neofelisnebulosa)、藏狐(Vulpesferrilata)、水貂(Neovisonvison)、紫貂(Marteszibellina)等進(jìn)行了被毛紅外光譜分析和對比[6-11]。針對嚙齒目動物中的灰鼠(Sciurusvulgaris)和麝鼠(Ondatrazibethicus)的被毛，也有研究人員進(jìn)行了紅外光譜分析[12]。目前，國內(nèi)利用紅外光譜進(jìn)行嚙齒目動物被毛鑒別的研究還處于探索和積累階段。

嚙齒動物是多種鸮形目(Strigiformes)鳥類喜愛的食物之一[13-14]，但利用食團(tuán)分析法對鸮形目鳥類進(jìn)行食性分析時，鑒別嚙齒動物種類的主要依據(jù)是頭骨和牙齒，而對在食團(tuán)中占比較大的被毛材料利用較少。被毛這種耐浸泡、耐腐蝕的材料，能夠較好地保存物種的特征性成分[15]。若能夠有效利用食團(tuán)中殘留的被毛，根據(jù)其特征進(jìn)行種類鑒定，對于鸮形目鳥類的食性分析具有一定意義[16]。本研究對大倉鼠背毛和腹毛的紅外圖譜和二階導(dǎo)數(shù)譜進(jìn)行對比，分析其光譜特征，旨在為鸮形目鳥類食團(tuán)中殘留的被毛鑒定提供參考，同時豐富嚙齒動物被毛結(jié)構(gòu)的研究內(nèi)容，為綜合運(yùn)用被毛特征識別與鑒定動物種類提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

二道林場位于牡丹江與支流二道河子的交界處，距離柴河鎮(zhèn)約80 km，調(diào)查區(qū)域周圍海拔為200～400 m。柴河林區(qū)(44°47′45″—45°37′30″N，128°59′30″—129°54′30″E)位于黑龍江省東部海林市境內(nèi)，屬長白山山地張廣才嶺北部，為長白山與小興安嶺過渡山系[17]。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

2.2 試驗(yàn)方法

將拔取的被毛置于無水乙醇中清洗，用超聲波清洗器清洗10 min，倒掉無水乙醇，重復(fù)清洗4次，將樣品置于烘箱中烘干8 h后取出備用。

加入液氮將被毛研磨至粉末狀，得到大倉鼠背毛粉末1.436 g，腹毛粉末0.444 g，分別取1～2 mg在瑪瑙研缽中研磨成細(xì)粉末，與干燥的溴化鉀粉末(約100 mg)均勻混合。將樣品裝入模具內(nèi)，在壓片機(jī)上壓制成片。然后，放入傅里葉變換紅外光譜儀樣品光路中，掃描波數(shù)為400～4 000 cm-1，開啟自動分析系統(tǒng)，得到分析數(shù)據(jù)。重復(fù)壓片分析5次。

2.3 數(shù)據(jù)處理

使用Excel軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，處理后的數(shù)據(jù)使用Origin 2018軟件進(jìn)行繪圖和分析。以掃描波數(shù)為橫坐標(biāo)，透過率為縱坐標(biāo)繪圖，透過率是紅外光透過樣品的光強(qiáng)和紅外光透過背景(空光路)的光強(qiáng)的比值，即紅外光透過樣品物質(zhì)的比例，能夠直觀地看出樣品對紅外光的吸收情況。采取定性分析，相應(yīng)波長的特征峰是對比判斷的主要依據(jù)，譜線高低僅能代表所制壓片薄厚不同導(dǎo)致的待測物濃度差異，不能作為成分分析依據(jù)，因此對400～4 000 cm-1的紅外光譜圖進(jìn)行分析，確定其指紋區(qū)是在400～1 330 cm-1，指紋區(qū)內(nèi)的紅外吸收光譜復(fù)雜，能反映分子結(jié)構(gòu)的細(xì)微差異[18]。指紋區(qū)中600～900 cm-1變化明顯，故選取這一范圍內(nèi)的譜圖進(jìn)行特征識別。

3 結(jié)果與分析

3.1 背毛和腹毛紅外光譜差異

由大倉鼠背毛和腹毛樣品的紅外圖譜(圖1)可知，在400～4 000 cm-1內(nèi)，大倉鼠背毛和腹毛的紅外圖譜有著極高的相似性，均在622、1 562、1 637 cm-1附近有明顯的峰型和基本一致的吸收峰，在3 415、3 470 cm-1均有明顯的吸收峰，形成W形圖譜。背毛在1 439 cm-1、腹毛在1 426 cm-1處各有1個峰型基本一致的吸收峰，但腹毛的峰強(qiáng)比背毛的峰強(qiáng)大。

圖1 大倉鼠背毛和腹毛紅外光譜

3.2 背腹毛紅外譜圖放大差異

為了更好地比較大倉鼠背毛和腹毛的特點(diǎn)，對600～900 cm-1內(nèi)的紅外光譜進(jìn)行放大比較(圖2)。由圖2可見，在600～900 cm-1內(nèi)，大倉鼠背毛和腹毛的紅外圖譜基本一致，均在721、782 cm-1有明顯的峰型一致的吸收峰形成，在779、846 cm-1附近有吸收峰出現(xiàn)。但背毛和腹毛分別在848、845 cm-1有明顯的峰型一致的吸收峰出現(xiàn)，在700～727 cm-1附近背毛和腹毛譜線較為平滑，未形成明顯的吸收峰。

圖2 大倉鼠背毛和腹毛紅外放大光譜

綜上可見，大倉鼠背毛和腹毛的吸收峰基本一致，2個部位的被毛組成物質(zhì)基本一致，是大倉鼠物種特征的一部分；但是背毛和腹毛之間還存在著一定差異，腹毛的特征性吸收峰、峰強(qiáng)和峰面積均大于背毛，這可能是同一動物背毛和腹毛組成蛋白的含量或者蛋白側(cè)鏈的種類不同導(dǎo)致的差異。

3.3 背毛和腹毛的二階導(dǎo)數(shù)譜

二階導(dǎo)數(shù)可以有效加強(qiáng)紅外光譜的分辨率，為了更好地比較大倉鼠背毛和腹毛之間的差異，分別對2種毛600～900 cm-1的二階導(dǎo)數(shù)進(jìn)行了比較(圖3)。由圖3可見，波數(shù)在600～900 cm-1的二階導(dǎo)數(shù)圖譜可以反映出更多在紅外圖譜中無法觀察到的特點(diǎn)。腹毛的吸收峰峰強(qiáng)均較大，在786、776 cm-1腹毛的峰強(qiáng)最大，也最容易觀察到；在703、683、854 cm-1，2種毛均有明顯的吸收峰。雖然大倉鼠背毛和腹毛的二階導(dǎo)數(shù)圖譜吸收峰的峰型和波數(shù)基本一致，但也存在一些差異，在621～645 cm-1腹毛有4個明顯相似的單峰，形成2個W形圖譜，背毛僅在632～645 cm-1有2個明顯相似的單峰，形成1個W形圖譜；背毛和腹毛分別在652～655、650～655 cm-1形成1個單峰；在700 cm-1背毛形成1個單峰，腹毛未形成明顯的峰；在707～718 cm-1，背毛有2個明顯的單峰，形成一個W形圖譜，腹毛有1個明顯的單峰；腹毛在826 cm-1處有1個明顯的吸收峰出現(xiàn)，背毛在822、826、830 cm-1處有吸收峰出現(xiàn)，所以，腹毛形成1個M形圖譜，背毛形成2個M形圖譜。

圖3 大倉鼠背毛和腹毛二階導(dǎo)數(shù)譜

在二階導(dǎo)數(shù)譜中，大倉鼠背毛和腹毛之間的微小差異更加明顯，一些在紅外光譜中不明顯的差異通過二階導(dǎo)數(shù)譜中可以觀察到。二階導(dǎo)數(shù)譜進(jìn)一步證明了大倉鼠背毛和腹毛基本一致，但具有一定差異，是對紅外光譜圖分析結(jié)果的有效補(bǔ)充。

4 討論

目前國內(nèi)外對于動物被毛的識別鑒定主要是在微觀層面上對被毛的鱗片、髓質(zhì)和橫斷面等進(jìn)行觀察比較[19]。有學(xué)者系統(tǒng)論述了被毛種屬鑒定的原則、方法和注意事項(xiàng)等，并且根據(jù)其總結(jié)的被毛長度、外觀特征、被毛各部分的鱗片形態(tài)、髓質(zhì)形態(tài)、被毛不同部位的橫斷面形態(tài)和髓質(zhì)橫斷面形態(tài)和數(shù)值指標(biāo)等，對西歐地區(qū)的73種哺乳動物(Mammalia)進(jìn)行了分類，證實(shí)了毛的形態(tài)結(jié)構(gòu)在分類應(yīng)用中的可行性與可靠性[20]。有學(xué)者利用掃描電鏡和光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察分析，發(fā)現(xiàn)背部、腹部、臀部和頸部被毛的鱗片類型和排列順序均有一定的差異，例如大靈貓的背毛不具有方瓣型鱗片，而腹毛具有一定量的方瓣型鱗片[21]。侯森林[22]對赤狐(Vulpesvulpes)的背毛和腹毛進(jìn)行了顯微形態(tài)學(xué)特征研究，發(fā)現(xiàn)赤狐背毛主要鱗片類型為雜波型，腹毛的主要鱗片類型為長瓣型，背毛的髓質(zhì)指數(shù)較腹毛的大。被毛的髓質(zhì)指數(shù)越大，髓質(zhì)越發(fā)達(dá)，能夠容納的靜止空氣也越多，使得背毛保溫的能力較腹毛更強(qiáng)。被毛在結(jié)構(gòu)和功能上是相互關(guān)聯(lián)的，隨著其生理功能的變化，被毛的結(jié)構(gòu)也會有所變化，進(jìn)而引起形態(tài)的變化[23]。有學(xué)者對絨山羊四肢不同部位的被毛進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)，被毛從四肢近端到遠(yuǎn)端，髓質(zhì)指數(shù)呈梯度遞減趨勢，表明山羊四肢離地表越近，體溫越低，與環(huán)境的溫差越小，越有利于保持體溫。相應(yīng)地，體表溫度低則被毛保溫功能相對減弱，髓質(zhì)發(fā)達(dá)程度也相對趨于減少[24]。通過已有研究判斷，依據(jù)微觀狀態(tài)下鱗片的類型、排列順序、髓質(zhì)指數(shù)等，動物被毛可以作為種類鑒別的有效途徑。

本研究表明，通過傅里葉紅外變換光譜和二階導(dǎo)數(shù)譜可以有效地顯現(xiàn)大倉鼠被毛的特征，如不同部位的被毛均在622、782、846 cm-1形成明顯的吸收峰，故可以運(yùn)用到動物種類的鑒定之中，為鸮形目鳥類的食性分析提供參考。而譜圖中出現(xiàn)的差異，如在707～718 cm-1，背毛有2個明顯的單峰，形成1個W形圖譜，腹毛只有1個明顯的單峰，則有效地證明了大倉鼠不同部位的被毛由于受到遺傳進(jìn)化、生態(tài)環(huán)境和生活習(xí)慣等因素的影響，組分會發(fā)生一定的變化，進(jìn)一步說明了紅外光譜法分析動物被毛的靈敏性和準(zhǔn)確性。由于被毛成分的差異，紅外光譜對動物被毛的分析數(shù)據(jù)具有極高的鑒定性，能夠有效鑒別不同種類的動物[25]，因此利用紅外光譜對被毛進(jìn)行對比分析的方法能夠有效地補(bǔ)充和完善被毛研究的試驗(yàn)思路。但是，目前利用紅外光譜對動物被毛進(jìn)行分析鑒定的研究較少，通過紅外光譜對未知動物被毛進(jìn)行鑒定的參考數(shù)據(jù)尚不充分，還需進(jìn)行大量研究來構(gòu)建動物被毛紅外光譜譜圖庫，為動物被毛的鑒定提供有效參考和依據(jù)。