晚香玉花香成分时空动态变化的研究
*通讯作者:钟淮钦,男,副研究员,主要从事观赏植物种质资源评价与创新利用研究。E-mail:zhqeeast@163.com;黄敏玲,女,研究员,主要从事花卉品种选育与生物技术研究。E-mail:huangml618@163.com。同为通讯作者。
作者简介:林榕燕,女,主要从事花卉生物技术研究。E-mail:lryyan@163.com
收稿日期:2017-04-10接受日期:2017-09-11网络出版日期:2017-12-10
基金资助:
福建省省属公益类科研院所专项(2014R1026-12),福建省农业科学院科技创新团队建设(CXTD-2-17)Keyword: Polianthes tuberosa;aromatic constituents;headspace-solid phase microextraction;gas chromatography-mass spectrometry
晚香玉(Polianthes tuberosa), 又名夜来香、月下香, 是龙舌兰科多年生球根类花卉, 原产于中美洲, 目前在中国、法国、美国、印度、摩洛哥等多个国家均有栽培[1]。栽培上主要有2个品种[2], 单瓣品种, 其叶姿潇洒, 叶片坚挺, 其花洁白如玉, 优雅别致, 香味浓郁; 重瓣品种, 香味较淡, 花瓣不易完全展开, 且瓣端容易干缩, 但花瓣外侧有淡淡的紫晕。目前对晚香玉的研究主要集中于繁殖与栽培技术[3, 4]、花期调控[5]、病毒检测[6, 7]、辐射诱变[8]、胚胎发生[9]、切花采后处理[10, 11, 12]等方面, 鲜有对其香气的研究。
花香是构成观赏植物品质的重要因素之一[13]。研究表明, 植物花朵香气成分主要由萜烯类化合物、苯丙酸类化合物和脂肪酸衍生物等一些分子量较低、易挥发的化合物构成, 这些化合物在植物传粉过程中具有重要的作用[14]。然而, 随着育种者对观赏植物的花型、花色、抗性等性状改良的关注, 花香性状被忽视, 越来越多的植物花朵香气不断丧失[15]。晚香玉以其强烈的香味而闻名, 不仅可用作室内切花, 还可作为香水的原料。此外, 晚香玉花、芽、球茎等提取物具有消炎、抗痉挛、利尿、抗菌等功效, 其花香还能刺激大脑和心脏, 改善情绪[16, 17]。但是, 目前有关晚香玉花香成分时空动态变化研究的报道还较少见。在菊花[18]、牡丹[19]、枸骨[20]等植物的花香研究中发现植物的花香随着开花进程的推进表现出不同的变化规律, 花器官不同部位释放的香气成分也存在差异, 而香气化合物的种类、强度和比例对引诱传粉者觅食非常重要[21, 22]。因此, 研究晚香玉花香成分的时空变化在园艺学和生物学方面具有重要意义。
本研究采用顶空固相微萃取(headspace-solid phase microextraction, HS-SPME)和气相色谱-质谱联用(gas chromatography-mass spectrometry, GC-MS)技术, 对晚香玉单瓣和重瓣品种不同花期及单瓣品种花器官不同部位的芳香成分及其含量的变化进行分析, 了解晚香玉开花进程中花香成分的时空动态变化, 从而确定构成晚香玉花香的重要化合物, 旨在为研究晚香玉花香化合物的分子调控机制、指导花香育种奠定基础, 同时为晚香玉的科学采集和有效开发利用提供参考依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
新鲜的晚香玉单瓣品种(Albino)及重瓣品种(Tall double)取自福建省农业科学院作物研究所花卉研究中心花卉资源圃内。单瓣品种取材时期为8月上旬; 重瓣品种取材时期为8月中下旬。
1.2 试验方法
1.2.1 SPME萃取 先将SPME 萃取头于气相色谱仪进样口老化, 老化温度250℃, 老化时间120 min。晚香玉花朵选取10朵花萃取; 花瓣、花苞均采用20朵萃取; 雄、雌蕊分别采用40朵花萃取。萃取方法:花朵、花瓣及花苞分别置于1 L的萃取瓶中, 雌、雄蕊分别置于60 mL萃取瓶中, 而后50℃平衡10 min后, 插入萃取头, 萃取30 min。
1.2.2 GC-MS分析 萃取结束后将纤维头插入GC 进样口, 解吸5 min, 进行GC-MS分析。色谱条件:色谱柱(30 m × 250 μ m × 0.25 μ m); 载气:氦气; 模式:不分流; 流量:1.4 mL· min-1; 进样口温度:250℃; 柱温程序升温:初始温度50℃, 保持2 min, 以5℃· min-1 的速率升到160℃, 保持5 min, 接着以10℃· min-1 的速率上升到250℃ 保持10 min。 质谱条件:电离方式为EI 源, 电离能量70 eV; 离子源温度230℃; 四级杆温度150℃; 全扫描模式, 扫描范围40~600 amu。
1.3 数据分析
各组分质谱经计算机谱库检索及资料分析, 再结合人工谱图解析, 确认香味物质的各个化学成分, 依据总离子流各色谱峰平均峰面积, 并通过面积归一化法, 计算各组分的相对百分含量进行分析, 并采用SPSS18.0软件对数据进行主成分分析。
2 结果与分析
2.1 晚香玉单瓣品种不同花期香气构成分析
为了研究晚香玉单瓣品种开花过程中花香化合物的变化, 按照开花进程将其分为4个不同阶段, 依次为:花蕾期:花瓣、萼片紧紧包裹; 初开期:花瓣、萼片初开放; 半开期:花瓣、萼片半开放; 盛开期:花瓣、萼片完全开放。从晚香玉开花的这4个阶段中共检测出34种化合物, 且随着开花的进程, 花香化合物的种类不断增加, 花蕾期至盛开期分别检出芳香成分9、13、16和31种(表1)。
花蕾期检测到6种萜烯类化合物, 其相对含量高达96.31%, 是主要的香气成分。花蕾期中相对含量较多的芳香成分有大根香叶烯和β -依兰烯, 分别占68.16%和14.98%。此外, β -荜澄茄油烯、(-)-g-荜澄茄烯、水杨酸甲酯、β -古巴烯及α -法呢烯的相对含量均在1.00%以上。
初开期检测到7种萜烯类化合物, 其相对含量达80.34%, 这类化合物是晚香玉单瓣产品种初开期的主要成分, 其中大根香叶烯、α -法呢烯的相对含量分别为38.47%和24.76%。此外, 水杨酸甲酯、β -依兰烯、β -古巴烯、桉油精、苯甲酸甲酯、(-)-g-荜澄茄烯、甲基丁子香酚和苯甲酸苄酯的相对含量均较高, 分别为9.70%、8.40%、5.45%、3.76%、2.71%、2.48%、1.90%和1.43%。初开期独有的香气成分为长叶蒎烯。
半开期检测到的主要化合物种类仍为萜烯类化合物和酯类化合物, 分别为7种和6种, 相对含量较多的成分是萜烯类化合物, 为48.91%。大根香叶烯、甲基异丁子香酚、α -法呢烯是相对含量较多的成分, 分别为25.44%、23.05%和13.28%。此外, 水杨酸甲酯、桉油精、β -依兰烯、苯甲酸甲酯、苯甲酸苄酯、β -荜澄茄油烯、甲基丁子香酚和(-)-g-荜澄茄烯的相对含量依次为8.96%、7.99%、5.09%、4.53%、3.62%、2.53%、2.23%和1.52%。异硫氰酸苄酯是半开期所特有的香气成分, 未在其他时期检测到。
盛开期共检测出芳香成分31种, 主要种类为酯类化合物和萜烯类化合物, 分别为13种和9种。酚类化合物是盛开期中相对含量最高的化合物, 达37.19%, 萜烯类化合物和酯类化合物的相对含量分别为33.57%和25.25%。盛开期中相对含量较多的成分有甲基异丁子香酚、α -法呢烯、苯甲酸苄酯, 分别为32.68%、22.03%和13.65%, 桉油精、苯甲酸甲酯、水杨酸甲酯、3-蒈烯、甲基丁子香酚、β -依兰烯、反式-异丁子香酚、大根香叶烯、橙花叔醇、水杨酸苄酯的相对含量均高于1.00%。
表1 晚香玉单瓣品种不同花期花香成分 Table 1 The of aroma composition in different flowering stage of Polianthes tuberosa cultivar Albino2.2 晚香玉重瓣品种不同花期香气构成分析
为了研究晚香玉重瓣品种开花过程中花香化合物的变化, 按照开花进程将其分为4个不同阶段, 同单瓣品种的一致, 分别为花蕾期、初开期、半开期和盛开期。从晚香玉重瓣品种不同花期共检测出10种化合物, 花蕾期至盛开期分别检出芳香成分3、3、8和8种(表2)。
花蕾期和初开期均检测到3 种芳香成分, 且芳香成分种类一致, 醇类化合物、酯类化合物和其他类化合物各检测到1种。花蕾期, 桉油精、苯甲酸甲酯和2-羟基-3-氰基吡啶的相对含量分别为55.36%、26.76%和17.88%。初开期, 桉油精的相对含量仍最高, 为44.63%, 苯甲酸甲酯和2-羟基-3-氰基吡啶的相对含量分别为35.61%和19.76%。半开期检测到的8种香气成分中酯类化合物有3种, 萜烯类化合物和酚类化合物均为2种, 醇类化合物有1种。半开期的主要成分为甲基异丁子香酚、苯甲酸甲酯、水杨酸甲酯、苯甲酸苄酯、α -柏木萜烯和桉油精, 其相对含量分别为32.55%、19.94%、12.41%、11.22%、10.73%和8.97%; 大根香叶烯是该时期独有的香气成分。盛开期检测到的8种香气成分中有酯类化合物4种, 酚类化合物2种, 萜烯类化合物和醇类化合物均为1种, 该时期的主要成分与半开期的基本相同, 但比例有所不同; 甲基异丁子香酚、苯甲酸甲酯、苯甲酸苄酯、桉油精、水杨酸甲酯和α -柏木萜烯的相对含量分别为33.43%、18.40%、17.14%、12.58%、12.45%和4.00%; 异硫氰酸苄酯仅在盛开期检测到。桉油精和苯甲酸甲酯在晚香玉重瓣品种的4个花期均检测到。
表2 晚香玉重瓣品种不同花期花香成分 Table 2 The aroma composition in different flowering stage of Polianthes tuberosa cultivar Tall double2.3 晚香玉单瓣和重瓣品种不同花期香气成分的动态变化
由图1可知, 随着花的不断发育, 不同花香化合物在开花过程中存在不同的变化趋势。单瓣品种中主要存在3种变化趋势, 分别为萜烯类化合物含量呈现高-低的变化趋势, 醇类化合物含量呈现低-高-低的变化趋势, 酚类和酯类化合物含量均呈现低-高的变化趋势。重瓣品种中同样存在3种变化趋势, 分别为酯类化合物含量呈现低-高的变化趋势, 萜烯类和酚类化合物含量呈现低-高-低的变化趋势, 醇类化合物含量呈现高-低-高的变化趋势。
Figure Option
图1 晚香玉不同品种不同花期主要花香成分相对含量比较Fig.1 Comparision of main aroma composition in different flowering stages and different cultivars of Polianthes tuberosa2.4 晚香玉单瓣和重瓣品种香气组分主成分分析
由表1可知, 桉油精、苯甲酸甲酯、水杨酸甲酯、(-)-g-荜澄茄烯、β -依兰烯、β -古巴烯、大根香叶烯、α -法呢烯是晚香玉单瓣品种4个花期共有的香气成分。利用这8种共有香气成分的相对含量水平作为变量, 采用4个花期作为考察对象, 由表3可知, 前3个主成分的贡献率达100.000%, 其中第1主成分的方差贡献率为58.357%, 反映了苯甲酸甲酯、β -依兰烯、(-)-g-荜澄茄烯、大根香叶烯、α -法呢烯等成分的信息; 第2主成分的方差贡献率为25.152%, 反映了水杨酸甲酯、β -古巴烯的信息; 第3主成分的方差贡献率为16.491%, 反映了桉油精的信息。故苯甲酸甲酯、β -依兰烯、(-)-g-荜澄茄烯、大根香叶烯、α -法呢烯影响了晚香玉单瓣品种不同花期香气类型, 其含量可以用作香气特点的评价。
晚香玉重瓣品种4个花期共有的香气成分为桉油精和苯甲酸甲酯, 分析这2个组分发现, 第1主成分的贡献率为88.691%, 表明对于晚香玉重瓣品种不同花期, 共有香气成分所起的作用基本一致, 因此, 不同花期特有的香气成分对香气类型起关键作用。
表3 前3个主成分初始因子载荷矩阵及累计方差贡献率 Table 3 Component matrix and cumulative contribution of variance of the first three principal components2.5 晚香玉单瓣品种花器官不同部位香气构成分析
为了确定花香成分释放的部位, 对单瓣晚香玉的花瓣、雄蕊和雌蕊中芳香成分及其含量进行研究分析。从单瓣晚香玉花器官不同部位中检测出30种化合物, 其中花瓣检测出21 种, 雌蕊检测出12种, 雄蕊检测出20种(表4)。
在花瓣中鉴定出的21种香气成分, 包括萜烯类化合物9种、酯类化合物7种、醇类化合物2种、酚类化合物2种及酸类化合物1种。花瓣中相对含量最高的化合物为萜烯类化合物, 达57.86%; 其次为酚类化合物, 达31.15%。在单瓣晚香玉花瓣中, 主要香气成分为甲基异丁子香酚、a-法呢烯、大根香叶烯, 其相对含量分别为28.49%、25.33%、22.35%; 此外, 水杨酸甲酯、β -依兰烯、β -古巴烯、甲基丁子香酚、苯甲酸甲酯、(-)-g-荜澄茄烯、苯甲酸苄酯和桉油精的相对含量均高于1.00%。由表4可知, 桉油精、α -异亚硝基苯丙酸、3-蒈烯、α -柏木烯、橙花叔醇、苯甲酸苯乙酯、邻苯二甲酸二异丁酯、邻苯二甲酸二丁酯仅在花瓣中被检测出来。
在雌蕊中鉴定出的12种香气成分, 包括萜烯类化合物7种、酯类化合物3种、烷类化合物1种及酚类化合物1种, 其中相对含量最高的为萜烯类化合物, 高达89.25%。
在雌蕊中释放的香气成分, 主要为大根香叶烯、α -法呢烯和β -依兰烯, 其相对含量分别为47.55%、18.61%和13.30%。此外, β -古巴烯、水杨酸甲酯、甲基异丁子香酚、(-)-g-荜澄茄烯和环十五烷的相对含量也高于1.00%。
在雄蕊中鉴定出的20种香气成分, 包括酯类化合物9种、萜烯类化合物6种、酚类化合物4种和烷类化合物1种, 其中相对含量较高的为萜烯类化合物和酚类化合物, 分别占检出香气成分的63.07%和32.83%。在雄蕊中检测出的香气成分, 主要为α -法呢烯、甲基异丁子香酚、大根香叶烯, 其相对含量分别为31.62%、27.73%、21.89%。β -依兰烯、反式-异丁子香酚、β -古巴烯、 (-)-g-荜澄茄烯、甲基丁子香酚、邻氨基苯甲酸甲酯和异戊酸苯甲酯的相对含量都高于1.00%。此外, 还有8种化合物仅在雄蕊中发现, 包括丙酸苄酯、异丁酸苄酯、香叶酸甲酯、邻氨基苯甲酸甲酯、丁酸苯甲酯、丁子香酚、反式-异丁子香酚、2, 2-二甲基丙酸-2-苯基乙酯。
表4 晚香玉单瓣品种花器官不同部位释放花香成分 Table 4 The aroma composition in different parts in of flower organs in Polianthes tuberosa cultivar Albino对晚香玉单瓣品种花器官不同部位共有的9个香气组分进行主成分分析, 结果显示, 前2个主成分的累计方差贡献率达100.000%, 其中第1主成分的方差贡献率为75.095%, 反映了β -依兰烯、β -古巴烯、(-)-g-荜澄茄烯、大根香叶烯、甲基异丁子香酚和α -法呢烯等成分的信息; 第2主成分的方差贡献率为24.905%, 反映了水杨酸甲酯和异戊酸苯甲酯的信息。故β -依兰烯、β -古巴烯、(-)-g-荜澄茄烯、大根香叶烯、甲基异丁子香酚、α -法呢烯和各部位独有的香气组分影响了晚香玉单瓣品种花器官不同部位的香气类型。
3 讨论
晚香玉从花蕾到盛开的发育过程中, 香气逐渐变浓, 在此过程中那些大量增加或存在的挥发性物质对其香气具有重要意义[23]。在单瓣品种中, 随着花的不断发育, 萜烯类化合物含量虽然呈现高-低的动态变化, 但其在花发育过程中始终存在, 且相对含量均高于31.00%; 酯类和酚类化合物含量则呈现低-高的趋势, 其相对含量随着花朵的发育有所增加, 在盛开期达到最高值。在重瓣品种中, 酯类化合物随着花不断发育, 其含量不断上升, 且在不同花期的相对含量均较高; 酚类化合物在花蕾期和初开期未检测到, 但在半开期和盛开期的相对含量均较高。综上, 晚香玉不同花期的香气成分种类和相对含量不同。与在紫丁香[24]、卡特兰[25]、栀子花[26]等不同花期香气成分研究的结果相同。
对晚香玉2个品种不同花期香气组分的主成分分析结果显示, 部分共有组分和不同花期独有的香气组分影响了晚香玉单瓣品种不同花期香气类型; 而在重瓣品种中, 不同花期共有组分所起的作用基本一致, 起主导作用的是不同花期所特有的一些香气成分, 如半开期的大根香叶烯、盛开期的异硫氰酸苄酯等。通过比较晚香玉不同品种相同花期中的香气成分发现, 在4个不同花期中, 检测到的单瓣品种香气种类均高于重瓣品种; 在花蕾期和初开期, 单瓣品种的主要成分均为萜烯类化合物, 如大根香叶烯、β -依兰烯、α -法呢烯, 而重瓣品种的主要成分为桉油精和苯甲酸甲酯; 在半开期和盛开期, 单瓣品种的主要成分以萜烯类和酚类化合物为主, 而重瓣品种以酯类和酚类化合物为主。本研究中, 酚类化合物主要是甲基异丁子香酚, 使晚香玉的花香清甜带辛香[27]。研究表明, 萜烯类化合物大多数都具有较浓郁的香气和生物活性, 如大根香叶烯味甜, 有薄荷、木香、药草等香味[28]; 而酯类化合物大多数具有花果香气, 如苯甲酸甲酯和水杨酸甲酯具有冬青叶香味[29], 这可能是晚香玉单瓣品种与重瓣品种香味存在差异的原因。不同品种晚香玉的花香成分存在差异, 这一结果与桂花[30]、文心兰[31]、小苍兰[32]、茶花[33]等的香气成分研究结果一致。
以盛开期为例, 本研究中2个品种晚香玉共有的主要成分为甲基异丁子香酚、苯甲酸苄酯、桉油精、苯甲酸甲酯和水杨酸甲酯。研究显示, 乙酸苯甲酯是影响梅花花香特征的重要成分[34]; β -紫罗兰酮、桉油醇、双花醇、反式-氧化芳樟醇、芳樟醇和3, 4, 5-三甲氧基甲苯是山矾花的主要香气成分[35]; 茉莉酸甲酯、茉莉酮酸甲酯和金合欢醇是建兰的主要花香来源[36], 表明不同花卉种类间的主要香气成分存在较大差异。而在晚香玉净油的成分研究[37]中发现, 单瓣晚香玉和重瓣晚香玉主成分是α -松油醇、邻氨基苯甲酸甲酯、甲基异丁子香酚、金合欢醇、苯甲酸苄酯、水杨酸苄酯等, 表明经提取后的精油成分和鲜花香气成分存在较大差异, 这与薛敦渊等[38]对苦水玫瑰鲜花及其精油的香气成分研究的结论一致。
对晚香玉单瓣品种花器官不同部位释放的主要成分分析发现, 不同部位释放的香气成分的种类和相对含量存在差异。雌蕊共释放12种化合物, 主要为萜烯类化合物, 其相对含量高达89.25%; 花瓣和雄蕊分别检测到21种和20种香气组分, 主要为萜烯类和酚类化合物。王洁等[39]对厚朴花香气成分、赵印泉等[40]对梅花香气成分的研究均显示, 不同部位释放的香气成分的种类和相对含量存在差异。
综上, 不同品种晚香玉开花的不同时期和花器官不同部位, 释放的香气成分种类和相对含量存在较大差异。导致这些差异的原因可能是由于晚香玉不同品种基因型的不同、复杂的花香调节模式以及香气成分积累模式的不同[41, 42, 43]。因此, 对晚香玉花香成分进行系统地分析, 通过分子生物学等手段克隆晚香玉调控花香的相关基因, 分析其功能, 解析晚香玉花香基因生物合成途径的网络调控, 从而为花香化合物基因的代谢与调控提供理论依据是下一步研究的重点。
4 结论
晚香玉不同花期的花香测定结果表明, 不同花期的香气成分种类和相对含量不同, 随着花的不断发育, 单瓣品种中萜烯类化合物呈现高-低的变化趋势, 醇类化合物呈现低-高-低的变化趋势, 酚类和酯类化合物含量均呈现低-高的变化趋势; 重瓣品种中酯类化合物呈现低-高的变化趋势, 萜烯类和酚类类化合物呈现低-高-低的变化趋势, 醇类化合物呈现高-低-高的变化趋势。以盛开期为例, 2个品种晚香玉共有的主要成分为甲基异丁子香酚、苯甲酸苄酯、桉油精、苯甲酸甲酯和水杨酸甲酯, 且不同部位释放的香气成分的种类和相对含量存在差异, 雌蕊主要释放萜烯类化合物, 花瓣和雄蕊主要释放萜烯类和酚类化合物。
The authors have declared that no competing interests exist.
参考文献
[1]Saborni M, Utkarsh R M, Paramita B, Tanmoy S, Adinpunya M.相关知识
流域植被覆盖格局时空演变研究综述
‘西伯利亚’百合花香随开花进程变化及日变化规律
丁香花的香气来源与变化（揭秘丁香花香的成分及其独特性）
晚香玉的花语及传说（探寻晚香玉花的秘密与传说）
祁连山乌鞘岭东段植被指数及土壤二氧化碳通量时空变化特征研究
苏北潮滩温室气体排放的时空变化及影响因素
膜下滴灌棉花土壤水分动态变化研究
垂丝海棠花蕾和花挥发性成分研究
晚香玉
生态环境学院王芸芸副教授在被子植物花对称性的时空格局及其对气候变化的响应领域取得研究新进展
网址: 晚香玉花香成分时空动态变化的研究 https://m.huajiangbk.com/newsview220701.html
| 上一篇: 每天认识一个美丽的有机化合物：今 |
下一篇: 素馨花的功效与作用 |
