辣椒疫病的傅里叶变换红外光谱研究

杨春艳+刘飞+吉恒+胡琼

摘要：用傅里叶变换红外光谱（FTIR）仪测试了成株期辣椒正常植株和疫病植株的叶、茎、主根和须根4个部位的光谱。光谱显示，2种植株叶片中的主要成分是蛋白质、多糖和脂类物质，茎、主根和须根中主要成分是蛋白质、纤维素和木质素；与正常植株相比，疫病植株叶片中蛋白质和多糖组成或结构发生了变化，茎中3种成分均有升高，其中以蛋白质含量的增加尤为显著，主根和须根中均显示纤维素相对含量减少，蛋白质相对含量增加，且出现了新的蛋白质组分。对正常和病变植株相同部位的光谱在4 000～2 800 cm-1、1 800～1 200 cm-1和1 200～700 cm-1 3个范围进行了相关性分析，4个部位在4 000～2 800 cm-1 范围的相关度较高，均在0.984以上，叶、茎、主根和须根在1 800～1 200 cm-1 范围相关系数分别只有0.621、0.409、0.910和0.790。结果表明，FTIR可以区分疫病对辣椒植株不同部位的影响，有望为辣椒疫病的研究提供光谱信息。

关键词：傅里叶变换红外光谱；辣椒；疫病；相关性分析

中图分类号： O657.33文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）06-0113-03

收稿日期：2013-09-01

基金项目：云南省教育厅基金（编号：2013Y480）。

作者简介：杨春艳（1979—），女，云南祥云人，讲师，从事物理教学和光谱研究工作。Tel（0877）2053601；E-mail：ychyky@163.com。辣椒，又名番椒、海椒、辣子等，是茄科辣椒属一年生或多年生作物，果实营养价值丰富，在蔬菜生产中占有重要地位。辣椒疫病是由辣椒疫霉菌引起的一种全生育期均可发病的土传真菌病害[1-2]，可侵染辣椒的根、茎、叶和果实。美国最早于1918年开始报道该病，我国1940年在江苏省首次报道此病发生，现在全国各地普遍发生[3]。一般发病率为5%～65%，平均达24.4%，发生严重的可减产4.0%～7.0%，甚至绝收[4]，是辣椒生产上的一种世界性分布的毁灭性病害。国内外对辣椒疫病的发生、防治及疫霉菌的生物学特性和常规鉴定已进行过研究报道[5]，但这些研究都没有反应病菌的化学组成信息或病菌对染病植株化学组成信息的影响。

傅里叶变换红外光谱（FTIR）是一种能够提供分子化学结构信息的技术，利用FTIR技术可以对样品进行定性和定量无损分析，根据红外吸收光谱的谱峰位置可以鉴定多种有机化合物及官能团的存在，而利用光谱吸收强度可以定量地计算出各种化学组分在样品中的相对含量[6]。目前，FTIR技术已经应用于农作物病害的研究，如任先培等用FTIR研究病害烟叶[6]；刘飞等利用FTIR研究油菜根肿病[7]；欧全宏等用FTIR研究稻瘟病、玉米锈病和蚕豆锈病叶片[8]，但研究辣椒病害方面还未见报道。本研究用FTIR技术对成株期正常辣椒和疫病辣椒4个不同部位的红外光谱进行对比分析，探讨了正常辣椒和疫病辣椒同一部位所含化学信息的差异，以期为辣椒疫病的研究提供参考。

1材料与方法

1.1仪器设备和测试条件

所用仪器为PE公司生产的Frontier型傅里叶变换红外光谱仪，装备DTGS检测器，累加扫描次数为16次，扫描范围为4 000～400 cm-1，分辨率为4 cm-1，光谱数据用OMNIC 80软件处理。

1.2样品制备及光谱预处理

测试的所有样品均是辣椒成株期样品，正常辣椒植株和疫病辣椒植株均采自红塔区北城镇，并经农职技术人员鉴定。样品经自然晾干，除去根部泥土，保存待测。取样时叶片、茎、主根和须根均取相同或相近部位，将样品放入玛瑙研钵磨为细粉，再加入溴化钾搅磨均匀，然后压片测定光谱。所有光谱都已扣除背景光，并使用OMNIC 8.0 软件进行自动基线校正、平滑和归一化处理。

2结果与讨论

2.1正常植株与疫病植株叶的红外光谱图的比较分析

为正常植株和疫病植株叶片的红外光谱图，其中a是正常植株的叶片光谱，b和c分别是疫病植株叶片无病斑处和病斑处的光谱，谱图都以1 630 cm-1附近的吸收峰为参考进行了归一化处理。3 330 cm-1附近出现的宽峰属羟基O—H和氨基N—H伸缩振动，2 959 cm-1和2 927 cm-1附近峰分别归属亚甲基和甲基的C—H反对称伸缩振动。正常植株叶片光谱中，1 730 cm-1附近弱峰为酯羰基CO的伸缩振动峰，说明辣椒叶片中含有脂肪类化合物。1 648 cm-1附近的强峰主要是酰胺Ⅰ带吸收，归属CO的伸缩振动[9]，为光谱第二强峰，由于没有1 540 cm-1附近的吸收峰存在，所以可以判断辣椒叶片中含有的酰胺大多为叔酰胺[10]。1 445 cm-1 附近为甲基的C—H剪式振动，1 319 cm-1为芳香胺中C-N伸缩振动，1 261 cm-1附近为酰胺Ⅲ带C-N伸缩振动、N-H变形振动[10]，说明样品中含有蛋白质类物质。位于1 140、1 121、1 071cm-1的宽峰，主要是多糖类物质C—O和C—O—C的伸缩振动[11]，881 cm-1附近是纤维素中C—H振动吸收峰[10]，781 cm-1附近为C—O对称弯曲振动吸收[12]。叶片光谱的上述特征，表明叶片中的主要物质成分为蛋白质、多糖和脂类物质。

在疫病叶片（病斑处和病斑附近）的光谱中，反映酯羰基CO伸缩振动的吸收峰峰位与正常植株相同，但强度有所增强；在酰胺带吸收区，反映蛋白质酰胺Ⅰ带CO 伸缩振动吸收峰的相对强度明显超过正常植株，成为最强峰，反映酰胺Ⅲ带吸收的1 261 cm-1处峰的相对强度也明显增加，新增了反映酰胺Ⅱ带吸收的1 546 cm-1弱峰，说明疫病植株叶片中含有蛋白质类物质。在1 500～1 200 cm-1 区域，比正常植株叶片光谱增加了1 389 cm-1处吸收峰，同时1 445 cm-1附近峰由最强峰变为弱峰，这可能与疫病植株叶片光谱中增加的蛋白质类物质有关。在1 200～1 000 cm-1 区域，只显示了1 071 cm-1 处峰，且相对强度显著强于正常植株在该处的光谱，说明多糖类物质的组成或结构有变化。在1 000～700 cm-1 区域，只出现了781 cm-1附近峰，其相对强度比正常植株叶片光谱在该处的稍强。光谱特征表明，疫病植株叶片中的主要成分仍为蛋白质、多糖和脂类物质。光谱差异表明，疫病植株叶片中3类营养物质的含量比正常植株中的高，说明辣椒疫病影响了辣椒叶片中营养物质的含量，同时还影响蛋白质和多糖的组成和结构。

2.2正常植株与疫病植株茎的红外光谱图的比较分析

为正常植株与疫病植株茎的红外光谱图，其中a是正常植株茎的光谱，b和c分别是疫病植株茎部无病斑处和病斑处的光谱，谱图都以1 384 cm-1附近的吸收峰为参考进行了归一化处理。

，正常植株茎的光谱和疫病植株茎部无病斑处和病斑处的光谱整体非常相似。1 735 cm-1附近的吸收是纤维素中羰基CO的伸缩振动峰，1 645～1 626 cm-1宽峰为酰胺Ⅰ带和木质素中羰基CO伸缩振动吸收峰，1 250 cm-1 附近的吸收是木质素酚醚键C—O—C骨架振动峰[12]，且1 645～1 626 cm-1处吸收峰强度高于1 250 cm-1处强度，说明样品中含有蛋白质和木质素。1 384 cm-1附近吸收是纤维素中甲基的C—H对角振动，1 158 cm-1的吸收峰和1 106～1 060 cm-1附近的宽峰，主要是纤维素中多糖C—O和C—O—C的伸缩振动[13]，说明样品中含有纤维素。茎部光谱的上述特征，表明茎中的主要物质成分是纤维素、蛋白质和木质素。

为红外光谱图a、b和c中3类物质特征峰的相对强度（以1 384 cm-1附近的吸收峰为参考）。由表1可知，b、c中3类物质特征谱峰的相对强度比a中相应谱峰的相对强度强，表明疫病植株茎中蛋白质、纤维素和木质素等3类营养物质比正常植株茎中的稍高，说明辣椒疫病影响了辣椒茎中营养物质的含量。

正常植株和疫病植株茎中3类主要物质吸收峰的相对强度

谱线相对强度1 732

cm-11 645

cm-11 250

cm-11 158

cm-11 106

cm-11 060

cm-1a0.1580.490.1670.4140.341b0.2720.5490.2530.3260.4530.485c0.2980.6750.2980.3970.5760.603

2.3正常植株与疫病植株主根的红外光谱图的比较分析

正常植株和疫病植株主根的红外光谱图，其中a是正常植株的主根光谱，b是疫病植株的主根光谱，谱图都以1 630 cm-1附近的吸收峰为参考进行了归一化处理。

在正常植株的主根光谱中，1 740 cm-1附近是纤维素中羰基CO伸缩振动，1 642～1 628 cm-1的吸收峰主要是蛋白质酰胺Ⅰ带CO伸缩振动吸收，1 383 cm-1附近是纤维素中甲基C—H对称变角振动，1 252 cm-1附近弱峰为木质素酚醚键C—O—C骨架振动[12]。在1 149、1 106、1 058、1 031 cm-1 附近显示的4个阶梯增强的吸收峰，主要是纤维素中 C—O—C伸缩振动。在919、829、781 cm-1附近显示的多个弱吸收峰主要是纤维素、木质素中糖环振动产生的[14]。光谱特征表明，正常植株主根中的主要物质成分为蛋白质、纤维素和木质素。且由于表征纤维素中羰基吸收的吸收峰低于表征木质素吸收的吸收峰，说明纤维素的相对含量比木质素的低。

在疫病植株主根光谱中，反映纤维素和木质素C—O—C伸缩振动的吸收峰峰位与正常植株相同，正常植株在 1 738 cm-1 附近显示有弱吸收，而疫病植株在此位置未显示吸收峰，各阶梯增强峰的相对吸收强度明显低于正常植株，1 252 cm-1 处峰的相对强度比正常植株稍弱，说明纤维素相对含量比正常植株有所下降。在酰胺带的吸收区域显示了吸收峰1 649 cm-1和1 543 cm-1，其中1 649 cm-1附近吸收峰的相对强度与正常植株相同，而表征酰胺Ⅱ带吸收的 1 543 cm-1 处中等强度峰在正常主根光谱中未出现，说明疫病植株主根的蛋白质组分与正常植株相比发生了变化。在 1 000～700 cm-1 区域只显示了781 cm-1附近的吸收峰，且相对强度几乎为正常植株主根中的50%，减少了正常植株主根光谱中体现纤维素中C—H振动的吸收峰919 cm-1和体现木质素中C—H平面弯曲振动的829 cm-1[15]。光谱特征表明，疫病植株主根光谱中的主要成分仍为蛋白质、纤维素和木质素。2种主根光谱的差异表明，疫病植株中纤维素和木质素的相对含量明显比正常植株的低，疫病植株中出现了新的蛋白质类物质。

上述对主根光谱的分析，反映了辣椒主根受到疫病病菌侵蚀后，物质成分的变化情况，病菌降解了主根内的纤维素和木质素，染菌主根中出现了新的蛋白质类物质。

2.4正常植株与疫病植株须根的红外光谱图的比较分析

为正常植株和疫病植株须根的红外光谱图，其中a是正常植株的须根光谱，b是疫病植株的须根光谱，谱图都以1 034 cm-1附近的吸收峰为参考进行了归一化处理。

正常植株与疫病植株的须根光谱显示，须根主要成分是蛋白质、纤维素和木质素。它们的光谱差异主要体现在：（1）在2 927、1 735、1 650～1 628、1 383、1 322、1 258 cm-1附近的吸收峰，疫病植株的相对吸收强度都比正常植株的弱，特别在1 383 cm-1附近，吸收峰相对强度由正常植株的1.0下降至0.374；在1 585～1 482 cm-1区域内，疫病植株的吸收都比正常植株的强；疫病植株在1 428 cm-1附近显示有吸收，但正常植株在此位置未显示吸收。（2）在1 200～1 000 cm-1区域，正常植株的须根光谱显示的谱峰有1 149、1 101、1 037、916、826、780 cm-1，而疫病植株须根光谱显示的谱峰为 1 156、1 034、781 cm-1，其中1 034 cm-1为光谱最强峰。上述光谱差异表明，正常植株须根中纤维素和木质素的相对含量比疫病植株须根中的高，同时疫病植株须根光谱中出现了新蛋白质组分。

另外，在光谱的低波段出现了多个吸收峰，正常植株须根的光谱有669、617、528、470 cm-1，疫病植株须根的光谱有662、528、470 cm-1，这些都是无机化合物的吸收峰。这些吸收峰结合光谱中出现的1 034、917、781 cm-1等吸收峰，构成了高岭土的特征吸收[7，15]，说明样品中含有高岭土，这可能是须根表面附带的少量泥土引起的。

2.5正常植株与疫病植株4个部位红外光谱的相关分析

以上对辣椒正常植株和疫病植株4个不同部位红外光谱的对比分析，反应了疫病对成株期辣椒不同部位的影响，为了更直观地反映这种影响，利用统计分析软件SPSS 18.0对相同部位的辣椒光谱进行相关分析。对同一部位光谱的4 000～2 800 cm-1、1 800～1 200 cm-1、1 200～700 cm-1 3个范围进行相关性分析，2种植株同一部位光谱的相关系数见表2。

由表2 可知，2种植株4个部位的光谱在4 000～2 800 cm-1 范围内高度相关，相关系数都在0.984以上；在 1 200～700 cm-1 范围的相关性比4 000～2 800 cm-1有所下降，特别是叶片光谱相关系数降至0.839；在1 800～1 200 cm-1 范围内相关性较差，叶片、茎、主根和须根的相关系数依次为0.621、0.409、0.910、0.790，说明2种植株光谱的相关性不高，样品的相似程度差，表明疫病对辣椒叶片、茎、主根和须根均有影响，尤其对叶片和茎的影响较大。

正常植株和疫病植株相同部分间的相关系数

3结论

对成株期正常辣椒和疫病辣椒植株叶片、茎、主根和须根的光谱测试和分析，测试结果反映了疫病对辣椒不同部位的影响。病害植株因受病菌的侵染，改变了叶片、茎和根的物质成分和相对含量，不能较好地将营养物质输送到植株的其他部位，影响了辣椒植株的正常生长和辣椒的产量。研究结果表明，傅里叶变换红外光谱可以判断正常辣椒和疫病辣椒植株同一部位所含的化学信息差异，从分子水平上揭示疫病对辣椒植株不同部位的影响，有望为辣椒疫病的研究提供参考，具有方便、易行的优点。

参考文献：

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[15]李小红，江向平，陈超，等. 几种不同产地高岭土的漫反射傅里叶红外光谱分析[J]. 光谱学与光谱分析，2011，31（1）：114-118.

2.5正常植株与疫病植株4个部位红外光谱的相关分析

以上对辣椒正常植株和疫病植株4个不同部位红外光谱的对比分析，反应了疫病对成株期辣椒不同部位的影响，为了更直观地反映这种影响，利用统计分析软件SPSS 18.0对相同部位的辣椒光谱进行相关分析。对同一部位光谱的4 000～2 800 cm-1、1 800～1 200 cm-1、1 200～700 cm-1 3个范围进行相关性分析，2种植株同一部位光谱的相关系数见表2。

由表2 可知，2种植株4个部位的光谱在4 000～2 800 cm-1 范围内高度相关，相关系数都在0.984以上；在 1 200～700 cm-1 范围的相关性比4 000～2 800 cm-1有所下降，特别是叶片光谱相关系数降至0.839；在1 800～1 200 cm-1 范围内相关性较差，叶片、茎、主根和须根的相关系数依次为0.621、0.409、0.910、0.790，说明2种植株光谱的相关性不高，样品的相似程度差，表明疫病对辣椒叶片、茎、主根和须根均有影响，尤其对叶片和茎的影响较大。

正常植株和疫病植株相同部分间的相关系数

3结论

对成株期正常辣椒和疫病辣椒植株叶片、茎、主根和须根的光谱测试和分析，测试结果反映了疫病对辣椒不同部位的影响。病害植株因受病菌的侵染，改变了叶片、茎和根的物质成分和相对含量，不能较好地将营养物质输送到植株的其他部位，影响了辣椒植株的正常生长和辣椒的产量。研究结果表明，傅里叶变换红外光谱可以判断正常辣椒和疫病辣椒植株同一部位所含的化学信息差异，从分子水平上揭示疫病对辣椒植株不同部位的影响，有望为辣椒疫病的研究提供参考，具有方便、易行的优点。

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2.5正常植株与疫病植株4个部位红外光谱的相关分析

以上对辣椒正常植株和疫病植株4个不同部位红外光谱的对比分析，反应了疫病对成株期辣椒不同部位的影响，为了更直观地反映这种影响，利用统计分析软件SPSS 18.0对相同部位的辣椒光谱进行相关分析。对同一部位光谱的4 000～2 800 cm-1、1 800～1 200 cm-1、1 200～700 cm-1 3个范围进行相关性分析，2种植株同一部位光谱的相关系数见表2。

由表2 可知，2种植株4个部位的光谱在4 000～2 800 cm-1 范围内高度相关，相关系数都在0.984以上；在 1 200～700 cm-1 范围的相关性比4 000～2 800 cm-1有所下降，特别是叶片光谱相关系数降至0.839；在1 800～1 200 cm-1 范围内相关性较差，叶片、茎、主根和须根的相关系数依次为0.621、0.409、0.910、0.790，说明2种植株光谱的相关性不高，样品的相似程度差，表明疫病对辣椒叶片、茎、主根和须根均有影响，尤其对叶片和茎的影响较大。

正常植株和疫病植株相同部分间的相关系数

3结论

对成株期正常辣椒和疫病辣椒植株叶片、茎、主根和须根的光谱测试和分析，测试结果反映了疫病对辣椒不同部位的影响。病害植株因受病菌的侵染，改变了叶片、茎和根的物质成分和相对含量，不能较好地将营养物质输送到植株的其他部位，影响了辣椒植株的正常生长和辣椒的产量。研究结果表明，傅里叶变换红外光谱可以判断正常辣椒和疫病辣椒植株同一部位所含的化学信息差异，从分子水平上揭示疫病对辣椒植株不同部位的影响，有望为辣椒疫病的研究提供参考，具有方便、易行的优点。

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