同位素比率质谱的应用生态生理学研究的植物种子

卡拉·罗德里格斯,^*罗德里戈•玛雅和克里斯蒂娜•马褂

里斯本大学、学院科学、环境生物学、中心的稳定同位素和仪器分析设备(SIIAF)。C2,房间2.1.16 Campo Grande, 1749 - 016年葡萄牙里斯本。电子邮件:(电子邮件保护)

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介绍

同位素比值质谱(irm)是一个技术等学科的发现越来越广泛使用考古学、医学、地质学、生物学、食品真实性和法医科学。出版物的数量每年包含研究课题“同位素比率质谱”是超过2050年到2006年。¹数量的稳定同位素比率质谱(形貌)实验室2012年注册ISOGEOCHEM列表(http://list.uvm.edu/cgi-bin/wa?A0=ISOGEOCHEM)大约是150。一个简短的历史背景对irm表1所示。

表1。irm的历史背景。²

早期的同位素分析方法是费时,精密度和准确度较低。为提高工作准确性随后尝试简化不同分析方法,减少样本大小。今天,irm用于分析大范围的无机和有机材料。

样品可以检查为固体、液体或气体。给定样本的内容必须转化为可以操作的东西,分离和检测。能够分析一个给定的样本的内容是促进个人如果样本复杂性降低通过分离化学成分前测量。这一原则的广泛使用导致分离prep-systems用连字符连接与质谱仪(探测器),结合这是经常使用的“轻”的元素的转换(C、N、O S H)出现在样品在简单气体分子的稳定同位素比率可以确定。在线系统与氧化、减少或热解反应器组合在连续流系统中,运输反应气体质谱仪。稳定同位素比率质谱计由进气系统、离子源、一个分析器离子分离和离子检测器收集和量化。进气系统的设计目的是处理纯气体,主要是有限公司₂N₂H₂所以₂。介绍了中性分子从进气系统进入离子源,在那里被电子轰击电离和加速到几千伏,然后由一个磁场,在法拉第发现杯子。

irm,可以测量同位素组成浓缩和天然丰度较低的水平。这意味着非常少量的重的各种细微变化(或更少)丰富的同位素检测到大量的轻同位素的存在。非常小的变化较重同位素习惯性地衡量irmδ-notation中表达(见框),单位permil‰(一千年部分,一部分值为10³)。本单元是无量纲及其相关的价值可能是正面或负面的。

如今,一系列广泛的理解过程负责同位素丰度变化的自然环境已经改善,允许一个更了解环境变化是如何记录的。研究人员试图找到材料,如碳酸盐,羽毛,硬组织,头发,年轮纤维素和许多化合物组成,为了跟踪和,因此,记录变化。⁴这些研究可以揭示重要的生态环境变化的速度和规模在一个广泛的自然系统。^5,6同位素分析的应用以这种方式将有助于降低未来的生态破坏和环境恶化。

本文的主题,植物种子,已成为一个重要的研究对象在过去的十年中,某些bio-elements的同位素组成的种子植物生态生理学的相关信息(例如,水分利用效率)。^5,7,8在成熟后期,许多物种的种子获得大多数人的承受能力去除的水(即成为desiccation-tolerant)。这个特征允许长时间生存在干燥状态和促进研究的抽样过程在全世界许多不同的生态系统。此外,种子的的一个关键特性,从被子植物和裸子植物,营养物质的积累储备倾向,燃料幼苗早期发育或化学防御捕食者。这些化合物,其中许多来自次生代谢,打开一个广阔的研究领域的机会,有很多可能的结果从生态学领域的食品可追溯性。种子因此成为重要的研究材料;然而,你必须记住,他们总是把一个特定的“时间窗口”,种子发育时期不同根据植物种类及其生物学和依赖于植物生长的气候条件。化学元素的同位素分析的植物种子,或从这些种子中提取特定的有机化合物,有助于了解不同生态过程影响植物生理发展和种子发育时期。因为这是本质上与当地的气候条件(如温度、降水、空气湿度),结果通常加强分析工具的发展对植物材料的可追溯性。^9,10本文的目的是说明主要irm研究种子和同位素和大纲使用种子的最重要方面研究植物eco-geochemistry和植物材料的可追溯性。

植物种子

小麦和大麦

农业的起源,可以追溯到全新世早期,已基本形成了人类社会的发展。¹¹鉴于它的重要性,准确的估计的作物产量在过去可以揭示许多问题,比如有关食品生产和其他方面的农业和自然资源的使用之间的关系。更具体地说,它使一个计算所需的农业用地,以满足给定的特定人群的生存需要,来推断一个特定时期的培养策略和评估土地利用的环境影响。然而,所有的产量在过去的估计都是有限的有效性考虑到不确定性管理技术,基因型和特定的性状特征这些作物生长的环境条件。¹¹面对这些困难,歧视的稳定同位素的分析¹³C(Δ¹³C)(Δ¹³C =(Δ¹³C_一个- - - - - -δ¹³C_p)/(1 +(δ¹³C_p/ 1000),一个是指空气和p植物材料。¹²在农作物颗粒收集从考古遗址构成的简单和更直接的方法估计古代农业的产量。¹¹对于C₃物种,δ¹³在植物组织中C构成的一个完整的记录细胞间比大气CO分压₂期间组织是合成的。冬季谷物种植在不同的环境条件下,这一比率主要由气孔导度的变化,因此,δ¹³C在谷物在灌浆期水状态的一个有效指标。¹³因此,碳同位素(Δ歧视¹³C)应与产量相关的C₃植物物种。^11,14小麦和大麦主要作物在旧世界农业实践以来在肥沃的新月。^11,15他们的种子已经收集了许多考古遗址,例如,在地中海地区,水资源是主要的环境因素决定农作物产量的差异。一旦Δ之间的关系¹³C和产量在今天的作物已经建立了广泛的生长环境,可以估算作物的生产力从Δ过去¹³C值的谷物收集考古遗址。为了找到Δ¹³C考古谷物,δ¹³C的气氛在过去从冰芯数据推断。随后,然而,这些初步估计必须要考虑被纠正的主要环境和古代和现代作物之间的遗传差异。Araus和同事¹¹使用Δ¹³C值的考古谷物估计裸小麦的产量(小麦/硬质)在早期农业定居点在肥沃的新月,在叙利亚。赤裸裸的小麦是一种驯化作物,无论考古背景和时间它仍然被发现。同时,t .硬质今天是最广泛种植的小麦。因此,这允许Δ之间的比较¹³古代和现在的硬质小麦谷物C值。Araus和同事¹¹Δ之间取得一个积极的线性相关性¹³C和今天的小麦和大麦谷物的产量,栽培灌溉和雨养条件下在告诉Halula,叙利亚。Δ之间的正相关关系¹³输入C和水在增长也被观察到。结果表明,更多的水是提供更高的收益率。研究人员估计收益率ancient-day谷物通过应用的斜率Δ之间的关系¹³ΔC和收益率¹³C的古代谷物进一步校正考虑收获指数和大气CO₂过去的水平。Δ的¹³考古谷物的C值提供了直接证据,在早期农业、小麦作物栽培在告诉Halula享有更优惠的水情比预计将从今天的雨养条件。简而言之,同位素分析作物的种子,例如,小麦和大麦,可能是一个重要的工具来估算作物产量(现在和古代天)。这样的研究也表明,碳同位素分析小麦和大麦谷物可以使用作为一个指示器的植物水状态以及评估方法的输入在古代农业。

大米

水稻是单子叶植物的种子植物栽培稻从草的家庭禾本科。它是人类最重要的食物之一,尤其是在亚洲和美国,全球第二高的粮食生产、玉米。¹⁶测定大米的真实性是一个复杂的问题,因为它取决于地理起源和品种类型。然而,多元化的应用分析,单独或结合稳定同位素分析,已成功申请相同的各种各样的米粒之间的歧视印度/巴基斯坦,美国和欧洲的样品bdapp官方下载安卓版¹⁷和日本的样品。¹⁸凯利和同事¹⁷证明,籼米从美国、欧洲、印度和巴基斯坦可以通过硼和镁含量和氧同位素组成。bdapp官方下载安卓版

其他工人¹⁸相比Koshihikari大米样本12种不同的日本水稻生产区域。在日本,精白米需要包装标签指示品种,种植面积和年生产,按照日本农业标准(雅)。大米δ¹³C,δ¹⁵N和δ¹⁸O元素分析仪测定的/ irm (EA / irm)。额外的大米样品从澳大利亚(新南威尔士州)和美国(加州)也进行了分析。这项工作的结果显示,加州的大米有较高的δ¹⁸O值(+ 22.9‰)相比其他样品和清晰可辨的新南威尔士(澳大利亚)(+ 20.3‰)和日本大米样品(+ 18.8‰至+ 20.7‰)。经常与其他植物有机材料,观察大米δ¹⁸O值反映了当地降水氧同位素组成的水稻种植期。此外,新南威尔士水稻表现出更高的δ¹⁵N值(+ 9‰)比其他大米样品和显然是歧视来自加州(+ 3.2‰)和日本大米样品(+ 0.4‰至+ 6.1‰)。氮同位素组成的大米被认为主要取决于土壤施肥实践,水稻种植的地方。一般来说,有机肥料增加¹⁵N含量在土壤和植物,而人工化肥的利用率降低。¹⁹事实上,在澳大利亚,许多农民旋转与牧草作物水稻在未来几年内。因此,在澳大利亚农业周期可能与高δ一致¹⁵澳大利亚水稻N值决定在这个研究。这项研究的结果表明,大米从新南威尔士(澳大利亚)和加利福尼亚州(美国)可能是区别于日本大米样品高δ¹⁵N或高δ¹⁸O值。同时,结果12种不同的日本大米样品表示小日本成长环境差异。然而,这方面的工作需要进一步的研究来证实这些差异。

咖啡

许多咖啡从不同的地理起源和不同类型和成绩每年都进口的咖啡烘焙公司通过一个商业链,通常涉及到几种中间体。确保咖啡不掺假的,重要的是要开发分析工具对咖啡豆的地理起源的歧视。咖啡豆的同位素指纹应该由于植物品种,栽培实践,处理,最重要的是,植物和当地环境之间的关系。从这个意义上讲,同位素组成变化的咖啡豆来自不同地理来源,用自己的气候和地质、应该预期。塞拉和同事^20.碳的同位素组成决定,氮和硼在绿色咖啡来自19个不同的国家,表明这三个元素的同位素组成是一个很好的指示器geographical-dependent参数,因此,一个有用的工具来推断该地区生产的绿色咖啡。然而,研究同位素的咖啡豆和环境因素之间的关系仍然是相对近期的事。^8,21在发达国家在全球范围内的一项研究中,研究人员测量同位素比值的碳、氮、氧和锶在绿色咖啡豆和寻找同位素比值之间的关系和信息环境因素。^7,21这样的研究是重要的为了了解这个种子(即咖啡豆)集成了其发展过程中产生的同位素分馏、当地气候和地质变化有关。这可能最终导致咖啡生产区域之间的歧视。绿色咖啡豆来自20多个不同的地理起源的方面的特征是C, N和O同位素组成和C和N百分比。²¹的平均值和标准偏差值δ¹³C,δ¹⁵N和δ¹⁸O和C和N的比例获得绿色咖啡来自不同大洲的表2所示。

表2。意思是,标准差和δ的取值范围¹³C,δ¹⁵N和δ¹⁸O绿色咖啡豆来自美国,非洲和亚洲大陆。¹²

的δ¹³所有组C均值为-27.4±1.4‰(见表2);这是一个近似值密切与26‰报道²²为δ¹³C在植物组织。然而,最近的研究表明,咖啡δ¹³C值的变化取决于地理起源值从-31.4‰- -22.1‰(表2)。正如前面提到的,气孔导度和光合能力改变的因素(例如,水分亏缺,光,蒸汽压力赤字),从而改变公司的比例₂分压在叶室内sub-stomatal蛀牙和叶,周围的空气将会改变δ的值¹³C发现植物组织。在此基础上,观察到的变化δ¹³C值的咖啡豆被解释为反映水资源的差异,沉积量、温度和空气相对湿度(RH)之间的不同的地理起源。观察到10‰咖啡豆δ的变化¹³C应该与气孔导度影响因素的发生在咖啡豆发育期间。然而,缺乏知识如何这些因素相互作用在每一位置的咖啡树的理解困难的获得的数据。进一步的生态生理学研究田间条件下是必要的,以获得理解的过程,确定碳分离咖啡植物,水果和种子。

为N,咖啡豆δ的范围¹⁵N值观察到的是-0.4‰,6.5‰,全球平均+ 2.9‰的±1.4‰(表2),δ的观察范围¹⁵N值表明,不同的咖啡植物的新陈代谢,最终与不同的农业生产方式,可能是重要的。在氧气的情况下,绿色咖啡豆δ¹⁸O值变化从+ 18.3‰到+ 39.8‰,与所有群体研究的平均值+ 27.7‰±3.5‰(表2)。均值接近Yakir和同事报道的²³对纤维素δ¹⁸O在叶子(‰)27日。所知甚少氧气分离种子(即咖啡豆)比其它植物叶子和茎等器官。然而,一些工人已经表明,已知植物有机材料的氧同位素组成反映源水和树叶蒸发条件下当时的材料形成的。²⁴从这个意义上讲,咖啡豆δ¹⁸O值(δ¹⁸O_豆)应该反映当地降水δ¹⁸O(δ¹⁸O_前的)。尽管δ¹⁸O值区域降水的研究有时会重叠,通常更多耗尽值观察相比,美国在亚洲和非洲。这可能是相关的变化观察到咖啡δ¹⁸O_豆值,使咖啡分化的差异在大陆的水平。²¹这些研究表明,氧气是一种绿色的咖啡豆的地理起源分化的重要元素。图1显示了δ的范围¹⁸O_豆值咖啡豆从非洲、美国和亚洲大陆。

生成的数据集允许评估咖啡豆同位素组成之间的关系和环境因素。通过了解每个咖啡样品相对应的地理坐标,可以访问不同的数据库,收集关于气候参数的信息。例如,在美国大陆,δ之间的相关性¹⁸O_豆和δ¹⁸O_前的(r= 0.74)和高度和δ之间¹⁸O_豆(右= -0.66)被观察到。⁷雨在高海拔地区(以更低的温度)变得越来越枯竭¹⁸啊,因此较低的δ¹⁸O。²⁵这是反映在δ¹⁸O_豆高度的咖啡。

随后的研究是在一个较小的coffee-producing开发地区,夏威夷。⁸同位素组成的研究人员报道说,夏威夷绿咖啡豆不同根据几个环境因素,如高度的咖啡生产,当地降水的同位素组成和影响海洋,人为排放,火山活动。在这种特殊情况下,火山活动的影响,热带风暴,距离海岸和高度从同位素比值测量推断出咖啡豆。这些观察结果支持重要的绿色咖啡豆同位素组成之间的相关性和各种环境因素。对于每个咖啡,已知值的经度,纬度和海拔允许相应的δ值的计算¹⁸O的当地降水OIPC(降水同位素在网上计算器)。²⁵这才有可能获得δ之间的相关性¹⁸O的咖啡豆和降水(r= 0.56;p< 0.05)。

图2显示了δ的变化³⁴的O和δ³⁴S值在不同的夏威夷咖啡豆样品与高度。观察值越高海拔低于200米,靠近海洋生产的咖啡在哪里(在海拔较低的值)。⁸大气沉积是一个重要的硫源在夏威夷沿海地区,但其贡献随距离增大而减小。²⁶硫酸监测大气、火山灰、土壤和降水同位素很重要为了了解硫同位素的咖啡豆反映这些重要的环境影响。此外,进一步研究S-isotopes分馏过程中咖啡种子发展是必要的评估S-assimilation的差异和同位素分馏。

研究表明,咖啡从不同地区的同位素组成,在某种程度上,是可以预测的。如果是这样的话,这将支持使用稳定同位素作为验证工具的咖啡。此外,咖啡植物种子的同位素可能导致跟踪环境影响发生在夏威夷,特别是如果与火山活动有关,距离海洋,人为排放和高度。

此外,由于咖啡豆是一个复杂的矩阵,主要是纤维素,但其他富含碳水化合物,脂质和次生代谢的产物,一些研究人员一直试图实现地理起源歧视基于稳定同位素分析特定化合物的提取bean(例如,咖啡因)。²⁷咖啡因的模式合成在水果发展Coffea阿拉比卡和Coffea canephora是相似的,尽管这两个物种的咖啡因含量是0.6 - -1.5和2.2 - -2.7,分别。²⁸在种子成熟的咖啡,咖啡因似乎合成积累在发展中种子。一旦植物种子完全形成,这种化学物质防御不再需要;其生物合成停止,宽松的叶绿素和果实花青素和糖分积累,导致特色咖啡酱果。咖啡因分子中的氧原子的起源已经描述。^29日从主要代谢咖啡因生物合成途径主要涉及三个甲基化反应和de-ribosylation,它不涉及的氧原子xanthosine嘌呤核咖啡因的前兆。出于这个原因,δ之间的相关性¹⁸O值的咖啡因叶水敏感植物栽培的个人条件和气候。这解释了咖啡因的地理起源是歧视通过氧和氢同位素比率分析。²⁷这项研究表明同位素分析的相关性从植物中提取特定化合物的散装材料,在这种情况下,绿色的咖啡豆,为地理起源分化和生态学研究。

结论

这里描述的一些个案研究中得到反映的重要性,结合同位素比率质谱分析和植物种子作为“工具”来研究植物生态生理学变化在时间和空间。为了应用这种分析方法,重要的是要知道地理区域植物生长。作为第一步,尽可能广泛的描述关于气候和地质的观点需要承担。同时,栽培方法和信息处理和物种和品种/品种,应考虑,以建立最广泛的和有用的数据库。接下来,一系列的分析包括一组化学元素可能会选择和测试与irm分析实现最好的结果。这一事实,因为大量的样本,具体地理位置信息和相关环境因素可以访问,使实验结果和数据之间的关系,例如,海拔、纬度、δ¹⁸O的降水。在这种背景下,植物种子的同位素分析可能不同的研究领域的一个重要工具如古气候学、古生态学、植物生态生理学和农学,以及可追溯性。它允许接近不同的生态系统特异性,封闭不同空间和时间尺度,作为植物种子的同位素记录一系列的重要的生态过程。他们的研究将给一个重要的贡献如何理解环境、生物和地质发生变化。当应用一段多年的研究(即不同的几年甚至几十年和年)同位素δ值可以给我们一个完全不同的角度自然循环和植物生理响应不断变化的环境。

进一步的阅读

更多的背景信息和引用可能发现在网上进一步阅读部分:http://tinyurl.com/RodriguesSupp。

确认

作者要感谢葡萄牙科学基金会通过项目ISOGEOCOFFEE(追求绿色咖啡地理起源歧视通过同位素和环境因素之间的关系)(PTDC / AGR-AAM / 104357/2008)。卡拉·罗德里格斯希望感谢葡萄牙科学基金会资助这个项目的范围。

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