芳香类唐菖蒲花香成分分析.pdf

江西农业学报 2023，35（10）：2633ActaAgriculturaeJiangxiDOI:10.19386/ki.jxnyxb.2023.10.005芳香类唐菖蒲花香成分分析葛金涛1，汤雪燕1，邵小斌1，孙明伟1，赵统利1，朱朋波1，葛徐芳2，华小平2，王江英1*（1.连云港市农业科学院，江苏 连云港 222000；2.东海县花卉研究推广站，江苏 东海 222300）摘 要:为分析芳香类唐菖蒲挥发性物质的成分，选取了Yehuo、Alatus、Carnatus、Angustus和Tritis共5个唐菖蒲品种进行了GC-MS挥发性代谢组分析。结果表明，芳香类唐菖蒲共检测出挥发性物质624种，分为16类，其中具香味挥发性物质314种。其中芳樟醇、紫苏烯、-氧化蒎烯、-紫罗兰酮、小茴香酮和-罗勒烯6种萜类物质在5个品种中含量均较高。通过定量分析发现，唐菖蒲香味类型分为3种类型，Alatus、Yehuo和Carnatus这3个品种的具香味挥发性物质以萜类物质芳樟醇为主，品种Angustus具香味挥发性物质以含氮化合物柠檬腈为主，而品种Tritis以苯丙酸类/苯环型化合物苯甲酸甲酯和子香酚为主。综上表明，芳香类唐菖蒲作为春花型唐菖蒲的一个大类，其品种间的花香物质成分具有非常大的差异，通过杂交育种可以进一步丰富芳香类唐菖蒲花香类型。关键词:芳香；唐菖蒲；代谢组；萜类；花挥发物质 中图分类号：S682.2+4 文献标志码：A 文章编号：1001-8581（2023）10-0026-08Analysis of Aroma Composition of Aromatic Gladiolus GEJin-tao1,TANGXue-yan1,SHAOXiao-bin1,SUNMing-wei1,ZHAOTong-li1,ZHUPeng-bo1,GEXu-fang2,HUAXiao-ping2,WANGJiang-ying1*(1.LianyungangAcademyofAgriculturalSciences,Lianyungang222000,China;2.DonghaiFlowerResearchandExtensionStation,Donghai222300,China)Abstract:InordertoanalyzetheconstituentsofvolatilesubstancesofaromaticGladiolus,fivevarietiesofYehuo,Alatus,Carnatus,AngustusandTritiswereselectedforGC-MSvolatilemetabolomeanalysis.Theresultsshowedthat624kindsofvolatilesubstancesweredetectedinaromaticGladiolus,whichweredividedinto16kinds,amongwhich314kindswerearomaticvolatilesubstances.Sixterpenoids,includinglinalool,perillene,-pineneoxide,-ionone,fenisoneand-basil,hadhighcontentinthefivevarieties.ThequantitativeanalysisshowedthatthearomatypesofGladiolusweredividedintothreetypes.ThearomaticvolatilesubstancesofAlatus,YehuoandCarnatusweremainlytheterpenoidlinalool.ThearomaticvolatilecompoundsofAngustusaremainlynitrogenouscompoundscitronitrile,whileTritisismainlyphenylpropionicacids/phenylringcompoundsmethylbenzoateandcarbanol.Inconclusion,asamajorcategoryofspringGladiolus,thefloralconstituentsofaromaticGladiolusareverydifferentamongvarieties,andthefloraltypesofaromaticGladioluscanbefurtherenrichedthroughcrossbreeding.Key words:Aroma;Gladiolus;Metabolome;Terpenes;Flowervolatiles唐菖蒲（Gladiolus hybridusHort.）为鸢尾科唐菖蒲属的多年生球茎类植物，被称为世界四大切花之一1-2，广泛栽培于世界各地。该属目前约有260个种3，依开花习性可分为春花型品种与夏花型品种4。春花型品种植株较矮小，茎叶纤细，花轮小型，耐寒性强，并且部分品种具有香味；而夏花型品种植株高大，小花数多，花大而美丽，但无具香味品种，目前切花栽培用的唐菖蒲均为夏花型品种1。夏花型切花唐菖蒲栽培品种源自柯氏唐菖蒲、甘德唐菖蒲等少数几种原生品种，许多抗性强、具有芳香的唐菖蒲原生品种没有进入现代栽培品种的育种体系4-5。而花香作为花卉的灵魂，具有芳香的唐菖蒲品种会更加令人心旷神怡。随着消费者对花卉品种观赏性需求的不断提高，选育芳香类唐菖蒲的切花品种已成为越来越多唐菖蒲育种收稿日期：2023-06-25基金项目：连云港市财政专项（QNJJ2207）；江苏省苏北科技专项（SZ-LYG202135）。作者简介：葛金涛（1987），男，山东安丘人，高级农艺师，硕士，主要从事球根花卉新品种选育与栽培技术研究。*通信作者：王江英。10 期葛金涛等：芳香类唐菖蒲花香成分分析27者的共识6-8，丰富的、具有芳香的春花型唐菖蒲品种使这一选育方向成为可能。为探究芳香类唐菖蒲的花香物质成分，为后期开展香味物质成分调控机理研究奠定基础，本试验选取5个芳香类唐菖蒲品种，采用顶空固相微萃取（HS-SPME）和气相色谱质谱联用（GC-MS）技术，分析芳香类唐菖蒲的主要香味物质及品种间的差异。1 材料和方法1.1 试验材料供试的Yehuo、Alatus、Carnatus、Angustus和Tritis（其中Alatus为Yehuo的杂交母本）5个品种均取自连云港市农业科学院花卉资源圃（图1），盆栽种植，正常肥水管理。ABCDEA.Yehuo；B.Alatus；C.Carnatus；D.Angustus；E.Tritis。图1 供试品种图谱1.2 试验方法挑选盛开期长势一致的花朵并立即用液氮进行冷冻处理，随后用干冰邮寄。试验样品均由武汉迈特维尔生物科技有限公司进行GC-MS挥发性代谢组分析。具体试验流程见图2。图2 代谢组学分析流程图2 结果与分析2.1 主成分分析通过对5个品种样品和3个质控样品QC（5个品种的混合样品）进行主成分分析9，初步了解各组样本之间的总体代谢物差异和组内样本之间的变异度大小。如图3可知，PCA结果显示各品种重江 西 农 业 学 报35 卷28复组内差异较小，品种之间代谢物差异显著，尤其是Alatus、Tritis、Carnatus和Angustus这4个原生品种之间代谢组差异显著，但具有近缘关系的Alatus与Yehuo的代谢组差异最小，并且在第三主成分分析下，Alatus与Yehuo的代谢组差异甚至小于Yehuo组内重复的差异。同时，杂交种Yehuo相较于4个原生品种与QC的代谢组差异较小。PC2（27%）PC1（41.88%）2DPCAPlot3020100-10-20020AlatusTritisCarnatusAngustusYehuoQCGroupCarnatus1Carnatus2Tritis1Tritis2Yehuo2Yehuo1Alatus2Alatus1QC03QC02QC01Angustus2Angustus1PC3（20.44%）PC1（41.88%）GroupAlatusTritisCarnatusAngustusYehuoQCPC2（27%）-30-20-1001020304020151050-5-10-15-20-20-10010203040 图中括号内的百分率表示该主成分对数据集的解释率；图中的每个点表示1个样品，同1个组的样品使用同一种颜色表示。图3 样品质谱数据的PCA得分图2.2 主成分单变量统计过程控制基于每个样本检测到的离子峰，通过上文建立的PCA模型对QC样本进行监控，判断仪器状态是否稳定。控制图（图4）中的每个点代表一个样本，横坐标为样本检测顺序，由于仪器状态变化，图中的点会呈现上下波动的情况。15个测试样本的PC1值均在正负2个标准差（StandardDeviation，SD）范围内，小于一般质控样本的PC1值在正负3个标准差的正常范围。PC1Scores50250-25-50QCSampleQC01Alatus1Alatus2Tritis1Tritis2Carnatus1Carnatus2QC02Angustus1Angustus2Yehuo1Yehuo2QC03InjectionOrder黄色线和红色线分别定义了正负2个、3个标准差范围；绿色点代表质控QC样本，黑色点代表试验样本。图4 总体样本PC1控制图2.3 聚类分析结果先对数据进行UV（UnitVarianceScaling）处理，再对所有样品进行聚类热图分析，并使用R程序脚本绘制聚类热图（图5）。通过聚类热图发现，Angustus与Carnatus分为一类，Alatus、Yehuo和Tritis分为一类。通过样品之间的相关性分析可以观察组内样品之间的生物学重复。同时组内样品相对组间样品的相关系数越高，获得的差异代谢物越可靠。将皮尔逊相关系数r（Pearson sCorrelationCoefficient）作为生物学重复相关性的评估指标。皮尔逊相关系数利用R软件的内置cor函数计算，|r|值越接近1，说明2个重复样品相关性越强。如图6所示，各样品重复建立皮尔逊相关系数的r值均为1，同时Alatus与Yehuo皮尔逊相关系数介于0.910.92之间，Alatus与Carnatus的R值介于0.790.84之间，Yehuo与Carnatus的R值介于0.740.78之间，相互差异最大的为Angustus与Tritus，R值介于0.220.23之间。2.4 代谢物定性定量分析5个品种共检测出挥发性物质624种，其中具香味挥发性物质314种。按照类别分析，酯类物质101种，具香味71种；杂环化合物101种，具香味47种；酮类50种，具香味23种；烃类化合物47种，具香味10种；萜类150种，具香味74种；酸类19种，具香味6种；醛类36种，具香味29种；酚类17种，具香味6种；芳烃31种，具香味17种；醇类48种，具香味23种；还有胺类、醚类、卤代烃、含硫化合物、含氮化合物和其他类共计24种。5个品种中Tritis挥发性物质含量最多的组分为酯类物质，含量为22.67%，其余4个品种挥发性物质含量最多的物质均为萜类物质，含量占比分别为Alatus（27.49%）、Yehuo（28.68%）、Carnatus（30.53%）和Angustus（22.41%）（表1）。10 期葛金涛等：芳香类唐菖蒲花香成分分析29GroupAlatusTritisCarnatusAngustusYehuoAngustus1Angustus2Carnatus1Carnatus2Alatus1Alatus2Yehuo1Yehuo2Tritis1Tritis2GroupZ-score420-2-4不同颜色为不同相对含量标准化处理后得到的不同数值进行填充的颜色，其中红色代表高含量，绿色代表低含量；图中左侧的聚类线为代谢物聚类线，图中上方的聚类线为样品聚类线。图5 样品总体聚类图因为测试品种中4个为原生品种，香味物质成分差异巨大，因此，本研究对每个品种相对含量最高的20种具香味挥发性物质（表2）进行了统计，发现5个品种的主要香味物质种类分为3类，其中Alatus、Yehuo和Carnatus含量最高的香味物质为芳樟醇，而Tritis含量最高的香味物质为苯甲酸甲酯（19.54%）和子香酚（15.44%），Angustus含量最高的香味物质为柠檬腈（12.16%）。同时芳樟醇、紫苏烯、2-己酰基呋喃、惕各酸异丁酯、5-甲基糠醛、-氧化蒎烯、呋喃酮、2-甲基-3（2-呋喃基）丙烯醛和小茴香酮在5个品种中含量均较高。此外，在Tritis中含量较高的苯甲酸甲酯、子香酚、苯乙醛、苯甲酸苄酯、4-丙基愈创木酚、异硫氰酸苯甲酯和4-羟基苯甲醛在其他4个品种中含量均较低甚至没有检测出，与其类似的在Angustus中柠檬腈、甲基糠基二硫、乙酸葑酯、甲酸异冰片酯、甲酸异莰酯、反式香芹醇含量较高，而在其他4个品种中均未检测出。其余以芳樟醇为主要香味物质的3个品种中，Alatus和Yehuo所含有的香味物质种类一致且含量接近，而Carnatus除-紫罗兰酮的含量明显高于其他4个品种外，没有特殊的香味物质成分。表1 挥发性物质组分分析%挥发性成分种类挥发性成分占挥发性总物质量的比率AlatusYehuoTritisCarnatusAngustus香味物质占比48.3953.1661.6751.3252.85萜类27.4928.6815.1230.5322.41醇14.6912.4410.0115.4011.73杂环化合物13.5714.7914.2110.2815.27酯12.2512.6222.677.6714.27酮12.1411.379.2616.326.93烃类5.674.893.795.224.97芳烃4.554.755.307.233.52醛3.915.755.914.866.04酸2.971.560.730.173.25酚2.252.3611.351.861.39含氮化合物0.230.320.200.136.55胺0.100.130.420.181.77含硫化合物0.070.180.950.031.80其他类0.070.110.080.080.04卤代烃0.020.04/0.01/醚0.010.01/0.040.05感官香型类兰花香类桂花香类兰花香类柠檬香类兰花香江 西 农 业 学 报35 卷30 表2 具香味挥发性物质成分分析%物质CASAlatusYehuoTritisCarnatusAngustus芳樟醇78-70-612.548.877.7617.155.942-己酰基呋喃14360-50-04.715.623.131.912.52戊酸芳樟酯10471-96-23.085.300.021.210.36紫苏烯539-52-65.364.063.336.742.565-甲基糠醛620-02-03.423.952.391.261.60惕各酸异丁酯61692-84-03.883.322.414.131.86呋喃酮3658-77-32.242.511.860.961.10-氧化蒎烯1686-14-22.711.991.703.571.31乙基葫芦巴内酯698-10-21.631.781.070.650.81桧烯3387-41-50.861.89/0.01/蒎烯127-91-30.831.87/0.01山梨酸乙酯2396-84-11.781.701.131.340.90己醛66-25-10.451.570.142.312.13-红没药烯495-61-40.981.700.010.390.12愈创木酚90-05-11.991.531.202.581.04（-）-紫苏醛18031-40-81.301.480.870.560.63小茴香酮1195-79-52.111.501.283.051.052-甲基-3（2-呋喃基）丙烯醛874-66-82.191.364.273.881.14(E)甲基异丁子香酚93-16-30.741.430.462.520.49-姜黄烯644-30-41.151.320.610.910.58丁酸香叶酯106-29-65.371.310.010.016.454-甲基-苯甲醇589-18-41.701.161.162.570.93-紫罗兰酮14901-07-60.691.220.4415.000.57异戊酸异戊酯659-70-11.050.830.651.270.49甲酸辛酯112-32-30.290.580.171.240.16可可醛35158-25-90.350.480.253.800.122-甲基丁酸2-甲基丁酯2445-78-50.240.450.151.260.13橙花叔醇7212-44-41.710.46/1.86白檀醇28219-61-62.060.45/2.78氧化石竹烯1139-30-61.570.35/2.09-罗勒烯3779-61-10.210.220.141.064.37苯甲酸己酯6789-88-40.940.22/1.17-甲基-苯甲醇98-85-10.080.090.050.381.58苯乙醛122-78-10.010.013.51/子香酚97-53-00.020.0115.440.050.02甲酸异莰酯1200-67-5/2.72甲酸异冰片酯7492-41-3/2.78乙酸葑酯13851-11-1/3.30甲基糠基二硫57500-00-2/3.33异硫氰酸苯甲酯622-78-6/1.520.01/柠檬腈31983-27-4/12.16苯甲酸苄酯120-51-40.01/2.97/0.014-羟基苯甲醛123-08-0/1.430.01/4-丙基愈创木酚2785-87-7/2.000.01/反式香芹醇1197-07-5/1.28环氧玫瑰呋喃15186-51-3/1.08/0.36苯甲酸甲酯93-58-3/19.54/0.0710 期葛金涛等：芳香类唐菖蒲花香成分分析312.5 唐菖蒲萜类物质分析目前，已经有超过1700个物种的花香挥发性成分被鉴定出来，主要可以分为萜类、苯丙烷类和生物碱类等，而萜类物质是其中种类最多、分布最广、功能最为多样的一类10-11，因此，挥发性萜类物质成为花香物质最主要的研究方向12。在本研究共检测出的74种具有香气的萜类物质中，通过分析5个品种中含量最高的10种具香味萜类物质发现，芳樟醇、紫苏烯、-氧化蒎烯、-紫罗兰酮、小茴香酮和-罗勒烯6种萜类物质在5个品种中含量均较高。而在Angustus中含量较高的柠檬醛和反式香芹醇在其他4个品种中含量均较低或未检测出。桧烯和-蒎烯仅在Alatus和Yehuo中含量较高，在其他3个品种中含量均较低或未检测出。橙花叔醇、氧化石竹烯仅在Alatus、Yehuo和Angustus检测出。不同颜色代表不同的皮尔逊相关系数，颜色越红代表正相关性越强，颜色越绿代表正相关性越弱，颜色越蓝代表负相关性越强；方格内数据为2个样品之间的相关性系数。图6 样品间相关性图 表3 萜类物质含量分析%物质CASAlatusYehuoTritisCarnatusAngustus芳樟醇78-70-612.548.877.7617.155.94紫苏烯539-52-65.364.063.336.742.56-氧化蒎烯1686-14-22.711.991.703.571.31小茴香酮1195-79-52.111.501.283.051.05橙花叔醇7212-44-41.710.46/1.86氧化石竹烯1139-30-61.570.35/2.09-姜黄烯644-30-41.151.320.610.910.58-红没药烯495-61-40.981.700.010.390.12桧烯3387-41-50.861.89/0.01-蒎烯127-91-30.831.87/0.01（E）-佛手柑13474-59-40.821.250.010.010.06甲基异冰片2371-42-80.710.790.470.280.36-紫罗兰酮14901-07-60.691.220.4415.000.57乙酸芳樟酯115-95-70.600.720.410.230.42-侧柏酮546-80-50.440.390.270.400.21顺式-柠檬醛106-26-30.350.420.240.140.40-罗勒烯3779-61-10.210.220.141.064.37-萜品醇586-81-20.140.590.050.460.17柠檬醛5392-40-50.010.02/0.010.84反式香芹醇1197-07-5/1.283 讨论唐菖蒲起源于南非和地中海地区，经过几个世纪的种间杂交，产生了大量的特异性种质资源，但这也增加了其演化路径的研究难度，目前通过代谢组学分析比较不同品种的亲缘关系已在茶树13、猕猴桃14、枸杞15等几十种作物中得到应用，在本试验中，通过代谢组学分析，具有亲本关系的Alatus与Yehuo的代谢组差异最小，皮尔逊相 关 系 数 介 于0.910.92之 间，而Alatus、Tritis、Carnatus和Angustus这4个原生品种之间代谢组差异显著，表明通过代谢组检测可以帮助鉴别唐菖蒲品种间的亲缘关系。江 西 农 业 学 报35 卷32目前，鸢尾科多种作物的花香成分已得到解析，在许多鸢尾科作物如香雪兰16、藏红花17和部分唐菖蒲品种18-19中含量最高的是芳樟醇，但 在 本 试 验 中，仅Alatus、Yehuo和Carnatus这3个品种含量最高的香味物质为芳樟醇，Tritis含量最高的香味物质为苯甲酸甲酯（19.54%）和子香酚（15.44%），Angustus含量最高的香味物质为柠檬腈，因此，推测不同品种唐菖蒲其香味物质生成的代谢途径不同。其次苯甲酸甲酯和子香酚这2种物质是苯丙酸类/苯环型化合物20-23，分析发现Tritis中萜类物质含量明显少于其他4个品种，推测Tritis香型是以苯丙酸类/苯环型化合物为主的香型，而其余3个原生品种是以萜烯类化合物为主的香型。Angustus中除柠檬腈含量最高外，同时含有稀有的反式香芹醇和含量最高的2,3-脱氢-1,8-桉树脑、柠檬醛、顺式柠檬醛，推断这是其具有特殊柠檬香味的原因。挥发性萜类物质是花朵挥发物中最主要的物质12，已有超过1700种花朵挥发性成分被鉴定出来，主要可以分为萜类、苯丙烷类和生物碱类等，而萜类物质是其中种类最多、分布最广、功能最为多样的一类10-11。具体成分而言，沉香醇、-松油醇、-紫罗兰酮和二氢紫罗兰酮为含量最高的4种成分，此外还含有少量的其他单萜，如罗勒烯、月桂烯，1,8-桉树脑及数量众多但含量较少的倍半萜物质，如古巴烯、芹子烯和-古芸烯等24-26。已在同为鸢尾科作物香雪兰花朵挥发物中发现，最主要的挥发性物质为芳樟醇（Linalool），占总挥发物含量的44.83%，其次是松油醇（Terpineol），占总挥发物含量的22.88%，此外，还检测到了一 定 量 的 柠 檬 烯（D-limonene）（5.05%）、紫 罗 兰酮（-Ionone）（12.66%）、二氢紫罗兰酮（Dihydro-Ionone）（3.15%）、月桂烯（Myrcene）（2.66%）和罗勒烯（E）-ocimene）（1.49%）。在本试验中，以芳樟醇为主要挥发物质的品种中，芳樟醇含量仅占总挥发物含量的5.94%17.15%。分析检测方法，前人大多采用动态顶空法（DHS）对分析溶质进行富集，而本试验采用的是固相微萃取顶空法（HS-SPME），同时本试验检测出的624种挥发性物质，相较于Suzuki等19检出的20余种以及Goldblatt等18检出的16种主要的香味成分均有较大差异。推测不同富集方法和检测手段可能对挥发物成分分析造成差异。气味是传粉者行为的重要调节剂，花的气味在鳞翅目和其他昆虫目的采蜜行为中具有重要作用。花香可能单独或与视觉刺激一起引起寻找、降落和进食行为。据前人18研究表明，原生剑兰原产于非洲南部，其长花被管的花适合飞蛾传粉，而在本试验中检出的（E）-佛手柑油烯在烟草作物中释放可以吸引飞蛾帮助其授粉27。d-柠檬烯、-月桂烯和E-辛烯为是猴面花吸引蜜蜂传粉的主要花香物质28，推测(E)-佛手柑油烯、d-柠檬烯、-月桂烯和E-辛烯挥发可以起到吸引昆虫辅助唐菖蒲授粉的作用。参考文献：1 孙延智,义鸣放.唐菖蒲品种的特异性、一致性和稳定性研究 J.中国农业大学学报,2002,7(5):7-13.2 连青龙,韩昊君,辛海波,等.唐菖蒲GhAOS基因的克隆与表达 J.北京林业大学学报,2011,33(2):77-83.3 GoldblattP,JohnCM,BernhardtP.RadiationofpollinationsystemsinGladiolus(Iridaceae:Crocoideae)insouthernAfrica J.AnnalsoftheMissouriBotanicalGarden,2001,88(4):713-734.4 TakatsuY,KasumiM,ManabeT,etal.TemperatureeffectsoninterspecifichybridizationbetweenGladiolus grandifloraandG.tristis J.HortScience,2001,36(2):341-343.5 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