紅木種屬鑒別方法研究現(xiàn)狀與展望

李學(xué)謙 冀柏穎 李欣瑀 林子清

摘?要：紅木具有極高的藥用價(jià)值和觀賞價(jià)值，是制作家具、樂器、飾品等物品的最佳原材料。在紅木制品市場(chǎng)存在大量的仿品、偽品，因此準(zhǔn)確快速地鑒定珍稀紅木的種類和價(jià)值成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。我們查閱了大量文獻(xiàn)，闡述了傳統(tǒng)鑒別方法和色譜技術(shù)、質(zhì)譜技術(shù)、紅外光譜技術(shù)、核磁共振氫譜技術(shù)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、DNA條形碼技術(shù)等可應(yīng)用于紅木鑒別多種新興技術(shù)的方法及其原理，對(duì)其存在的問題及可能的發(fā)展進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：法醫(yī)物證學(xué)；紅木鑒別；DNA條形碼；公安

名貴木材性能優(yōu)良、總類稀缺，自古以來就有烏木值千金的說法。隨著社會(huì)的發(fā)展和生活的提高，以黃花梨、紫檀等各種珍貴紅木材制成的家具越來越受到廣大消費(fèi)者的青睞，導(dǎo)致這類材料的制品價(jià)值昂貴。

中華人民共和國(guó)紅木國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（紅木GB/T?18107—2017）從木材解剖學(xué)角度確定了紫檀屬、黃檀屬、柿屬、崖豆屬和決明屬五屬，紫檀木類、花梨木類、香枝木類、黑酸枝木類、紅酸枝木類、烏木類、條紋烏木類和雞翅木類8類29個(gè)樹種［1］。由于同屬種間差異不十分明顯，許多木材鑒賞專家和不同領(lǐng)域的學(xué)者探索、研究了不同的名貴珍稀木材種屬鑒別標(biāo)準(zhǔn)化方法，以期在對(duì)珍貴木材的保護(hù)、利用、加工和貿(mào)易活動(dòng)中實(shí)現(xiàn)科學(xué)快速、準(zhǔn)確地識(shí)別和鑒定。

1?傳統(tǒng)的紅木種類鑒別方法

傳統(tǒng)的紅木種屬鑒別方法以鑒定人主觀經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)識(shí)為主，在植物學(xué)分類的基礎(chǔ)上，通過對(duì)待檢木材的橫切面、縱切面、弦切面分別取樣，用放大鏡觀察檢材的宏觀特征（心材、邊材、生長(zhǎng)輪、管孔和波痕等）；利用光學(xué)顯微鏡微觀解剖特征（導(dǎo)管、軸向薄壁組織、射線、木纖維）及材色（肉眼觀）、氣味（鼻嗅）與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中已確定種屬的標(biāo)本對(duì)應(yīng)的各項(xiàng)特征對(duì)比、檢索、分析來判斷和區(qū)分到屬、類（科）或種，準(zhǔn)確度較高。但如若木材特征不明顯，在鑒定到種的時(shí)候困難較大且易發(fā)生錯(cuò)誤判斷［2］。

傳統(tǒng)的紅木種屬鑒別流程復(fù)雜煩瑣，耗時(shí)費(fèi)力，效率低下，而且對(duì)鑒定人要求高，需要鑒定人有豐富的專業(yè)知識(shí)和豐富的鑒定經(jīng)驗(yàn)，才能保證紅木種屬鑒別結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，不同研究領(lǐng)域的學(xué)者紛紛提出不同的簡(jiǎn)便的紅木鑒別分析方法。

2?基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的紅木種類鑒別方法

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，在對(duì)名貴珍稀樹種及木制品的鑒定方法上人們不斷追求自動(dòng)化、智能化、工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化。1970年，歐美國(guó)家的學(xué)者就開始基于木材信息數(shù)據(jù)庫，利用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)輔助木材區(qū)別鑒定的研究。20世紀(jì)80年代初國(guó)內(nèi)中國(guó)林業(yè)科學(xué)院木材研究所研發(fā)了計(jì)算機(jī)木材輔助識(shí)別系統(tǒng)［3］；近年來，隨著數(shù)字化圖像技術(shù)的不斷發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)數(shù)字化圖像處理技術(shù)提高了傳統(tǒng)鑒別方法的準(zhǔn)確性，也突破了對(duì)鑒定人專業(yè)知識(shí)水平和經(jīng)驗(yàn)的依賴。方益明等提出了提取木材顯微結(jié)構(gòu)圖像的方法并利用該方法對(duì)木材進(jìn)行鑒別區(qū)分［4］；海南大學(xué)黃向黨等利用數(shù)碼顯微照相系統(tǒng)測(cè)定木纖維帶內(nèi)木射線寬度與高度，發(fā)現(xiàn)不同產(chǎn)地的降香黃檀和越南黃檀木在射線比率、射線寬度和高度差異顯著［5］。

計(jì)算機(jī)的快速運(yùn)算能力近年來迅速提高，深度學(xué)習(xí)技術(shù)再次受到人們的重視，深度學(xué)習(xí)中運(yùn)算速度快且具有強(qiáng)大特征提取計(jì)算能力的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在圖像的分類、檢測(cè)、跟蹤對(duì)象和圖像分割領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。廣東工業(yè)大學(xué)李啟彬使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)13種木材的CT圖像進(jìn)行分類［6］；黃鵬桂等對(duì)7種紅木的橫切面自建卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，準(zhǔn)確率高達(dá)99.4%［7］?？梢娎镁矸e神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)紅木種屬鑒別的自動(dòng)化，深度學(xué)習(xí)技術(shù)也可以結(jié)合其他的技術(shù)對(duì)紅木的種屬進(jìn)行鑒別。

利用計(jì)算機(jī)技術(shù)與其他技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)了快速、自動(dòng)化鑒別紅木種屬，可以滿足短時(shí)間大量篩查。但因生長(zhǎng)區(qū)域和年限不同，紅木個(gè)體株間存在差異，同一植株不同部位也存在差異，因此難以形成固定的標(biāo)準(zhǔn)圖像，在法庭科學(xué)中使用難度大。

3?基于譜帶技術(shù)的紅木種類鑒別方法

譜帶技術(shù)是分析化學(xué)常用的技術(shù)，利用質(zhì)譜、液相氣相色譜、光譜等對(duì)物質(zhì)的組成、含量、結(jié)構(gòu)等化學(xué)信息進(jìn)行分析。沈明月等利用基于高效液相色譜技術(shù)（HPLC）及模式識(shí)別方法構(gòu)建了紅木提取液的HPLC色譜指紋圖譜，發(fā)現(xiàn)四種紅木的特征峰區(qū)別明顯，實(shí)現(xiàn)了對(duì)盧氏黑黃檀、印度紫檀、大果紫檀、東非黑黃檀四種紅木的區(qū)分［8］。朱濤利用GC—MS技術(shù)獲得了九種紅木的指紋圖譜，結(jié)果顯示，不同種紅木樣品通過苯醇抽法得到的總離子流圖差異性很大，可以實(shí)現(xiàn)不同紅木樣品的區(qū)分［9］。羅莎對(duì)四種紅木的有機(jī)溶劑提取物分別使用FTIR和GC—MS進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)并建立指紋圖譜，得到了較好的區(qū)分結(jié)果［10］。陳碧瑩等選擇六類國(guó)標(biāo)紅木和兩類混偽品的甲醇超聲提取液作為樣本，使用1H?NMＲ與PLS—DA結(jié)合建立快速識(shí)別紅木種屬的模型并對(duì)可行性進(jìn)行探究，利用PLS—DA法建立的模型前三個(gè)主成分累積有79%的貢獻(xiàn)率，能有效區(qū)分開國(guó)標(biāo)紅木與易混淆品，也能大致鑒別國(guó)標(biāo)紅木的不同種類［11］。

光譜在紅木種屬鑒別中的應(yīng)用也有學(xué)者進(jìn)行研究，王遠(yuǎn)等使用THz—TDS技術(shù)獲得了五種杉木的太赫茲時(shí)域光譜，提取其光學(xué)參數(shù)，得到折射率譜和吸收系數(shù)譜，發(fā)現(xiàn)在時(shí)域光譜上不同種類木材的時(shí)間延遲線和振幅以及在吸收系數(shù)譜中吸收峰出現(xiàn)的頻段存在一定的差異，對(duì)太赫茲時(shí)域光譜做快速傅里葉變換獲得相對(duì)應(yīng)的太赫茲頻域光譜，頻域譜上顯示衰減趨勢(shì)及幅值也存在差異，表明THzTDS進(jìn)行紅木分類識(shí)別具有一定的可行性［12］。

譜帶技術(shù)優(yōu)點(diǎn)十分明顯，直觀、靈敏度高，結(jié)果判斷簡(jiǎn)單，微量檢材也可使用。但譜帶技術(shù)鑒別紅木種屬前處理方法要求嚴(yán)格，對(duì)不同的成分或選擇不同的譜帶技術(shù)時(shí)前處理方法不同，涉及的設(shè)備操作、原理也不相同，且受同位素因素影響得到的特征峰或其他指標(biāo)可能與標(biāo)準(zhǔn)譜存在距離，這是法庭科學(xué)人員難以同時(shí)掌握的。

4?基于DNA技術(shù)的紅木識(shí)別方法

以上幾種紅木鑒定方法打破了傳統(tǒng)木材鑒別方法對(duì)鑒定人學(xué)識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的依賴，但因紅木在實(shí)際的生產(chǎn)使用中區(qū)分邊材和心材及邊材心材過渡區(qū)，樣本取材部位差異會(huì)引起在采集圖像、色譜，提取液成分等存在差異，故而導(dǎo)致在建立分析模型時(shí)數(shù)據(jù)重復(fù)性差。目前的一種新興技術(shù)的出現(xiàn)打破了這一局限，DNA條形碼（DNA?Barcoding）技術(shù)于2003年首次提出，是利用一段標(biāo)準(zhǔn)DNA序列作為標(biāo)記進(jìn)行物種鑒定的技術(shù)，能夠?qū)拍?、化石和植物樣本進(jìn)行鑒別［1314］。

Rasika?M.Bhagwat等選取十種黃檀作為樣本，提取DNA并建立NJ樹探究了鑒別黃檀屬植物的新DNA條形碼，發(fā)現(xiàn)matK和matK+rcbL是對(duì)黃檀屬鑒別能力最強(qiáng)的條形碼［15］；Ida?Hartvig等提取了35種黃檀屬樣本，選擇rcbL、matK和ITS做遺傳距離分析，發(fā)現(xiàn)rcbL區(qū)域平均種內(nèi)和種間距離值最低，最高的是ITS區(qū)域，平均種內(nèi)和種間距離值達(dá)十倍以上，建議黃檀屬鑒別選用matK+ITS組合作為DNA條形碼［16］。國(guó)內(nèi)殷亞方等認(rèn)為葉綠體片段和細(xì)胞核核糖體內(nèi)轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)是植物通用的DNA條形碼集中的候選區(qū)域［17］，這與國(guó)際條形碼協(xié)會(huì)建議的植物通用條形碼matK和rcbL組合一致。余敏等提取了降香黃檀邊材和心材DNA，發(fā)現(xiàn)在降香黃檀和多裂黃檀的rpoC1、rbcL和trnHpsbA片段序列種間遺傳距離較大，trnHpsbA序列的擴(kuò)增成功率、測(cè)序成功率和鑒別能力都是最高的，建議用trnHpsbA序列作為鑒別降香黃檀與多裂黃檀的DNA條形碼［18］；鄧格求等使用刺猬紫檀及其近緣種木材的DNA提取物，用構(gòu)建NJ樹法做聚類分析認(rèn)為ITS2序列可以將刺猬紫檀與其他紫檀屬木材準(zhǔn)確區(qū)分開，但種內(nèi)無法區(qū)分開不同產(chǎn)地的刺猬紫檀［19］。葉綠體是植物特有的細(xì)胞器，其攜帶的DNA片段rcbL、matK和trnHpsbA是鑒別紅木種屬?gòu)?qiáng)有力的法醫(yī)學(xué)工具，其中rcbL基因位置很保守，變異速率極慢，因此是理想的植物DNA條形碼，位于核基因組的ITS片段轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)的ITS2因高進(jìn)化率高變異性可作為鑒別紅木種屬的法醫(yī)學(xué)工具。

DNA條形碼在鑒定物種上具有不可比擬的優(yōu)越性：具有快速準(zhǔn)確，自動(dòng)化程度高的優(yōu)勢(shì)，且模型建立依靠物種DNA信息，打破了因取材部位差異或沒有完整的形態(tài)學(xué)特征導(dǎo)致獲取的信息不同這一缺陷，DNA條形碼同時(shí)適用于在紅木的各個(gè)生長(zhǎng)周期獲取的樣本檢材，不受生長(zhǎng)發(fā)育階段影響，且對(duì)專業(yè)知識(shí)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)要求低，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)鑒定的缺陷，能夠快速準(zhǔn)確進(jìn)行鑒定。

DNA條形碼技術(shù)的出現(xiàn)是紅木種屬鑒定方法發(fā)展史上的里程碑，但用DNA條形碼技術(shù)鑒定植物其方法尚未完全規(guī)范成熟，也面臨一些挑戰(zhàn)，比如種內(nèi)發(fā)生倒位對(duì)trnHpsbA條形碼存在影響［20］、存在干擾基因［21］、DNA降解導(dǎo)致該技術(shù)失效等。目前比較成熟的動(dòng)物DNA條形碼動(dòng)物線粒體COI序列片段長(zhǎng)度在650bp左右，植物條形聯(lián)盟推薦的植物DNA條形碼matK、rcbL、ITS、tmHpsbA序列在500bp到幾千bp，最大的局限是DNA的易降解性，珍稀木材最為昂貴的心材部分的DNA在長(zhǎng)期生長(zhǎng)、存放和高溫加工過程中嚴(yán)重降解，降解后DNA片段多不足500bp且附著在細(xì)胞壁上以及存在PCR抑制物等，經(jīng)常導(dǎo)致心材DNA提取失敗或提取的心材DNA濃度和純度低導(dǎo)致PCR擴(kuò)增失敗或測(cè)序失敗，難以得到標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的DNA條形碼，也無法用DNA條形碼技術(shù)鑒別植物種屬［20］。

5?展望

2006年Hajibabaei等為解決博物館館藏的標(biāo)本DNA降解問題首先提出了微型DNA條形碼概念，微型DNA條形碼與DNA條形碼原理相似，不同點(diǎn)主要在于片段長(zhǎng)度。微型DNA條形碼是長(zhǎng)度在100～200bp的DNA序列，在DNA嚴(yán)重降解的標(biāo)本中也容易獲得［22］。與DNA條形碼相比，DNA微型條形碼序列較短，引物的通用性更強(qiáng)，擴(kuò)增能力更高，耗時(shí)短，操作簡(jiǎn)便。Hajibabaei在理論上證明了用COI序列內(nèi)部一段135bp的序列可以很好地對(duì)哥斯達(dá)黎加地區(qū)的一種寄生蜂的物種實(shí)現(xiàn)鑒定。

微型DNA條形碼技術(shù)目前在植物鑒別上研究較少，生物技術(shù)在珍貴木材的鑒別領(lǐng)域的應(yīng)用主要還是傳統(tǒng)DNA條形碼技術(shù)。微型DNA條形碼技術(shù)的出現(xiàn)對(duì)法庭科學(xué)意義重大，使用微型DNA條形碼技術(shù)建立紅木微型DNA條形碼信息庫，基于信息庫法庭科學(xué)人員可以利用微型DNA條形碼技術(shù)對(duì)紅木的種屬做出鑒別，打擊假冒犯罪，保護(hù)消費(fèi)者的權(quán)益，微型DNA條形碼技術(shù)可結(jié)合刑事科學(xué)技術(shù)共同為法庭審理案件提供物證。

參考文獻(xiàn)：

［1］中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.中華人民共和國(guó)紅木國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（紅木GB/T?181072017）［S］.2017.

［2］譚秋祝，梁林慶.紅木識(shí)別［J］.廣東林業(yè)科技，2005（03）：5962.

［3］楊家駒，程放，盧鴻俊.木材（特征圖象）的微機(jī)識(shí)別［J］.木材工業(yè)，2001（03）：3132.

［4］方益明，鄭紅平，馮海林.基于傅里葉變換和獨(dú)立成分分析的木材顯微圖像特征提取與識(shí)別［J］.浙江林學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，27（06）：826830.

［5］黃向黨，許彩娟，李大周，等.降香黃檀與越南黃檀木射線組織比較解剖研究［J］.海南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，36（02）：139145.

［6］李啟彬.基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的紅木鑒別系統(tǒng)應(yīng)用研究［D］.廣東工業(yè)大學(xué)，2021.

［7］黃鵬桂，趙璠，李曉平，等.卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在紅木樹種識(shí)別中的應(yīng)用［J］.浙江農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，37（06）：12001206.

［8］沈明月，章啟元，朱仲良，等.基于HPLC技術(shù)及模式識(shí)別方法鑒別4種紅木［J］.林業(yè)科學(xué)，2012，48（05）：168172.

［9］朱濤.基于GCMS技術(shù)不同進(jìn)樣方式的紅木識(shí)別研究及其指紋圖譜構(gòu)建［D］.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.

［10］羅莎.四種紅木抽提物的FTIR與GCMS指紋圖譜鑒別研究［D］.中南林業(yè)科技大學(xué)，2013.

［11］陳碧瑩，廖世莉，吳霞，等.基于核磁共振氫譜及偏最小二乘判別分析法的紅木快速識(shí)別模型的建立與應(yīng)用［J］.分析測(cè)試學(xué)報(bào)，2019，38（02）：134140.

［12］王遠(yuǎn)，折帥，周南，等.基于太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)的紅木分類識(shí)別［J］.光譜學(xué)與光譜分析，2019，39（9）：27192724.

［13］Hebert?P?D，Cywinska?A，Ball?S?L，et?al.Biological?identifications?through?DNA?barcodes［J］.Proc?Biol?Sci，2003，270（1512）：313321.

［14］Costa?F?O，DeWaard?J?R，Boutillier?J，et?al.Biological?identifications?through?DNA?barcodes：the?case?of?the?Crustacea［J］.Canadian?Journal?of?Fisheries?and?Aquatic?Sciences，2007，64（2）：272295.

［15］Bhagwat?R?M，Dholakia?B?B，Kadoo?N?Y，et?al.Two?New?Potential?Barcodes?to?Discriminate?Dalbergia?Species［J］.PLOS?ONE，2015，10（11）：e142965.

［16］Hartvig?I，Czako?M，Kjr?E?D，et?al.The?Use?of?DNA?Barcoding?in?Identification?and?Conservation?of?Rosewood?（Dalbergia?spp.）［J］.PLOS?ONE，2015，10（9）：e138231.

［17］殷亞方.從DNA條形碼到木材識(shí)別：第三屆中國(guó)林業(yè)學(xué)術(shù)大會(huì)［C］.福州，2013.

［18］余敏.降香黃檀與越南黃檀木材DNA條形碼篩選與鑒定研究［D］.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2015.

［19］鄧格求，呂葉香，余鴻發(fā)，等.刺猬紫檀木材DNA條形碼鑒定研究［J］.安徽農(nóng)學(xué)通報(bào)，2018，24（05）：2325.

［20］Whitlock?B?A，Hale?A?M，Groff?P?A.Intraspecific?inversions?pose?a?challenge?for?the?trnHpsbA?plant?DNA?barcode［J］.PLoS?One，2010，5（7）：e11533.

［21］李超，王正亮，楊倩倩，等.DNA條形碼技術(shù)的應(yīng)用研究［J］.中國(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，25（03）：231237.

［22］HAJIBABAEI?M，SMITH?M?A，JANZEN?D?H，et?al.A?minimalist?barcode?can?identify?a?specimen?whose?DNA?is?degraded［J］.Molecular?Ecology?Notes，2006，6（4）：959964.

作者簡(jiǎn)介：李學(xué)謙（1996—?），男，碩士研究生，主要從事法醫(yī)物證學(xué)研究。

*通訊作者：林子清（1961—?），男，教授，主要從事法醫(yī)學(xué)研究。