基于主成分分析和聚類(lèi)分析的紅火蟻毒腺生物堿的比較研究

張文倩，胡　林，陳　立，曾任森(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，廣東廣州5064; 中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所/農(nóng)業(yè)蟲(chóng)害鼠害綜合治理研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京000)

基于主成分分析和聚類(lèi)分析的紅火蟻毒腺生物堿的比較研究

張文倩1，2，胡林2，陳立2，曾任森1
(1華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，廣東廣州510642; 2中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所/農(nóng)業(yè)蟲(chóng)害鼠害綜合治理研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100101)

摘要:【目的】分析中國(guó)和美國(guó)2個(gè)入侵地紅火蟻Solenopsis invicta毒腺生物堿的主要化學(xué)成分及其聚類(lèi)特征.【方法】以中國(guó)廣州、惠州、深圳、珠海和東莞以及美國(guó)阿拉巴馬州采樣地共24巢紅火蟻為樣本，提取各個(gè)蟻巢毒腺的生物堿流分，分別以紅火蟻?lái)樖缴飰A流分中的15種生物堿和反式生物堿流分中的7種生物堿相對(duì)含量作為變量，建立2個(gè)數(shù)據(jù)矩陣，進(jìn)行主成分分析和聚類(lèi)分析.【結(jié)果和結(jié)論】主成分分析結(jié)果表明，將紅火蟻?lái)樖缴飰A流分中的15種生物堿綜合成為2個(gè)主成分因子，主要是順式－2－甲基－6－(4'－十三烯)哌啶、2－甲基－6－(6'－十五烯)－Δ1，6－哌啶、2－甲基－6－十五烷基－Δ1，6－哌啶和順式－2－甲基－6－十一烷基哌啶;反式生物堿流分中的7種生物堿綜合成1個(gè)主成分因子，主要是反式－2－甲基－6－(4'－十三烯)哌啶和反式－2－甲基－6－(6'－十五烯)哌啶.順式生物堿流分的聚類(lèi)分析可以將美國(guó)種群與中國(guó)種群區(qū)分開(kāi)來(lái)，而反式生物堿流分不能.

關(guān)鍵詞:紅火蟻;毒腺;生物堿;主成分分析;聚類(lèi)分析

張文倩，胡林，陳立，等.基于主成分分析和聚類(lèi)分析的紅火蟻毒腺生物堿的比較研究［J］.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，36(6):76-81.

優(yōu)先出版時(shí)間:2015-10-16

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紅火蟻Solenopsis invicta Buren屬膜翅目Hymenoptera蟻科Formicidae火蟻屬Solenopsis，起源于南美洲的巴拉納河流域［1］.2004年前后于我國(guó)臺(tái)灣、廣東吳川發(fā)現(xiàn)入侵紅火蟻，短短10年間已遍布廣東省，并相繼蔓延至福建、廣西、湖南、海南、云南、重慶、香港、澳門(mén)等地［2-6］.紅火蟻攻擊性強(qiáng)、擴(kuò)散速度快、為害范圍廣，主要危害農(nóng)作物的根、莖、葉、果實(shí)，破壞生態(tài)系統(tǒng)的多樣性，當(dāng)受到干擾時(shí)會(huì)蟄刺人、畜，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致人休克甚至死亡［7-9］.

紅火蟻的攻擊性與其毒腺分泌物有重要關(guān)系.一般膜翅目昆蟲(chóng)毒液的主要成分是水溶性蛋白，例如蜜蜂、胡蜂、黃蜂等［10］.紅火蟻毒液中水溶性蛋白極少，主要化學(xué)成分是生物堿［10］，儲(chǔ)藏在毒囊中并通過(guò)螯針注入被攻擊對(duì)象［11-12］.其毒液具有滅菌殺蟲(chóng)等功能［13］，在與本地螞蟻競(jìng)爭(zhēng)時(shí)具有一定的優(yōu)勢(shì)［14］，是紅火蟻能夠成功入侵并定殖的重要武器.國(guó)外對(duì)紅火蟻工蟻的毒液成分已有較多研究，其主要成分是2－甲基－6－烷基哌啶生物堿混合物，這些哌啶生物堿有2個(gè)手性中心，存在立體異構(gòu)現(xiàn)象，其中，順式生物堿構(gòu)型為(2R，6S)，反式構(gòu)型為(2R，6R)［15］.

目前國(guó)內(nèi)對(duì)紅火蟻毒腺生物堿已有一些化學(xué)成分方面的研究［16-18］，而應(yīng)用數(shù)學(xué)分析法對(duì)紅火蟻毒腺生物堿進(jìn)行總體的比較和綜合研究鮮見(jiàn)報(bào)道.本研究應(yīng)用GC-MS分析了我國(guó)的廣州、惠州、深圳、珠海和東莞及美國(guó)的阿拉巴馬州6個(gè)地區(qū)的紅火蟻毒腺生物堿成分，以鑒定出的順式生物堿流分中的15種生物堿和反式生物堿流分中的7種生物堿的相對(duì)含量數(shù)據(jù)作為變量，建立2個(gè)矩陣進(jìn)行主成分分析和聚類(lèi)分析，找出紅火蟻毒腺生物堿中起主導(dǎo)作用的化學(xué)物質(zhì)，并通過(guò)聚類(lèi)分析指出可以用紅火蟻?lái)樖缴飰A的相對(duì)含量來(lái)評(píng)價(jià)紅火蟻的分布情況，為今后研究該蟻的生態(tài)分布和入侵情況提供新思路.

1　材料與方法

1.1材料及處理

試驗(yàn)所用數(shù)據(jù)來(lái)自官迪等［18］，應(yīng)用GC-MS分析我國(guó)的廣州、惠州、深圳、珠海和東莞以及美國(guó)阿拉巴馬州6地24巢紅火蟻的毒腺生物堿成分，鑒定出順式生物堿流分中的15種生物堿和反式生物堿流分中的7種生物堿，各生物堿組分色譜峰積面積的相對(duì)百分比就是其相對(duì)百分含量.

1.2數(shù)據(jù)處理

以6地各個(gè)蟻巢毒腺的順式生物堿流分中的15種生物堿和反式生物堿流分中的7種生物堿相對(duì)含量數(shù)據(jù)作為變量，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，由此構(gòu)建出順式生物堿流分和反式生物堿流分2個(gè)數(shù)據(jù)集，均以蟻巢為數(shù)據(jù)矩陣的行、以生物堿相對(duì)含量為列.

利用多元統(tǒng)計(jì)分析軟件PC-ORD，對(duì)上述2個(gè)數(shù)據(jù)集進(jìn)行主成分分析和聚類(lèi)分析.其中聚類(lèi)分析選用Euclidean距離系數(shù)，用WARD法對(duì)數(shù)據(jù)矩陣中的各行(即各蟻巢)進(jìn)行聚類(lèi)，輸出樹(shù)狀圖.

2　結(jié)果與分析

2.1紅火蟻的順式生物堿和反式生物堿

通過(guò)對(duì)24巢紅火蟻浸提物柱層析分析和GCMS鑒定，獲得順式生物堿流分中的15種生物堿成分和反式生物堿流分中的7種生物堿成分(圖1)，各個(gè)地區(qū)的毒腺生物堿成分沒(méi)有差異.在順式生物堿流分中，順式－2－甲基－6－(4'－十三烯)哌啶、順式－2－甲基－6－(6'－十五烯)哌啶、2－甲基－6 －(6'－十五烯)－Δ1，6哌啶和2－甲基－6－十五烷基－Δ1，6－哌啶的含量較高;在紅火蟻反式生物堿流分中，反式－2－甲基－6－(4'－十三烯)哌啶、反式－2－甲基－6－十三烷基哌啶、反式－2－甲基－6 －(6'－十五烯)哌啶和反式－2－甲基－6－十五烷基哌啶的含量較高.

圖1　紅火蟻工蟻?lái)樖胶头词缴飰A流分總離子色譜圖Fig.1　 Total ion chromatograms of the cis-and trans-alkaloid fractions extracted from red imported fire ant workers from different areas

2.2紅火蟻?lái)樖缴飰A的主成分分析

對(duì)順式生物堿流分中的15種生物堿的主成分分析(表1)表明，前2個(gè)主成分累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)90.245%，剩下的8個(gè)主成分因子對(duì)紅火蟻?lái)樖缴飰A的貢獻(xiàn)率很小，可用這2個(gè)主成分較好地替代上述15種生物堿.

由表2可見(jiàn)，順式－2－甲基－6－(4'－十三烯)哌啶、2－甲基－6－十五烷基－Δ1，6－哌啶和2－甲基－6－(6'－十五烯)－Δ1，6－哌啶在第1主成分上的載荷分別為－8. 280 7、－6. 604 4、－6. 516 9，它們的載荷值符號(hào)同為負(fù)值，表明它們之間是負(fù)相關(guān)關(guān)系.主要決定第1主成分大小的為順式－2－甲基－6－(4'－十三烯)哌啶、2－甲基－6－十五烷基－Δ1，6－哌啶和2－甲基－6－(6'－十五烯)－Δ1，6－哌啶.第一主成分反映原始數(shù)據(jù)信息量的74. 392%.順式－2－甲基－6－十一烷基哌啶在第2主成分上的載荷為6. 744 8，說(shuō)明其主要決定第2主成分大小，其方差貢獻(xiàn)率為15. 853%.

表1　順式生物堿流分的主成分分析Tab.1　 Principal component analysis of the cis-alkaloid fraction

表2　順式生物堿流分各化合物的載荷矩Tab.2 Component matrix of 15 compounds from the cis-alkaloid fraction

2.3紅火蟻反式生物堿的主成分分析

對(duì)反式生物堿流分的主成分分析(表3)表明，第1個(gè)主成分累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)92.663%，可以用這一主成分較好地替代上述7種生物堿.

由表4可知，決定第1主成分的主要是反式－2－甲基－6－(4'－十三烯)哌啶和反式－2－甲基－6－(6'－十五烯)哌啶.

2.4紅火蟻生物堿的聚類(lèi)分析

分別對(duì)紅火蟻的順式生物堿流分和反式生物堿流分進(jìn)行聚類(lèi)分析，結(jié)果如圖2.由圖2A可知，利用紅火蟻?lái)樖缴飰A流分的2個(gè)主成分可以將美國(guó)采集的4巢螞蟻聚在一起，并與廣東的5個(gè)采集地區(qū)分開(kāi)來(lái).而紅火蟻反式生物堿流分的聚類(lèi)結(jié)果(圖2B)較雜亂、無(wú)規(guī)律.所以，用紅火蟻的順式生物堿流分對(duì)紅火蟻的采樣地進(jìn)行聚類(lèi)分析更為科學(xué).

表3　反式生物堿流分的主成分分析Tab.3　 Principal component analysis of the trans-alkaloid fraction

表4　反式生物堿流分各化合物的載荷矩Tab.4 Component matrix of 7 compounds from the trans-alkaloid fraction

圖2　紅火蟻?lái)樖胶头词缴飰A流分的聚類(lèi)分析樹(shù)狀圖Fig.2 Dendrogram generated from clustering analysis of 15 compounds from the cis-alkaloid fraction and 7 compounds from the transalkaloid fraction of red imported fire ants

3　討論與結(jié)論

MacConnell等［11］利用氣相色譜和質(zhì)譜分析鑒定了紅火蟻毒液的5種主要生物堿.Chen等［19-20］重新分析了紅火蟻工蟻毒腺的化學(xué)成分，主要包括7種順式生物堿和9種反式生物堿，除了已知的7對(duì)哌啶生物堿外，還報(bào)道了微量的哌啶環(huán)含Δ1，2和Δ1，6雙鍵的哌啶生物堿，推測(cè)其為毒液主要哌啶生物堿的生物合成途徑的前體化合物.本研究通過(guò)分析采集的24巢紅火蟻，得到相對(duì)含量較高的幾個(gè)組分，順式生物堿流分中為順式－2－甲基－6－(4'－十三烯)哌啶、順式－2－甲基－6－(6'－十五烯)哌啶、2－甲基－6－(6'－十五烯)－Δ1，6哌啶和2－甲基－6－十五烷基－Δ1，6－哌啶;反式生物堿流分中為反式－2－甲基－6－(4'－十三烯)哌啶、反式－2－甲基－6－十三烷基哌啶、反式－2－甲基－6－(6'－十五烯)哌啶和反式－2－甲基－6－十五烷基哌啶.

主成分分析是把多個(gè)指標(biāo)化為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)的一種統(tǒng)計(jì)分析方法，采用一種降維的方法找出幾個(gè)綜合因子來(lái)代表原來(lái)眾多的變量［21］.本研究通過(guò)主成分分析將紅火蟻?lái)樖缴飰A流分中的15種生物堿綜合成為2個(gè)主成分，分別稱(chēng)為主成分1和主成分2，可以用這2個(gè)主成分較好的替代紅火蟻?lái)樖缴飰A流分.在比較分析紅火蟻?lái)樖缴飰A流分時(shí)，可以直接用順式－2－甲基－6－(4'－十三烯)哌啶、2－甲基－6－(6'－十五烯)－Δ1，6－哌啶、2－甲基－6－十五烷基－Δ1，6－哌啶和順式－2－甲基－6－十一烷基哌啶這4個(gè)主要化合物來(lái)進(jìn)行分析判斷.而7種反式生物堿流分綜合成了1個(gè)主成分，反式－2－甲基－6－(4'－十三烯)哌啶和反式－2－甲基－6－(6'－十五烯)哌啶這2個(gè)化合物決定了這一主成分，比較分析紅火蟻反式生物堿流分時(shí)即可用這2個(gè)化合物進(jìn)行分析.主成分分析的結(jié)果與紅火蟻生物堿相對(duì)含量高的化合物基本保持一致.由于紅火蟻的生物堿是2－甲基－6－烷基哌啶類(lèi)混合物，利用主成分分析把紅火蟻的眾多生物堿綜合成為幾個(gè)有代表性的化合物，為紅火蟻的綜合評(píng)價(jià)提供了很好的理論依據(jù).

對(duì)順式生物堿流分進(jìn)行聚類(lèi)分析的結(jié)果表明，在美國(guó)采集的4巢紅火蟻聚成1類(lèi)，與在中國(guó)廣東采集到的紅火蟻區(qū)分開(kāi)來(lái).中國(guó)廣東5個(gè)城市采集的20巢紅火蟻聚成3類(lèi)，但分類(lèi)沒(méi)有明顯規(guī)律.而反式生物堿流分聚類(lèi)分析的結(jié)果不能將美國(guó)的紅火蟻與廣東地區(qū)的區(qū)分開(kāi)來(lái).Yu等［16］定量分析了紅火蟻、黑火蟻和雜合蟻的順式、反式生物堿的種間差異，其中紅火蟻的反式生物堿的含量是順式生物堿的87～248倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于黑火蟻和雜合蟻.中國(guó)的紅火蟻是從美國(guó)入侵過(guò)來(lái)的［22］，毒腺分泌的主要成分即反式生物堿不會(huì)有差別，而順式生物堿等微量成分有差別是可以理解的.所以，用微量成分即紅火蟻的順式生物堿流分進(jìn)行聚類(lèi)分析時(shí)，能將美國(guó)的紅火蟻和中國(guó)的紅火蟻區(qū)分開(kāi)來(lái)，而主要成分即反式生物堿流分聚類(lèi)分析不能將這2個(gè)地區(qū)的紅火蟻區(qū)分開(kāi).官迪等［18］采用Tukey-HSD多重比較的方法，分析了中國(guó)廣東和美國(guó)等6個(gè)地區(qū)紅火蟻生物堿相對(duì)含量的差異，單個(gè)成分之間的比較分析不能代表種間差異.本文則是在官迪等［18］的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對(duì)6個(gè)地區(qū)紅火蟻生物堿的相對(duì)含量進(jìn)行主成分分析和聚類(lèi)分析，把紅火蟻眾多生物堿綜合成為幾個(gè)有代表性的化合物，為紅火蟻的分布和擴(kuò)散提供了理論依據(jù).此外，用生物堿對(duì)紅火蟻種群進(jìn)行聚類(lèi)分析，可以從化學(xué)進(jìn)化的角度來(lái)解釋紅火蟻的分布.

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【責(zé)任編輯霍歡】

Comparative studies on alkaloids secreted by vemon gland of Solenopsis invicta based on principal component analysis and cluster analysis

ZHANG Wenqian1，2，HU Lin2，CHEN Li2，ZENG Rensen1
(1 College of Agriculture，South China Agricultural University，Guangzhou 510642，China; 2 State Key Laboratory of Integrated Management of Pest Insects and Rodents/Institute of
Zoology，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101，China)

Abstract:【Objective】To analyze the major components and cluster features of alkaloids，which are secreted by vemon gland of red imported fire ants，Solenopsis invicta，from China and USA.【Method】Twenty four colonies of S.invicta were collected from Guangzhou，Huizhou，Shenzhen，Zhuhai，Dongguan of China and Alabama of USA.Alkaloids of vemon gland were extracted.Two data matrix were established with variable of relative contents of 15 kinds of cis-alkaloids and 7 kinds of trans-alkaloid respectively.The alkaloid fraction was analyzed by principal component analysis and cluster analysis.【Result and conclusion】The results showed that the 15 types of alkaloids from the cis-alkaloid fraction werebook=77,ebook=349consolidated into two principal components，including cis-2-methyl-6-(4'-tridecenyl) piperidine，2-methyl-6-(6'-pentadecenyl) -Δ1，6-piperidine，2-methyl-6-pentadecyl-Δ1，6-piperidine and cis-2-methyl-6-undecylpiperidine seven types of alkaloids from the trans-alkaloid fraction were consolidated into one principal component，including trans-2-methyl-6-(4'-tridecenyl) piperidine and trans-2-methyl-6-(6'-pentadecenyl) piperidine.The results of cluster analyses demonstrate that alkaloids from the cis-alkaloid fraction can distinguish the USA populations from the Chinese populations，but alkaloids from the trans-alkaloid fraction can not.

Key words:Solenopsis invicta; vemon gland; alkaloid; principal component analysis; cluster analysis

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(30970402)

作者簡(jiǎn)介:張文倩(1990—)，女，碩士研究生，E-mail: woshizwq@ 126.com;通信作者:曾任森(1965—)，男，教授，博士，E-mail: rszeng@ scau.edu.cn

收稿日期:2014-12-23

文章編號(hào):1001-411X(2015) 06-0076-06

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

中圖分類(lèi)號(hào):S481