热点应用丨拉曼成像下，蜜蜂与花粉的前世今生

2022-07-12 23:39:16, 天美天美仪拓实验室设备（上海）有限公司

前言

蜜蜂对于我们所吃的食物以及作为野生动物栖息地的树木和花卉授粉至关重要，多亏了蜜蜂，我们可以享用从苹果到咖啡的各种食物。世界上大约 75% 的作物依赖于传粉媒介来提供高产的优质水果、蔬菜、坚果、种子和油类。在以前，由于蜜蜂等授粉昆虫数量众多、自然丰裕，农场并不担心授粉问题。然而，由于人口增加需要更多作物，以及栖息地的破坏和化肥的使用，蜜蜂群落正在减少¹。

Figure 1: 关于蜜蜂.

“传粉媒介危机”是指全球传粉媒介数量下降，因为它们变得越来越濒临灭绝，联合国和绿色和平组织的报告证实了这一点^2,3。传粉媒介减少导致生物多样性减少，水果和蔬菜质量下降，这意味着更高质量的作物以更高的价格出售。蜜蜂是完美的传粉媒介；它们的后腿上长有花粉篮，由毛发形成，可以有效地运输花粉。虽然还有许多其他授粉物种，但蜜蜂通常是最有效的，因为它们会造访许多花朵并携带多种花粉。

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花粉分析

花粉是开花植物产生的粉状物质，它含有蜜蜂的营养需求：糖、碳水化合物、酶、蛋白质、维生素和矿物质。花粉种子的学名是“小配子体”，它们会产生雄配子。通过授粉，雄配子到达植物的雌性柱头，从而受精，见图 2。花蜜和花粉被蜜蜂带回蜂巢，变成蜂蜜，储存起来在冬季使用。

Figure 2: 花粉通过蜜蜂授粉.

花粉研究被称为孢粉学，它对于了解生态系统很重要，同时也可用于法医学和考古学。使用拉曼光谱仪，我们可以对单个花粉粒进行成像并识别它们的种类。此外，也可以评估营养水平，这对于确定蜜蜂是否获得所需的养分很重要。花粉研究提供了对传粉媒介生物多样性和植物与传粉媒介相互作用的深入了解，这反过来又可以使研究人员能够获得有关该地区栽培作物的信息。图3显示了在 RMS1000 共聚焦显微拉曼光谱仪上使用638 nm激光从百合花粉中获取的拉曼成像信息。

Figure 3: (a) 百合花粉粒的拉曼成像 (b) 百合花粉的拉曼光谱 (c) 百合花粉外壁（蓝色）、内壁（白色）和蛋白质（黄色）的拉曼成像图。

图 3(a) 显示了两个花粉粒的拉曼成像图，以及图 3(b) 中的谱带归属后的拉曼光谱。花粉粒受到由孢粉素形成的外壁和由纤维素和果胶形成的内壁的保护，这在一定程度上有助于 C-H 键的伸缩振动。花粉光谱中的大多数其他波段是由碳水化合物、脂质和蛋白质分子的拉伸和弯曲振动引起的。蛋白质是花粉粒的主要成分，代表图 3(a) 中拉曼图所示的黄色区域，主要由两个波段组成，C=C拉伸键（~1525 cm^-1）和C-C拉伸键（~1155 cm^-1）。这些强峰是由类胡萝卜素的共振拉曼效应引起的，以粉红色突出显示（图 3(a)）。它们仅以低浓度存在于花粉中，然而，共振拉曼效应导致它们的拉曼峰强度大大增加^4,5。在图3(c)中，去除类胡萝卜素谱带，我们可以看到构成外细胞壁的孢粉素（蓝色），内细胞壁（白色），以及整个花粉粒中蛋白质的广泛分布位置（黄色）。

Figure 4: RMS1000共聚焦显微拉曼光谱仪

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参考文献

1. Bees and other pollinators, FAO’s Global Action on Pollination Services for Sustainable Agriculture, https://www.fao.org/pollination/background/bees-and-other-pollinators/en/, (accessed 9 May 2022).

2. Nearly one in 10 wild bee species face extinction in Europe while the status of more than half remains unknown, ICUN, https://www.iucn.org/content/nearly-one-10-wild-bee-species-face-extinction-europe-while-status-more-half-remains-unknown-iucn-report, (accessed 9 May 2022)

3. Bees in Decline, Greenpeace, https://www.greenpeace.org/international/publication/6839/bees-in-decline/, (accessed 9 May 2022)

4. Kenđel and B. Zimmermann. Chemical Analysis of Pollen by FT-Raman and FTIR Spectroscopies, Front. Plant Sci., 2020, 11, 1-19.

5. Bagcioglu, B. Zimmermann and A. Kohler. A Multiscale Vibrational Spectroscopic Approach for Identification and Biochemical Characterization of Pollen, PLoS One, 2015, 10, 1-19

https://www.edinst.com/blog/map-of-the-month-diatom/