药用植物铁皮石斛叶和茎的代谢特征外文翻译资料

药用植物铁皮石斛叶和茎的代谢特征

摘要：铁皮石斛是一种在西亚国家广泛使用的具有高度商业和药理价值的药用植物。铁皮石斛的基因组和转录组数据报道较多，但是，其详细的代谢组数据尚缺。在本研究中，采用靶向代谢组学方法，我们检测了铁皮石斛的茎和叶中649种不同的代谢产物。这些代谢物主要是有机酸、氨基酸及其衍生物、核苷酸及其衍生物和黄酮类化合物。虽然茎和叶部分含有相似的代谢物，但从定量结果来看茎和叶的代谢物特征是不同的。茎，作为铁皮石斛的药用部位，许多代谢物在茎中的含量比叶中的更高，而叶片含有更多的多酚和脂质。总的来说，这项研究报告从铁皮石斛的茎和叶中获得了大量代谢组数据，为正在进行的的基因组研究和生物活性化合物的发现提供了有用的信息。

关键词：铁皮石斛，靶向代谢组学，生物活性化合物，植物器官

1.前言

石斛属是兰科植物中较大的属之一，共有1500-2000种，广泛分布于亚洲和澳大利亚北部。在这些物种中，铁皮石斛是一个具有商业和药理价值的物种。铁皮石斛在传统中药中已经使用了很长时间，是许多亚洲国家的珍贵草药。因其对胃炎、糖尿病、癌症、疲劳、衰老等的特殊药理作用被评为“中国九仙”之首。报道的铁皮石斛主要生物活性成分包括生物碱、多酚和多糖。特别是其关键生物碱倍半萜烯丁二酮，已被发现具有降压、抗癌、镇痛、解热等作用。

大量研究报道了铁皮石斛各器官的详细转录组特征，重要的是，生物碱和多糖的生物合成途径得到了解析。这些基因组资源是铁皮石斛栽培工程中提高生物活性分子水平的重要工具。然而，转录组仅代表生物结果的潜力。相比之下，代谢组学是一种更加强大的技术，因为代谢物及其浓度直接反映了细胞、组织或生物体潜在的生化活性和代谢状态。因此，整合代谢组学和转录组学的信息将有助于阐明铁皮石斛中关键生物活性化合物的生物合成途径。在此之前金等人分析了铁皮石斛茎的代谢组，但在他们的研究中报道的代谢物相对较少，未能提供该物种代谢丰富度的广泛情况。此外由于不同的器官被用作草药的原料并分离出生物活性化合物，因此全面检测铁皮石斛各器官的化学成分是至关重要的。在当前的工作中，我们使用了广泛靶向的代谢组学方法检测和确定铁皮石斛茎和叶中的数百种代谢物的浓度。

2.结果和讨论

2.1铁皮石斛叶和茎的定性代谢谱

在本研究中，采用靶向代谢组学方法（图1A），利用叶和茎的样本进行代谢谱分析。中国武汉的Metware生物技术有限公司的自编代谢数据库MWDB和广泛靶向的代谢组学策略为检测铁皮石斛中丰富多样的代谢物提供了平台，如之前的番茄、西藏桃和去核大麦。总共在两种样品中检测到649种代谢物（表S1），约为先前研究中检测到的代谢物数量的5倍。可以将检测到的各种分子大致分为32个主要类别，主要是有机酸、氨基酸及其衍生物，核苷酸及其衍生物和黄酮（表1）。相比之下，铁皮石斛的叶和茎中几乎没有属于烟酸衍生物、萜类和花青素类的化合物。生物碱是铁皮石斛中最主要的生物活性代谢物。我们在这两个器官中检测到七种生物碱，其中包括：大麦碱、哌啶、奎宁、异黄酮、甜菜碱、可可碱和藜芦啉。总的来说，多酚类化合物是铁皮石斛代谢组的主要成分，其中9种不同的多酚类化合物（茶素衍生物，黄烷酮，黄酮，黄酮C-糖苷，黄酮醇，黄酮木聚糖，羟基肉桂酰基衍生物，异黄酮和花色苷）占总代谢物的1/3（表1）。除了铁皮石斛外，石斛属植物还含有40多种药用价值极高的植物。本研究获得的铁皮石斛叶和茎的详细代谢谱将有助于关键生物活性成分的跨物种比较。此外，由于本研究中鉴定出的大多数代谢物尚未在铁皮石斛代谢网络中报道，因此我们的工作为发现新的生物活性化合物提供了前景。

表1 铁皮石斛叶和茎中649种代谢物的分类

图1. 铁皮石斛叶和茎的代谢谱。（A） 铁皮石斛植物的图片，突出用于代谢组学分析的两个器官。（B）检测到的叶片和茎中代谢物的热图分层聚类，使用代谢物定量的log2，列代表器官，行代表不同的代谢物。（C）叶片样品中检测到最丰富的10种代谢物。（D）茎样中检测到的最丰富的10种代谢物。

2.2 铁皮石斛叶和茎的定量代谢谱

所有检测到的代谢物的离子丰度见表S1。根据这两个器官的定量代谢谱，热图分级聚类可以清晰地将叶片样品与茎样品（柱状图）区分开来，这表明虽然两个器官含有大约相同的代谢物，但是它们之间代谢物的浓度差异较大（图1B）。从热图得到两组主要的代谢物（谱线）；有些代谢物在茎中比在叶中积累得更多，反之亦然。铁皮石斛的茎干又称“风豆”，是中医中开发利用的主要器官。然而，由于鲜叶约占总生物量的一半，且比茎含有更多的氨基酸，因此，有人提出，铁皮石斛的叶片可以作为一种新的生物活性化合物的来源。在每个器官中发现的最丰富的10种代谢物如图1C、D所示，它们代表了几种代谢物。本研究中发现的铁皮石斛叶片与茎之间代谢物浓度的显著差异表明，叶片可能含有具有药用价值的关键代谢物。

植物界约有20万种代谢物，其中几种代谢物如阿司匹林、紫杉醇、吗啡等均具有良好的特性，被广泛用作药物。不断努力定量发现各种植物物种（尤其是药用植物，如铁皮石斛）中主要和次要代谢产物的光谱，不仅为这些特征良好的分子寻找新的天然来源，而且为药物的发现和开发寻找新的化学实体提供了前景。识别和分离新的活性化合物的困难是传统天然产物发现方法中的主要障碍。因此，目前正在努力开发新的策略，旨在从以前的“研磨和寻找”模型转向有针对性的发现模型，该模型需要有关植物提取物中存在的多种代谢物的信息。因此，本研究报道的代谢数据与针对铁皮石斛器官中富集化合物的生物测定分析相结合，可能会加快生物活性化合物的发现。

2.3 铁皮石斛叶和茎的差异积累代谢物

我们比较了茎和叶之间的定量代谢谱，以确定各器官中差异积累的化合物。偏最小二乘判别分析（PLS-DA）作为一种有效的筛选组间代谢物的方法被广泛使用。因此，我们采用PLS-DA模型来评价铁皮石斛叶片和茎样代谢物含量的差异。建立的PLS-DA模型具有良好的适应度（R2X = 0.854，R2Y = 0.998）和可预测性（Q2 = 0.99）（图2A）。PLS-DA评分图显示，叶片和茎干样品分离明显，没有重叠点，说明了两个器官在代谢含量上的显著差异。根据预测的重要性（VIP）ge;1和倍数变化ge;2或倍数变化le;0.5选择重要的代谢物。总共有206种化合物在两个器官间有差异积累，其中73中代谢产物优先在叶片中积累，133种化合物在茎中含量明显更高（图2B；表S2）。为了验证我们的结果，我们使用主成分分析（PCA）来评估两个样本类型基于206种差异代谢物的整体聚类模式（图2C）。结果表明，前两个主成分PC1和PC2分别可解释52.41%和28.25%，占总代谢变异的80.66%。PC1对两种样品类型进行了清晰的区分，结果表明，所选代谢物的含量在铁皮石斛的叶和茎之间发生了显著的变化。大量代谢物在茎中高浓度积累，特别是有机酸、氨基酸及其衍生物、核苷酸及其衍生物，这可能解释了为什么茎是作为草药的首选器官。我们发现，铁皮石斛叶片中显著积累的代谢物大部分为酚类化合物（表2），这与之前的报道一致，认为铁皮石斛叶片可以作为新的抗氧化来源。此外，叶子比茎含有更多的脂质。除了在茎中含量较高的哌替啶外，大多数检测到的生物碱在两个器官中浓度相似。

图2.铁皮石斛茎和叶中差异积累代谢物的鉴定。（A）偏最小二乘判别分析（PLS-DA）评分图。（B）火山图显示了叶子和茎之间代谢物的增加和减少。（C）基于206种差异代谢物的主成分分析评分图。

表2 与叶片相比茎中积累的差异最大的10种代谢物