Пыльца и споры (совместно спороморфы), репродуктивные векторы наземных растений, содержат химические признаки преобладающего потока ультрафиолета-В, которые могут быть использованы в качестве заменителя для реконструкции ультрафиолета-В (УФ-В) во времени. Растительные ткани содержат UV-B абсорбирующие соединения, натуральный солнцезащитный крем, который защищает клетки от вредного воздействия UV-B. Крайне важно, что они имеют возможность регулировать производство ОАК в ответ на увеличение УФ-излучения В, что обеспечивает основу для УФ-В. В спороморфах поглощение УФ происходит главным образом во внешней стене или экзине, которая состоит из спорополленина, биополимера, обладающего высокой химической, биологической и физической устойчивостью, что обеспечивает растениям ископаемые останки, которые растут до Ордовика, ~ 470 миллионов лет назад. UACs в sporopollenin являются фенольными соединениями p-кумаровой кислоты и ферруловой кислоты, которые образуют перекрестные связи между прямыми алифатическими соединениями цепи, и поглощают солнечный UV-B через их ароматическую кольцевую структуру. Измеряемое увеличение концентрации ОАК в спорополленине в ответ на увеличение потока УФ-излучения было документально подтверждено в различных условиях, открывая возможность реконструкции УФ-В и его ковариатов через геологическое время.
Первоначальные исследования в области химии спорополленина и измерения ОАК проводились с использованием пиролиза ГХ-МС и термогемолиза ГХ-МС. Анализ на основе ГХ-МС, однако, являются относительно дорогостоящими, трудоемкими и разрушительными. Инфракрасная спектроскопия преобразования Фурье (ИК-Фурье) является альтернативным способом измерения концентраций ОАК через ароматический (С) пик, который составляет от 0,066 до 0,065 мм. Поскольку абсолютная высота пика зависит от толщины образца и концентрации ОАК, этот пик ранее был нормализован на широкой полосе поглощения гидроксила (OH) на уровне ~ 0,03 мм, поскольку он внутренне стабилен в спорополленине FTIR.
МДП обеспечивает эффективные, экономичные и неразрушающие средства накопления больших массивов данных для оценки химии спороморфов, что позволяет разрабатывать косвенные показатели. Однако при измерении концентраций ОАК по спектру ИК-спектров возможны смешивающие факторы. В частности, присутствие азотсодержащих соединений может влиять на измерение ароматического пика 0,066 мм. Известно, что азот встречается в белках в спироморфах и возникает в колебательных спектрах через группы амидов, которые представляют белковую основу, и другие связи, которые относятся к конкретным боковым аминокислотным цепям.
Особое значение имеет положение полосы амидов 2 в спектре спектральных колебаний. Эта полоса является результатом прежде всего внефазовой комбинации изгиба NH и растяжения CN, которая обычно происходит на высоте ~ 0,064 мм, но может присутствовать и на достаточно низких числах волн, которые могут быть объединены с 0,066 мм или воздействовать на ароматический пик. Тирозин аминокислот, ранее идентифицированный в зернах пыльцы, также является ароматическим пиком на ~ 0,065 мм, в пределах диапазона частот пика ОАК. Высота 0,066 мм гидроксильной полосы, используемой для нормализации ароматического пика 0,066 мм, может также зависеть от амидных групп, либо от амидных полос А и В, которые представляют собой NH растяжение и возникают на ~ 0,066 и 0,031 мм, соответственно, либо через обертоны амидной 2 полосы. Было высказано предположение, что соотношение аромат/гидроксил может частично относиться к макромолекулярной структуре спирополленина, а не к концентрациям UAC.
Для понимания влияния азота на количественную оценку ОАК критически важным является определение местоположения азотсодержащих соединений в спороморфах. Известно, что белки встречаются в цитоплазме и в соединениях, внешних по отношению к спироморфной стенке, но ГХ-МС анализ спирополленина сам по себе не дает азотсодержащих соединений. В этом случае влияние азота на FTIR-спектры должно быть ограничено при применении к ископаемым или переработанным спороморфам, где остается только спорополлениновая составляющая. Однако воздействие азота на градиент UV-B явно не изучалось, и для успешного анализа как современных (экспериментальных и гербариевых), так и ископаемых образцов необходимо понимать этот и другие потенциальные эффекты смешения.
Результаты исследования согласуются с предыдущими исследованиями, которые выявили амидные и ароматические пики в спороморфных FTIR-спектрах. Пики амида 1 и 2, а также ароматная вершина 0,066 мм, лежащая в основе UV-B, четко и последовательно различаются в таких разнообразных таксонах, как ликоподиум, гимнастика семейства Pinaceae и Podocarpaceae, ангиоспермы семейства Liliaceae, Oleaceae и Plantaginaceae. Это свидетельствует о том, что 0,066 мм ароматического пика обеспечивает показатель концентрации спорополленина ОАК, который не зависит от влияния пика амида 2.
Высота пика 0,033 мм гидроксила не показывает статистически значимого тренда по всему градиенту затенения. Аналогичные закономерности высоты ароматического пика 0,066 мм реконструируются при нормализации по гидроксильному пику или стандартизации по оси Z, что показывает, что высота гидроксильного пика устойчива к поглощению азотсодержащих соединений в той же части спектра. Форма гидроксильной абсорбционной полосы изменяется после ацетолиза, возможно, в результате потери белков или гидроксильных групп вне спирополленина. Однако восстановление аналогичного статистически значимого тренда высоты ароматических пиков в спорах с ацетолизом позволяет предположить, что это не проблематично для прокси-сервера UV-B, и стандартизация по гидроксильной полосе или очкам z должна давать точные результаты.
Удаление или уменьшение пиков амидов после ацетолиза, а также пиков, связанных с липидами, углеводами и другими белковыми связями, согласуется с этими соединениями, возникающими вне спорополленинового компонента спор и пыльцы. Поэтому в ископаемых пробах, где сохраняется только спирополленин, не будет обнаружено никаких экологических тенденций в этих соединениях, независимо от их пикового положения по отношению к ароматическим пикам, чувствительным к УФ-излучению. Это особенно важно в случае пика тирозина, который возникает на высоте 0,065 мм и поэтому не может быть отделен так же легко, как амид 2 полоса. Ранее зафиксированное снижение высоты пика 0,066 мм при ацетолизе может быть связано с потерей этой аминокислоты от спороморфов.
Важно отметить, что эти результаты впервые показывают, что восстанавливаемая реакция на поток УФ-В присутствует в изолированном спорополленине и измеряется в МДП. Это подтверждает предположение, что спирополленин, сохраненный в ископаемом материале, должен содержать достаточную сигнатуру УФ-ответа В, чтобы обнаружить его с помощью FTIR в качестве аналитического инструмента.
Недавние исследования показали потенциал использования изолированных спороморфных экзинов в качестве микрочастиц и микрокапсул с быстро растущим спектром применения в материаловедении, пищевой и фармацевтической промышленности. Полное понимание химии спирополленина и влияния на нее других веществ имеет важное значение для этих видов деятельности, и FTIR предоставляет быстрый метод для оценки этого. Наши результаты подчеркивают важность использования спектров ацетолизованных (или иным образом обработанных) спор и пыльцы при оценке химии спорополленина, а не спектров свежих зерен. Это важно прежде всего потому, что сильные пики в ацетолизованных спектрах, такие как пик на 0,097 мм, могут быть затемнены в свежем спектре. Во-вторых, как уже отмечалось, некоторые ароматические и алифатические пики частично связаны с лабильными компонентами вне спирополленина и уменьшаются в высоте при выделении спирополленина. В данном исследовании это наблюдается в ароматическом пике на 0,11 мм и алифатических пиках на 0,034 и 0,035 мм, которые уменьшаются при ацетолизе. В этих случаях пики, вероятно, относятся к соединениям, которые встречаются как внутри спирополленина, так и за его пределами, и только с помощью спектров, изолированных экзинов можно получить точные оценки химии спирополленина.
Присутствие азота в белках спироморфов не мешает измерению концентраций ОАК с помощью FTIR. Амидные группы явно отличаются от ароматического пика УФ-Б 0,066 мм, не изменяют высоту гидроксильной полосы, которая использовалась для нормализации ароматического пика, и полностью или в основном ограничиваются соединениями, происходящими вне спирополленина, и поэтому имеют мало значения для исследований ископаемых спороморфов. Мы также показали, что тот же фенольный градиент, который присутствует в свежих (т.е. необработанных) спорах, извлекается из выделенного спорополленина. Учитывая высокий потенциал сохранения спирополленина в ископаемом материале, предполагаем, что УФ-реконструкции вполне достижимы даже в глубоких временных рамках.