植物揮發(fā)物的生物信息學(xué)分析

植物揮發(fā)物的生物信息學(xué)分析

植物是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。另一方面，它從環(huán)境中吸收二維，通過(guò)光合作用生成有機(jī)物，釋放02，凈化空氣。另一方面，它還可以在環(huán)境中釋放分解有機(jī)物質(zhì)（vocs）。幾乎任何植物在其特定的時(shí)間和空間范圍內(nèi)都會(huì)產(chǎn)生具有種或者品系特征的氣味,這是植食性昆蟲(chóng)準(zhǔn)確尋找、鑒別其寄主植物的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。目前,已經(jīng)鑒定出數(shù)百種植物的氣味成分,這些成分主要可分為醇類(lèi)、醛類(lèi)、酮類(lèi)、酯類(lèi)、萜烯類(lèi)和芳香族類(lèi)等。VOCs是植物的次生代謝產(chǎn)物,植物通過(guò)釋放VOCs表明身份,吸引傳粉昆蟲(chóng)和植食性昆蟲(chóng),還可通過(guò)改變VOCs的組成或釋放量來(lái)展示它們的生理狀態(tài),以及它們所遭受的生存壓力。植物受到危害后,還會(huì)釋放吸引天敵昆蟲(chóng)的互益素。因此,在生態(tài)系統(tǒng)中,植物VOCs是重要的化學(xué)信息傳遞物質(zhì),成功地收集并準(zhǔn)確地分析鑒定出植物VOCs成分是當(dāng)前生物學(xué)、化學(xué)生態(tài)學(xué)和昆蟲(chóng)行為學(xué)研究的基礎(chǔ)。筆者對(duì)目前常用的植物揮發(fā)物收集方法進(jìn)行了概述,并對(duì)其進(jìn)行了比較分析。1揮發(fā)油的提取溶劑提取法是直接將產(chǎn)生氣味的植物組織或者器官用有機(jī)溶劑浸泡一段時(shí)間后,取浸提液進(jìn)行過(guò)濾、濃縮至一定體積的粗提物。選擇適當(dāng)溶劑是溶劑提取法的關(guān)鍵。常見(jiàn)溶劑的親脂性的強(qiáng)弱順序?yàn)?親水性則相反):石油醚>苯>氯仿>乙醚>乙酸乙酯>丙酮>乙醇>甲醇。羅比奎(Robigvet)在1835年首先用溶劑法對(duì)揮發(fā)油浸提成功,并逐步實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。溶劑提取法利用低沸點(diǎn)的石油醚、乙醚等有機(jī)溶劑在回流提取器中加熱提取,提取液蒸去溶劑,則可獲得粗制揮發(fā)油。孫曉玲用戊烷對(duì)小葉榆(UlmuspumilaLnni.)和白樺(BetulaplatyohyllaSuk)的韌皮部進(jìn)行了萃取,對(duì)主要揮發(fā)物成分進(jìn)行了鑒定。選用不同的有機(jī)溶劑,提取的揮發(fā)物也不同,要根據(jù)提取的目的選用最適合的溶劑。董道青用正己烷、甲醇、氯仿、乙酸乙酯、乙醇5種有機(jī)溶劑對(duì)夾竹桃葉進(jìn)行提取,發(fā)現(xiàn)正己烷提取物對(duì)福壽螺的毒殺活性最高,但綜合考慮各溶劑提取物的殺螺活性、提取效率、有機(jī)溶劑價(jià)格、毒性等因素認(rèn)為,乙醇是一種比較理想的提取夾竹桃葉中殺螺活性成分的有機(jī)溶劑。2水溶液蒸餾法水蒸氣蒸餾法是用水蒸氣將目的物質(zhì)從其與水組成的混合體系中提取出來(lái)的過(guò)程。用水蒸氣蒸餾產(chǎn)生氣味的植物組織或器官,蒸出汽體冷凝后形成餾出液,然后用溶劑將揮發(fā)性化合物從水中萃取、濃縮成一定濃度的粗提物。水蒸氣蒸餾法適用于能隨水蒸氣蒸餾而不破壞植物中的有效成分,與水不發(fā)生反應(yīng)、且難溶或不溶于水的成分的提取。此類(lèi)成分的沸點(diǎn)多在100℃以上,與水不相混溶或僅微溶,且在約100℃時(shí)存在一定的蒸氣壓?！F波用水蒸汽蒸餾法提取艾油,程立超用水蒸汽蒸餾萃取楊樹(shù)皮揮發(fā)物,楊燕用水蒸汽蒸餾法提取云南松松針的揮發(fā)性化學(xué)成分。水蒸汽蒸餾法在藥材和精油的提取上比較常用,在農(nóng)林業(yè)害蟲(chóng)防治方面,由于此種方法存在著與水相溶的物質(zhì)、沸點(diǎn)低的物質(zhì)提取不出來(lái)等問(wèn)題而應(yīng)用不普遍。3超臨界流體提取法20世紀(jì)70年代,前蘇聯(lián)用液態(tài)CO2對(duì)揮發(fā)油進(jìn)行提取,現(xiàn)已發(fā)展成當(dāng)今較先進(jìn)的超臨界液體CO2萃取技術(shù)。它是將CO2壓縮調(diào)溫(7.3MPa,31℃以上)達(dá)到超臨界狀態(tài),用以萃取分離各種有用物質(zhì),代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有機(jī)溶劑萃取。在超臨界狀態(tài)下,將超臨界流體與待分離的物質(zhì)接觸,使其有選擇性地把極性大小、沸點(diǎn)高低和分子量大小的成分依次萃取出來(lái),然后借助減壓、升溫的方法使超臨界流體變成普通氣體,被萃取物質(zhì)則完全或基本析出,從而達(dá)到分離提純的目的。超臨界流體提取已經(jīng)廣泛用于天然產(chǎn)物有效成分的提取分離上。例如:提取山茱萸的有效成分、當(dāng)歸與川芎?jiǎn)螐?fù)方中的藥效成分;提取側(cè)柏樹(shù)干組分并用于雙條杉天牛的EAG反應(yīng);提取土荊芥精油,對(duì)組成成分進(jìn)行分析,并應(yīng)用于小菜蛾生物活性的研究。4主植物揮發(fā)物動(dòng)態(tài)頂空采樣法廣泛應(yīng)用于采集活體植物的VOCs,是目前采集寄主植物揮發(fā)物最為常用的方法。整個(gè)裝置是一個(gè)密閉的氣路,采樣時(shí)將活體植物放入密閉的采樣室,抽走內(nèi)部空氣,泵入經(jīng)活性炭過(guò)濾的干凈空氣,在氣泵的帶動(dòng)下使采樣室的氣體循環(huán),達(dá)到提取的目的。4.1氣調(diào)與蒸發(fā)作用1972年,Jennings等提出用多孔高聚物樹(shù)脂做吸附劑的吸附收集法,用于收集芳香型天然植物的揮發(fā)性成分。常見(jiàn)的吸附劑有活性炭、PoraPakQS、XAD系列樹(shù)脂和TenaxGC、SuperQ等。在半封閉容器中放入待測(cè)樣品,利用惰性氣體或空氣在密閉氣路中流動(dòng),帶出容器內(nèi)樣品的揮發(fā)性成分,通過(guò)吸附管時(shí)被吸附劑吸附而分離出來(lái)。采樣后的吸附管通過(guò)熱脫附——低溫——捕集被熱解析出,也可以用溶劑洗脫析出。Sergio對(duì)此裝置進(jìn)行了比較詳盡的描述。4.2單級(jí)或多級(jí)過(guò)濾介質(zhì)過(guò)濾過(guò)的植物生長(zhǎng)特性用惰性袋套住待采物后,用氣泵抽去袋內(nèi)雜質(zhì)空氣,使袋內(nèi)瞬時(shí)達(dá)到近真空狀態(tài),然后立即沖入經(jīng)過(guò)活性炭等單級(jí)或多級(jí)過(guò)濾介質(zhì)過(guò)濾過(guò)的純凈空氣。保持袋內(nèi)氣體容量,在采樣室出口處連接的收集管將收集的氣體導(dǎo)入真空的不銹鋼罐,然后即可進(jìn)行分析。此方法簡(jiǎn)便易行,可以收集到大量的植物VOCs。此方法不用有機(jī)溶劑提取,能避免和摻雜其他物質(zhì),能夠真實(shí)、快捷地反映植物VOCs組分及比例。5采樣裝置的組成1998年,電子鼻(zNoseTM)的問(wèn)世,為化學(xué)生態(tài)研究領(lǐng)域提供了一項(xiàng)新式武器,可用于檢測(cè)空氣、土壤、水以及其它物質(zhì)中所釋放的氣體,主要包括一個(gè)可移動(dòng)的采樣裝置(由抽氣泵接一根填充Tenax的吸附柱,并附有一個(gè)加熱裝置組成)、一根短的氣相色譜柱和一個(gè)表面聲波檢測(cè)器。電子鼻是一臺(tái)小型氣相色譜儀,因此它不能像GC-MS那樣通過(guò)質(zhì)譜圖和保留時(shí)間的配合進(jìn)行定性分析,并且由于某些化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)品很難獲得以及很多物質(zhì)的保留時(shí)間十分接近甚至相同,所以不適合直接應(yīng)用zNoseTM對(duì)未知樣品進(jìn)行定性分析。但是,通過(guò)比對(duì)GC-MS對(duì)未知樣品的分析結(jié)果并結(jié)合化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)品的保留時(shí)間,就可解決這個(gè)問(wèn)題。6頂空萃取法固相微萃取(SPME)是近些年發(fā)展起來(lái)的采集微量氣體的新技術(shù),集采樣、萃取、濃縮為一體,其外形及裝置與普通進(jìn)樣器相似,SPME由手柄(Holder)和萃取頭(Fiber)兩部分構(gòu)成,萃取頭是一根涂不同色譜固定相或吸附劑的熔融石英纖維,接不銹鋼絲,外套細(xì)的不銹鋼針管(保護(hù)石英纖維不被折斷及進(jìn)樣),纖維頭可在針管內(nèi)伸縮,手柄用于安裝萃取頭,可永久使用。它的關(guān)鍵部位是一段熔融石英纖維,其外壁涂有一層氣相色譜固定液,液膜的材料和厚度決定著固相微萃取的選擇性。通過(guò)控制萃取纖維的極性、厚度、維持取樣時(shí)間的穩(wěn)定以及調(diào)節(jié)酸堿度、溫度等各種萃取參數(shù),可實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)組分的高重復(fù)性、高準(zhǔn)確度的測(cè)定。這種方法因其萃取頭昂貴,不能在實(shí)踐中廣泛使用。目前,在揮發(fā)物采集方面強(qiáng)調(diào)要盡可能地采集自然狀態(tài)下植物的揮發(fā)性物質(zhì),使其基本能夠反應(yīng)出植物在活體狀態(tài)時(shí)體內(nèi)VOCs的組成。就上述幾種常用的采集方法而言,溶劑萃取是利用溶劑和各溶質(zhì)間的親和性(表現(xiàn)在溶解度)的差異來(lái)實(shí)現(xiàn)分離的;蒸餾是利用溶液中各組分的揮發(fā)度(蒸汽壓)的不同來(lái)實(shí)現(xiàn)分離的。這二種方法相對(duì)容易操作,有可能使揮發(fā)油中的某些成分分解,特別是一些低沸點(diǎn)的VOCs容易丟失,使提取物質(zhì)不能真實(shí)反映出活體植物VOCs的組成和含量。頂空采樣GC-MS對(duì)VOCs中小分子物質(zhì)的檢測(cè)能力較差;而SPME-GC-MS不能對(duì)VOCs進(jìn)行定量分析。此外,這兩種技術(shù)在吸附柱的清洗與淋洗、萃取頭的解吸以及取樣等過(guò)程中都將花費(fèi)大量的時(shí)間與勞力。而超臨界CO2萃取則是通過(guò)調(diào)節(jié)CO2的壓力和溫度來(lái)控制溶解度和蒸汽壓這二個(gè)參數(shù)進(jìn)行分離的,故超臨界CO2萃取綜合了溶劑萃取和蒸餾的二種功能和特點(diǎn),但該方法不適于野外操作。動(dòng)態(tài)頂空收集法避免了收集時(shí)對(duì)植物體的