全 文 ：　　　　广东微量元素科学
　2009年 　 　 　 　 　 GUANGDONGWEILIANGYUANSUKEXUE 　 　 　 　 第 16卷第 3期　
文章编号:1006-446X(2009) 03-0055-07
达乌里秦艽化学元素特征及其与环境关系
孙　菁1　陈桂琛 1　徐文华 1　韩友吉 1, 2
(1.中国科学院西北高原生物研究所 , 青海省青藏高原特色生物资源研究重点实验室 ,
青海　西宁　810001;2.中国科学院研究生院 , 北京　100049)
摘　要:应用全谱直读等离子体发射光谱法(ICP -AES)对不同居群达乌里秦艽(Gentiana
dahuricaFischer)中 15种元素含量进行了测定 , 通过聚类分析和主成分分析探讨了其化学元素特
征及与生态环境的关系 , 为深入认识该药材的元素特征及其功效提供参考。结果表明 , 达乌里秦
艽药用部位元素含量较丰富 , 以大量元素 K, Ca和 Mg含量较高。不同居群元素含量水平显示出
地理分布差异特点;且各元素之间具一定的协调促进或拮抗作用 , 这种作用在聚类分析中再次得
到证明;主成分分析的结果表明 , 其元素特征可用 “代谢增强” 作用因子和 “酶活促进” 作用因
子来体现。海拔对两个因子有正向促进作用;经纬度则对前者具负向影响 , 对后者具正向影响。
关键词:达乌里秦艽;元素;生态环境;聚类分析;主成分分析
中图分类号:Q945.12∶O657.31　　文献标识码:A
达乌里秦艽(GentianadahuricaFischer), 又名 “小秦艽” , 为龙胆科(Gentianaceae)龙胆属多
年生草本植物 , 分布于海拔 800 ～ 4 500 m的草原 、河谷阶地等生境下[ 1] 。其以干燥根入药 , 是
治疗风湿类疾病的著名常用草药[ 2 - 3] , 以龙胆苦苷(gentiopicroside)为活性指标成分 [ 3] 。目前对
达乌里秦艽开展的研究工作较为有限[ 4 - 6] , 尚未见其化学元素系统研究的报道 。无机元素是植
物体内化学成分的重要组成部分 , 对植物的生长 、 发育以及繁殖等生命活动都起着重要的作
用 [ 7] 。以往对中草药化学成分的研究多侧重于有机成分 , 目前对中草药内无机元素的研究已经
引起越来越多的关注 。本研究测定了不同居群达乌里秦艽药用部位 15种化学元素的含量 , 探讨
了元素分布模式及其与环境关系 , 可为进一步认识该药材的元素含量特征和元素营养学及其功效
提供参考。
1　材料与方法
1.1　材　料
于 2004年 9月期间 , 共在 8个不同居群进行采集 , 每一居群的个体数在 20 ～ 30之间 , 同一
居群个体之间的采集距离至少为 15 m。采集后将其混匀 , 去除杂物尘土 , 用去离子水洗净 , 自
然风干 , 粉碎 , 过 100目筛 , 待用。同时用 GPS记录各样点的海拔和经纬度(见表 1)。原植物标
本由中国科学院西北高原生物研究所陈桂琛研究员鉴定为达乌里秦艽(GentianadahuricaFischer)。
1.2　仪器与试剂
采用 IRIS1000ER/S型等离子体发射光谱仪(ThermJerelAshCo., USA)进行元素测定 , 工
收稿日期:2008 - 12 - 15
基金项目:国家中西部专项 (2001BA901A47)资助项目
通讯作者:陈桂琛。 E-mail:gcchen@nwipb.ac.cn
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DOI :10.16755/j.cnki.issn.1006-446x.2009.03.007
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作参数为:高频功率 1 150 W, 雾化器压力 30.06 psi(1 psi=6.89×103 Pa), 辅助气流量 0.5
L· min- 1 , 蠕动泵转速 100 r· min- 1 , 进样清洗时间 45 s, 提升量 1.85 mL·min-1。试验用试
剂均为分析纯(上海化学试剂厂);水处理采用 Mili-Q型超纯水系统(美国 Milipore公司)。 15
种元素标准物质均为色谱纯。
1.3　样品分析
称取 1.000 g粉碎后样品 , 加入 10 mLHNO3 , 冷浸 1 h后加 2mLH2O2 , 再冷浸 12 h, 置于
电热板上 150 ～ 200℃加热 , 移入 50mL容量瓶 , 加水定容至刻度 , 干滤 , 滤液上机测定。
1.4　数据处理
运用 SPSS11.0统计软件中因子分析和聚类分析方法 , 讨论了 8个不同采样点 15种不同植
物元素在达乌里秦艽根部的基本分布模式及其与环境的关系 。
表 1　达乌里秦艽根部 15种元素含量及生境因子
Table1　Thecontentof15 elementsinG.dahuricarootsandecologicalfactors单位:μg· g-1　
元　素
Elements
采样点编号 Samplingnumber
　1 　2 　3 　4 　5 　6 　7 　8
平均值Mean
Ca 1 360.00 1 871.00 1 687.00 1 714.00 1 764.00 1 954.00 1 731.00 1 663.00 1 718.00
K 707.90 759.50 873.00 1 040.00 1 129.00 697.60 1 051.00 892.60 893.83
Mg 814.40 569.40 723.20 669.00 700.50 561.60 659.30 684.10 672.69
Ba 278.80 327.30 426.40 364.10 361.70 261.00 330.20 303.70 331.65
Fe 108.00 126.40 127.70 131.80 113.30 161.80 120.80 50.30 117.51
Na 84.26 64.84 102.50 179.90 100.20 135.90 70.59 70.77 101.12
Al 40.74 52.64 51.17 41.43 36.82 71.34 53.37 4.92 44.05
Zn 15.59 22.17 29.77 30.28 31.53 24.20 32.65 17.93 25.52
Mn 9.40 13.59 15.86 11.81 18.22 11.32 11.09 13.09 13.05
Cu 7.35 12.61 10.53 9.53 13.81 9.06 11.27 6.86 10.13
V 3.52 2.71 3.26 3.01 3.24 2.93 3.08 2.87 3.08
Ni 1.91 2.42 2.44 2.11 1.97 2.17 2.28 1.64 2.12
Ti 1.19 2.22 1.38 1.49 1.61 3.15 2.01 0.39 1.68
Sn 0.33 0.45 0.45 0.18 0.57 0.27 0.41 0.36 0.38
Co 0.00 0.07 0.09 0.13 0.03 0.07 0.03 0.07 0.06
　海拔 /m　altitude 3 220 3 020 3 020 2 610 3 160 2 840 2 700 3 260 3 220
　经度 /(°)　longitude 100.242 101.041 101.003 101.950 97.967 102.175 101.683 101.133 100.242
　纬度 /(°)　latitude 37.256 37.86 36.874 36.383 36.067 35.657 36.25 35.9 37.256
2　结果与讨论
2.1　元素含量水平
15种化学元素在达乌里秦艽根部的含量水平如表 1所示。就 8个样本的平均含量水平而言 ,
元素含量由高到低的排列顺序为:Ca, K, Mg, Ba, Fe, Na, Al, Zn, Mn, Cu, V, Ni, Ti,
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Sn, Co。大量元素 Ca, K和 Mg有较高的富集特征 , 微量元素中又以 Ba, Fe和 Na的含量较高 ,
其余元素含量相对较低。达乌里秦艽对同一元素的吸收和积累在不同地方存在较大的差异 , 以
Ca为例 , 其最高含量为 1 954.00μg·g- 1 , 最低含量为 1 360.00μg·g-1 , 两者差别 594 μg·g- 1 ,
表明达乌里秦艽植物元素具有地理分布差异的特征 。
2.2　元素相关分析
表 2中相关矩阵分析显示 , 有 5对元素显著相关(P=0.05), 分别是 Ca和 V, K和 Zn, Fe
和 Ni, Al和 Ni, Mn和 Sn;另有 5对元素极显著相关(P=0.01), 分别为 Ca和 Mg, Mg和 V,
Fe和 Al, Fe和 Ti, Al和 Ti。可见上述元素之间关系较密切 , 呈显著正相关的元素之间具有协同
促进的作用 , 而表现负相关关系的元素之间则具有一定程度的拮抗抑制作用。其余各元素之间虽
然也都具有一定相关性 , 但是均未达到显著性水平 。
2.3　元素聚类分析
表 1中各原始数据虽然量纲相同 , 但是变量之间的数量级差异较大 , 因此先对原始数据进行
标准化处理(“Z-scores” 方法), 然后在欧氏距离系数下以 Averagelinkage法进行聚类分析。
结果表明(见图 1), 15种元素可聚为 6大类。第 Ⅰ类包括元素 Fe, Al, Ti和 Ni, 其间的距离较
小 , 其中又以 Fe, Al和 Ti之间距离最小(小于 5), 说明这几个元素含量差异最小 , 关系较近;
第 Ⅱ类中 , 元素 Ca因为其远远高于其它元素的含量而单独聚为一类;第Ⅲ类包括元素 Na和 Co;
第Ⅳ类包括元素 Mn, Sn和 Cu, 其中又以 Mn和 Sn的距离较近;第Ⅴ类包括元素 K, Zn和 Ba,
K和 Zn的距离最近;第Ⅵ 类包括元素 Mg和 V, 两者之间的距离小于 5。上述聚类结果进一步揭
示了各元素之间的相互关系 , 同时也验证了上述相关分析的结果 。
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图 1　元素聚类树状图
Fig1　Dendrogramhierarchyclusteranalysisof15 elements
2.4　元素主成分分析
　　为进一步揭示达乌里秦艽元素分布
特征 , 对不同地点植物元素数据进行了
主成分分析。主成分分析是药用植物化
学成分分析中一种有效的分析方法 , 已
广泛应用于化学试验数据的统计分析。
它能够将大量的数据降维 , 用尽可能少
的因子来解释试验观测变量 , 反映事物
的本来面貌。结果表明(见表 3), 前 2
个主 成分 特征 值的 累积 贡献 率达
93.228%, 说明两者可以解释原始数据
变量 93%以上的信息 , 因此 , 提取出前
2个主成分因子进行分析 。
表 4列出了前 2个主成分的指标因
子负荷量 , 按照各指标因子负荷量的大
小 , 对其进行了分类。第 1主成分中 ,
指标因子负荷量较大的变量是 Mg和 Ca,
前者占有较大的负相荷载(-0.966),
表 3　主成分的初始特征值和贡献率
Table3　Eigenvaluesandpercentageofvariances
ofprinciplecomponents
成　分
Component
初始特征值
Initialeigenvalues
总数
Total
变异率 /%
Varianceratio
累积 /%
Cumulative
1 36.989 52.461 52.461
2 28.745 40.767 93.228
3 2.251 3.193 96.421
4 1.624 2.303 98.724
5 0.576 0.816 99.541
6 0.317 0.450 99.990
7 6.860E-03 9.730E- 03 100.000
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后者具有较大的正相荷载(0.953), 说明这两
者在达乌里秦艽根部表现出相反的富集趋势 。
Mg是许多酶的活化剂 , 能加强酶促反应 , 有利
于促进碳水化合物的代谢和植物的呼吸作用 。
Ca不仅能影响代谢作用 , 而且能中和代谢过程
中所产生的有机酸 , 起到调节体内 pH值的功
能 。这两种元素的生理活性基本都与植物的代
谢作用相关。有关高原环境条件下 , 不同 UV
-B辐射强度对同属另一植物麻花艽(Gentiana
stramineaMaxim.)的研究表明 [ 8 -9] , 随着辐射
强度的增加 , 该物种的光合作用和呼吸作用均
呈现增强的趋势。对于同科属的达乌里秦艽而
言 , 在长期适应高原气候环境的自然选择过程
中 , 其与麻花艽在生理适应机制方面应存在共
性 。采样时正值高原 9月份天气 , 紫外辐射比
较强烈 , 日均温也较高 , 在此环境条件下 , 达
乌里秦艽体内代谢作用会增强 。这种适当的高
含量的 Mg和 Ca可有利于增强达乌里秦艽根部
代谢作用 , 适应高原恶劣的生态环境 , 因此 ,
可以将第 1主成分因子称为 “代谢增强 ” 因
子 。
第 2主成分中 , 指标因子 K和 Zn占有较
大的负荷量 , 且都为正相荷载 , 说明两者在达乌
表 4　旋转矩阵中前 2个主成分的因子负荷量
Table4　Loadingmatrixofthefirsttwoprincipal
componentsinrotatedcomponentmatrix
主成分 Principalcomponent
1 2
Ca 0.953 0.301
K -0.239 0.970
Mg -0.966 - 0.098
Ba -0.174 0.571
Fe 0.520 - 0.048
Na 0.148 0.219
Al 0.536 - 0.168
Zn 0.178 0.834
Mn 0.122 0.562
Cu 0.331 0.585
V -0.768 - 0.107
Ni 0.442 0.038
Ti 0.766 - 0.096
Sn -0.038 0.286
Co 0.383 0.202
里秦艽根部的累积趋势较为一致。当第 2主成分的值变大时 , 元素 K和 Zn的负荷量将增大 , 反
之亦然 。K在植物体内的主要功能是激活酶和促进蛋白质代谢 。Zn也是许多酶的必要组成元素 ,
比如脱氢酶和蛋白酶 , 且强光和低锌条件下会影响到 DNA和 RNA聚合酶等含锌蛋白酶的活
性 [ 10] 。K和 Zn在植物体内较高的正向富集 , 利于核酸 、蛋白质等的合成和活性的增强 , 进而对
次生代谢产生一定影响。因此 , 可认为第 2主成分因子是 “酶活促进 ” 因子 。
通过主成分分析 , 提取出反映达乌里秦艽根部所测定 15种元素的基本特征的 2个主成分因
子 , 两者在对整个数据的解释中占 93%, 较为客观地反映了所控制的各性状之间的相互关系。
达乌里秦艽在长期的自然选择过程中 , 逐步形成了体内 Ca和 Mg, K和 Zn较高的富集特征 , 并
开始逐步向两个功能方向进行 , 一个方向与代谢作用相关 , 另一个与元素对酶的活性有关 , 最终
作用于植物的次生代谢过程及其产物 。对药用植物次生代谢的影响 , 会影响到其次生代谢产物的
合成 、 产生 、分配等 , 进而与药材的功效联系起来 。已有研究表明 , 药物中无机元素的含量是决
定中草药四性的物质基础和主要因素之一 [ 11 - 12] 。秦艽类植物的主要功能是祛风湿 , 清湿热 , 止
痹痛[ 3] 。据陈和利等[ 13]对中药功效与 4种微量元素关系的研究报道 , 祛风湿类药物中 , 其 Zn,
Cu的含量(分别为 26.22 μg· g- 1 , 10.36 μg· g- 1)与本实验测定结果近似(分别为 25.52 μg·
g-1 , 10.13μg·g-1), 说明本研究中 Zn和 Cu可作为一部分祛风湿作用的元素 。对于其它元素
特征与达乌里秦艽功效之间的关系尚需进一步的研究。
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2.5　元素与环境相关分析
对元素 2个主成分因子与生态环境进行相关分析(见表 5)。结果表明 , 第 1主成分和第 2主
成分均未与海拔和经纬度之间达到显著关系。 2个主成分因子与海拔之间均呈正相关关系 , 表明
随着海拔增加 , 其 “代谢增强 ” 作用和 “酶活促进” 作用也随之增强。经纬度与第 1主成分之
间均表现出负相关关系 , 而与第 2主成分则显示正相关关系 , 说明经纬度对元素的 “代谢增强”
具有负向影响 , 对 “酶活促进 ” 作用具正向影响 , 随经纬度的升高 , 达乌里秦艽 “代谢作用 ”
减弱 , 而 “酶活作用 ” 增强。
表 5　元素主成分因子与生态环境相关分析
Table5　Correlationcoeficientmatrixofcomponentfactorsandecologicalenvironments
第 1主成分
Component1
第 2主成分
Component2
海拔 Altitude 0.220 0.192
经度 Longitude -0.331 0.251
纬度 Latitude -0.184 0.329
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ElementalCharacterizationofanImportantChineseTraditionaland
TibetanMedicineGentianadahuricaandItsRelationshipwiththe
EcologicalEnvironmentsfromQinghai-TibetPlateau
SUNJing1 , CHENGuichen1 , XUWenhua1 , HANYouji1, 2
(1.QinghaiKeyLaboratoryofQinghai-TibetPlateauBiologicalResources, Northwest
InstituteofPlateauBiology, ChineseAcademyofSciences, Xining810001, China;
2.GraduateSchooloftheChineseAcademyofSciences, Beijing100049, China)
Abstract:Inordertofurtherunderstandthepharmacologicaleficacyandmechanismofanimportant
ChineseandTibetanmedicineGentianadahurica, studiesonthechemicalelementsdistributionpatern
anditsrelationshipwithecologicalenvironmentswerediscussed.Thecontentof15 majorchemical
elementsintheoficinalpartswasdeterminedbyICP -AESandanalyzedbyprinciplecomponent
analysisandclusteranalysis.Theresultsindicatedthattherewereabundantconcentrationlevelsof
analyzedelementsintherootsofG.dahurica, andK, Caandmgshowedhigherconcentrationlevels.
Thedistribution ofelementsexhibited geographicaldiferentiation characteristicamongdiferent
population.Theanalyzedelementshadsimulativeand/orimpeditiveefectsoneachother, whichcould
bealsodemonstratedbytheclusteranalysis.Twoprincipalcomponentfactorswereextractedbythe
principlecomponentanalysis, whichpresented93% informationofaltheanalyzedvariablesandcould
representthecharacteristicsoftheoriginaldata.Thefirstcomponentandthesecondcomponentcouldbe
expresedas“enhancingmetabolism” factorand“acceleratingenzymaticactivity” factor, respectively.
Altitudehadthepositiveefectonthetwofactors, whilelongitudeandlatitudehadnegativeandpositive
efectsonthefirstcomponentandthesecondcomponent, respectively.Theelementalcharacteristicsmay
havethecorporateefectsonthesecondarymetabolismandthecorrespondingmetabolismproduction, and
exhibitedcertainrelationshipwiththemedicinaleficacyofthisspecies.
Keywords:GentianadahuricaFischer;elements;ecologicalenvironments;clusteranalysis;principal
componentanalysis
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