用于生物化学分析及昆虫病原线虫鉴定的ATR-FTIR光谱技术

《Vibrational Spectroscopy》：ATR-FTIR Spectroscopy for Biochemical Analysis and Identification of Entomopathogenic Nematodes

【字体：大中小】 时间：2026年07月15日 来源：Vibrational Spectroscopy 3.1

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美国佛罗里达州戴维市，佛罗里达大学食品与农业科学研究所，劳德代尔堡研究与教育中心

摘要

衰减全反射-傅里叶变换红外光谱技术（ATR-FTIR）能够提供样品的分子组成和结构信息。本研究评估了该技术在昆虫病原线虫的生化分析及分类鉴定中的应用效果。研究从市售昆虫病原线虫产品中提取少量线虫样本，直接放置在ATR检测板上，获取其光谱数据。通过非度量多维尺度分析法和主成分分析法，检测与线虫生存密切相关的生物分子（海藻糖、糖原和甘油三酯）在不同波峰处的信号强度差异。结果显示，不同种类的昆虫病原线虫在各项生化指标的峰值信号强度上存在显著差异，这为判断其在实际环境中的应用效果提供了依据。此外，本研究还探讨了FTIR技术在昆虫病原线虫分类鉴定中的应用，结果表明FTIR可有效区分施泰纳线虫属和异小杆线虫属的各类物种，相比分子鉴定方法更具快速性和经济性。总体而言，本研究证明了ATR-FTIR是一种可靠的工具，可用于评估昆虫病原线虫产品的生化特性及其在实际应用中的效果。

引言

傅里叶变换红外光谱技术是一种功能多样的振动分析技术，能够快速、无损地分析生物样品的分子组成。通过检测功能团的振动模式，FTIR可生成具有诊断意义的特征光谱，用于识别生物分子并监测生化变化[1]、[2]、[3]、[4]。该技术广泛应用于生物医学、生态学、食品科学以及线虫学研究领域，包括昆虫病原线虫的研究。

属于异小杆线虫属和施泰纳线虫属的昆虫病原线虫被视作“活体杀虫剂”，是高效的生物防治剂。由于其对人类和非目标生物无害，根据美国法律，这类线虫无需进行杀虫剂登记。然而，它们的环境敏感性限制了其在农业害虫控制中的应用效果。土壤结构、湿度、氧气含量和温度共同影响昆虫病原线虫的存活率和感染能力，即使环境条件稍有偏差，也会降低其在田间中的作用效果[5]、[6]、[7]。此外，环境因素还会影响昆虫病原线虫的化学组成和结构[8]、[9]、[10]。因此，像FTIR这样快速且成本低廉的分析技术，对于评估昆虫病原线虫的适用性及应用效果具有重要意义。

FTIR利用红外辐射并通过探测器测量样品的透射率，从而识别出在不同波数处发生振动的化学键，这些化学键会在红外光谱（4000-4500 cm^-1）中呈现特征峰。波数与频率成正比，与波长成反比。许多化合物的键合模式都具有独特的特征峰，可用于识别化合物及其所属的样品类型。通过分析特征峰的强度，还可以比较不同样品中特定化合物的相对含量[11]。

FTIR光谱技术能够量化对线虫生存至关重要的生化物质，如海藻糖、糖原和甘油三酯。海藻糖会在线虫的多个器官中积累，对于线虫在脱水或冷冻环境下的存活具有关键作用[12]、[13]、[14]、[15]。糖原是一种高度分支的葡萄糖聚合物，线虫会将其作为能量储备[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。线虫组织中的甘油三酯和羰基群，很可能是脂质氧化后形成酯键的结果，尤其是甘油三酯。甘油三酯可作为长期脂质储备，有助于昆虫病原线虫在侵入昆虫宿主体前维持生存[18]、[19]、[20]。所有这些生物分子都能提升昆虫病原线虫的存活能力，进而提高其在昆虫宿主体内的感染效率。因此，通过FTIR检测昆虫病原线虫中海藻糖、糖原和甘油三酯的相对含量，即可了解线虫的适应性及其控制昆虫害虫的潜力。

FTIR还可用于描述、识别和分类微生物[21]。San-Blas等人[22]利用ATR-FTIR技术，根据三种线虫（施泰纳线虫属的格拉斯线虫、异小杆线虫属的印度异小杆线虫以及秀丽隐杆线虫）的光谱特征对它们进行了区分。通过分析甘油三酯、海藻糖、糖原和胶原蛋白，San-Blas等人还发现了格拉斯线虫和印度异小杆线虫的独特生化特征。本研究在San-Blas等人工作的基础上，进一步解决了样本量和重复性等实际问题，分析了五种昆虫病原线虫的FTIR生化特征，重点关注海藻糖、糖原和甘油三酯，并评估了FTIR在这类线虫鉴定中的应用效果。

内容片段

样品制备

本研究共购买了六种商业昆虫病原线虫产品（“NemAttack^TM”和“NemaSeek^TM”），包含施泰纳线虫属的里奥布拉韦线虫、费尔蒂埃线虫、苹果腐烂线虫、克劳斯线虫，以及异小杆线虫属的细菌噬线虫和印度异小杆线虫，这些产品均来自美国亚利桑那州的Arbico Organics公司。研究人员采用白色陷阱法和巴尔曼培养板从产品粉末中收集线虫，以避免样品受到杂质污染。收集5天后，将1毫升培养液置于Eppendorf离心管中，以6000转/分钟的速度离心5分钟。

改良方法

在San-Blas的研究[22]中，研究人员使用衰减全反射装置制备了0.1毫升的线虫样本，这些样本直接放置在玻璃载玻片上干燥，随后即可进行光谱分析。而San-Blas使用的样本量为100微升，这样的样本量需要大量的线虫（数十万甚至数百万只），且需要专门的配套设备，很多常规FTIR仪器并不具备这类功能。本研究采用的样本量为10微升，虽然仅为San-Blas所用样本量的十分之一，但仍能获得有效的分析结果。

结论

本研究证明，与以往文献报道的方法相比，使用更少量的线虫样本即可获得稳定的FTIR光谱峰。这一结果为更广泛地应用FTIR技术于线虫的生化研究、鉴定和分类工作提供了依据。根据本研究的数据，印度异小杆线虫的生化特性可能使其比其他昆虫病原线虫更具耐旱性和耐温性。

资金支持

本研究得到了美国农业部国家食品与农业研究所的甲基溴过渡计划资助，项目编号为2022-51102-38143。

作者贡献说明

梅根·里德：文本撰写——审阅与编辑，正式分析。杰弗里·范·特里斯二世：文本撰写——审阅与编辑，初稿撰写，方法设计，实验研究，数据整理。拉米·卡萨姆：文本撰写——审阅与编辑，方法设计。尤金·史密斯：文本撰写——审阅与编辑，资源协调。大卫·迈尔斯：文本撰写——审阅与编辑，实验研究。兰·潘·通·安赫：文本撰写——审阅与编辑，方法设计。梅根·贾尼亚克：文本撰写——审阅与编辑，资源协调，方法设计。吉尔·拉海姆：文本撰写——审阅与

关于写作过程中生成式AI及AI辅助技术的声明

本研究报告的撰写过程中未使用任何生成式AI技术，也不存在任何潜在的利益冲突。

利益冲突声明

所有作者声明，自己不存在任何可能影响本研究结果的财务利益关联或个人关系。

致谢

我们要感谢佛罗里达大学劳德代尔堡研究与教育中心的丹尼斯·吉托加、雅各布·拉金、米歇尔·拉萨和琳达·卡希尔，感谢他们为本研究提供的技术支持。

数据共享

如有需求，可提供相关数据。

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