稳定碳·氮同位素在植物产地溯源中的应用

摘要  生物的稳定同位素组成包含关于其地理和生态起源的信息，是生物的自然指纹，不易受生产加工过程而改变，有着较高的稳定性和准确度，因此可以将稳定同位素作为地理来源的过程指标和示踪剂。稳定同位素分析目前已广泛用于产地溯源，尤其是在传统分析方法不能提供明确结果的情况下。对稳定碳、氮同位素在植物产地溯源中的应用进行阐述。今后使用稳定同位素进行产地溯源的研究将会越来越深入，为尽量避免使用单一稳定同位素进行研究时导致的误差，可以综合考虑稳定碳、氮同位素来提高产地溯源成功率和快速建立完整的同位素产地溯源数据库，为今后产地溯源相关研究提供参考。

关键词  稳定碳同位素;稳定氮同位素;产地溯源;植物

中图分类号  X 173   文献标识码  A    文章编号  0517-6611（2022）15-0019-03

doi： 10.3969/j.issn.0517-6611.2022.15.006

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Application of Stable Carbon and Nitrogen Isotopes in Tracing the Geographical Origin of Plants

LIAO Chu-qin， MIAO Shen-yu

（School of Life Sciences， Guangzhou Univeristy，Guangzhou， Guangdong 510006）

Abstract  The stable isotope composition of organisms contains information about the origin of its geography and ecology. It is a natural fingerprint of organisms that cannot be easily changed by production and processing. Therefore， stable isotopes can be used as process indicators and tracers of geographical origin. Stable isotope analysis has been widely used for origin traceability， especially when traditional analytical methods cannot provide clear results. In this paper， the application of stable carbon and nitrogen isotopes in plant origin tracing is reviewed. In the future， the use of stable isotopes for origin traceability will be more and more deep. In order to avoid the errors caused by using a single stable isotope for studies， stable carbon and nitrogen isotopes can be considered in combination to improve the success rate of provenance tracing and to rapidly build a complete database of isotopic traceability of origin， which will provide a reference for the traceability of origin related research in the future.

Key words  Stable carbon isotope;Stable nitrogen isotope;Geographical origin;Plants

近年来，随着人们的食品安全意识以及对濒危野生植物的保护意识不断提高，农产品及珍稀物种的产地溯源也受到人们的高度重视。清楚地了解农产品以及珍稀物种的产地，一方面可以打击假冒伪劣产品、打压以次充好的现象，另一方面也可以更好地了解相关珍稀物种的生长环境以便做出相应的保护措施[1]。与动物不同，植物在没有人为移栽的情况下从种子萌芽开始都在一个地方固定生长，因此体内的稳定同位素组成与它的生长环境息息相关，也就是说植物体内的稳定同位素组成在一定程度上可以反映出其生长环境情况。想要更好的追溯农产品以及珍稀植物的源头，当代的研究主要是通过研究植物组织中某一稳定同位素或者结合矿质元素来获取相关信息，但是仅通过检测分析单一稳定同位素或矿物质元素进行溯源会使结果出现较大偏差，成功率较低。产地溯源时所参考的指标均存在一定优缺点，例如δ13C可以综合反映温度等环境因子，但其在距离相近的地区之间差异不显著，无法有效判别;δ15N是土壤氮来源、土地利用方式、耕作措施等的良好指示，但其同一个地区不同样品间变异较大[2]。由此可以看出稳定碳、氮同位素存在一定的互补性，且稳定碳氮同位素组成可用同一份植物组织或土壤等固体样品中经稳定同位素质谱—元素分析联用仪（EA-IRMS）被转化为CO2和N2测试，从而得到样品中的碳、氮百分含量及其稳定同位素值，同时测定，因此在今后可考虑将稳定碳、氮同位素结合起来进行产地溯源，这样溯源结果的准确率比起单一使用碳、氮稳定同位素也会有所提高。

1 同位素的概念

同位素是指质子数相同中子数不同且在元素周期表中位置相同的不同核素。同位素按照稳定性强弱可分为稳定同位素和放射性同位素[3]。该研究主要介绍在产地溯源使用较广泛的稳定碳、氮同位素。碳同位素中的13C属于稳定同位素，与放射性同位素14C不同的是，它进入植物体内不会自发地放出射线导致衰变且含量非常稳定。13C进入植物体并形成植物组成物质过程的第一阶段即大气中的CO2进入气孔腔时，除受自身遗传因素影响外，它还会受到与植物本身生长密切相关的地理和环境因子比如经纬度、海拔、大气温度、湿度、大气CO2浓度、光照强度、降水等的影响，这也就意味着在不同气候环境条件下同种植物的稳定性碳同位素组成δ13C值也会存在较大差异，所以可以通过测定其在植物组织中和某些环境物质如土壤等的含量来揭示与植物生理生态过程相关的环境信息[4-6]。

在植物生长过程中，氮是影响和限制植物生长的营养元素之一。氮同位素中14N和15N均为稳定同位素，常用15N/14N表示稳定氮同位素组成，以δ15N表示，一般采用空气中氮为标准物质[7]。植物组织中稳定性氮同位素组成δ15N在很大程度上受到植物本身类型和植物的生长环境如气候条件、土壤状况等因素的影响，造成其在不同地区间存在较大差异，即δ15N值在一定的时间和空间上也可以揭示与植物生理生态过程相关的环境信息[3，8]，可作为产地溯源的指标之一。

2 同位素溯源的原理

稳定同位素分析目前已经越来越普遍应用于产地溯源，特别是在传统分析方法不能提供明确结果的情况下。自然界中生物体与其生存的外界环境不断进行物质交换，不同种类或来源的物质中的同位素受环境、生物代谢类型等因素影响会发生自然分馏效应，例如植物在固定CO2时会因不同的光合羧化循环而发生碳分馏，进而使其自然丰度产生差异，这种差异因携带有环境因子的信息，能直接反映生物体所处的环境条件，因此可以通过这种差异来区分其可能的产地，从而实现产地溯源。换言之，产地溯源是根据自然分馏效应来实现的。自然生物体中稳定性同位素组成是物质的自然属性，具有独立性、不容易受人为因素的影响而被更改等特点，可作为物质的一种“自然指纹”来区分不同来源的物质。换言之，生物体中同位素指纹是外部环境在生物体中打下的“烙印”，因此可以把稳定同位素作为地理来源的过程指标和示踪剂[9-10]。

3 稳定同位素在植物产地溯源中的研究

温周瑞等[11]对贡湖湾、梅梁湾10种水生植物的稳定碳、氮同位素值进行了测定，研究表明水生植物不同种类之间、不同采样时间和采样点之间的稳定碳、氮同位素值不同，总体上季节性变化规律不明显，空间变化有一定规律性。即高等水生植物的稳定碳、氮同位素能够反映其生理生态学信息，因此今后在一定程度上可以根据稳定碳、氮同位素值对高等水生植物进行产地溯源。

Kornexl等[12]测定了巴西等橙汁主要生产国橙汁中果肉的δ13C、δ15N 值，发现将δ13C值和δ15N值综合起来可以实现特征聚类从而将不同产地的橙汁区分开，而仅凭单一的δ13C值或δ15N值不能。陈历水等[13]对哈尔滨、牡丹江、昌吉和塔城4个地区的黑加仑（Ribes nigrum）的果实、树叶、土壤和果汁进行了碳和氮稳定同位素比率研究，结果发现单一利用δ13C指标、δ15N指标对黑加仑果实整体的正确判别率分别为47.8%、80.8%，而综合2个指标联合分析黑加仑果实产地溯源的准确率达86.9%。Mimmo等[14]比较了波尔察诺、费拉拉、乌迪内、维罗纳4个地区的不同苹果（Malus pumila）品种的 δ13C、δ15N 值，发现 δ13C、δ15N 值能够区分不同产地的苹果，哪怕它们相距仅几百千米，溯源准确率高达99%。王红云等[15]对河北省赞皇、行唐、阜平10个枣园的大枣（Ziziphus jujuba）果肉中的δ13C和δ15N值进行了研究，研究表明利用稳定同位素技术对太行山中麓大枣进行产地溯源是可行的，同时使用碳、氮2种同位素比单独使用其中1种同位素进行产地溯源的正确率更高。

在药用植物方面，李国琛[16]采集了辽宁、吉林、黑龙江、陕西、湖北、湖南和广西7个省（区）的五味子（Schisandra chinensis）样品，统计分析表明7个省（区）五味子δ13C值和δ15N均存在显著差异，δ13C与δ15N是五味子产地溯源的良好指标。Maggi等[17]通过分析希腊等4个典型产区的28个藏红花（Crocus sativus）样品的稳定碳、氮、氢同位素组成进行产地溯源，结果表明利用稳定碳、氮、氢同位素来区分藏红花地理来源是一种准确率较高、较为可靠的手段。李辉等[18]测定12个不同产区冬虫夏草（Stachys geobombycis）以及3种亚香棒虫草的δ15 N和δ13 C值，成功建立了氮稳定同位素比值分析技术方法对冬虫夏草进行有效产地溯源。何忠俊等[19]在获得来自44个地区的3年生春三七（Panax notoginseng）主根样品数据的基础上研究了49个生态指标与三七主根稳定碳同位素比率的数量关系，结果发现三七主根稳定碳同位素主要受到产地温度状况和经度的影响，因此可将其作为三七主根和相关产品产地溯源的主要指标，在实践中可以结合其他溯源指标使用。杜华[20]对四川峨眉山、四川洪雅、陕西镇坪、云南贡山、湖北利川和重庆石柱等6个产地的103份黄连（Coptis chinensis）样品进行了稳定同位素分析，研究结果显示δ13C与δ15N的组合图可以对6个区域进行清晰分类，且比其他二维组合图区分更有效。张文丽等[21]对不同产地竹节参（Panax japonicus）进行稳定性碳、氮同位素组合，研究表明对中国湖北五峰、湖北利川、贵州毕节和日本秋田的竹节参可实现有效的地域区分。杨燕等[22]对来自甘肃、四川和云南产地当归（Angelica sinensis）中δ13C、δ15N稳定同位素比率和碳、氮元素百分含量进行了测定，发现当归中稳定碳、氮同位素等在多种环境因素共同影响下形成不同的“地域标签”，表明δ13C、δ15N可能是当归产地识别的重要指标。