全 文 ：植物学通报Chinese Bulletin of Botany 2008, 25 (6): 707-713, w w w .chinbullbotany.com
收稿日期: 2007-11-09; 接受日期: 2008-04-01
* 通讯作者。E-mail: huanghw @mail.s cbg.ac .cn
.实验简报.
雷公藤次生代谢产物雷公藤红素含量与环境因子
相关性分析
杜玮炜 1, 3, 黄宏文 1, 2 *
1中国科学院武汉植物园, 武汉 430074; 2中国科学院华南植物园, 广州 510650
3中国科学院研究生院, 北京 100049
摘要 采用多元逐步回归分析对分布于浙江、福建、湖南、湖北和贵州5个省内6类不同居群药用植物雷公藤(Tripterygium
wi lfordi i)的160株个体进行了雷公藤红素含量和环境因子的相关性分析。结果表明, 在空间分布上, 各居群间的雷公藤红素含
量差异较大, 其中湖南黄岩居群雷公藤红素含量最高, 为1.058 5×10-2 g.g-1, 贵州雷山和福建泰宁居群最低,分别为4.988 9×
10-3 g.g-1和4.988 7×10-3 g.g-1; 而在居群内的雷公藤红素含量相对一致, 基本呈正态分布。实验结果表明, 雷公藤中雷公藤
红素的积累在很大程度上受环境因子的影响。进一步利用SPSS软件对各个环境因子作逐步回归分析, 表明年均日照时长(X1)、
年均降雨量(X2)和土壤含氮量(X5)是影响雷公藤中雷公藤红素含量(Y)的主导因子, 且各因素均与雷公藤红素含量呈负相关。
经检验, 回归方程为Y=19.308-0.01 X1-0.02 X2-0.062 X5, R值达到0.917, F检验回归方程的线性关系显著。研究结果表明,
环境因子, 特别是日照、水分和土壤含氮量能够影响雷公藤中雷公藤红素的含量。该文还对提高雷公藤中药用成分雷公藤红
素含量的研究策略进行了讨论。
关键词 雷公藤红素, 环境因子, 回归分析, 次生代谢
杜玮炜 , 黄宏文 (2008). 雷公藤次生代谢产物雷公藤红素含量与环境因子相关性分析. 植物学通报 25, 707-713.
植物次生代谢是由初生代谢派生的一类特殊代谢过
程(陈晓亚和叶和春, 1998)。近年来的研究发现, 植物
次生代谢物在植物生命活动的许多方面起着重要作用,
且部分是植物生命活动所必需的 (Kutchan, 2001)。现
代药学研究也表明, 许多中草药的药理作用取决于其所
含的次生代谢物质。这类药用植物人工种植时其产量
依靠初生代谢产物的积累, 而其质量就取决于次生代谢
产物的积累, 保持其药材质量及有效性的基础是植物的
次生代谢(苏文华等, 2005)。
植物次生代谢是植物在长期进化中与环境相互作用
的结果, 在植物提高自身保护和生存竞争能力、协调与
环境关系上充当着重要的角色。次生代谢产物的产生
和变化比初生代谢产物与环境有着更强的相关性和对应
性(王振月等, 2005)。各种环境因子对植物次生代谢物
的产生和积累具有十分重要的作用, 其改变对植物次生
代谢产物的形成影响非常显著。国内外已开展了大量
有关植物次生代谢的研究。现已在次生代谢与环境关
系、次生代谢产物积累的内在规律等方面积累了一定
的基础知识, 形成了一些基础理论。但是, 在国内这类
研究相对零散, 并且往往只注重一个或者少量几个环境
因素的影响。而实际上次生代谢的调节和变化是一个
极为复杂的过程, 同时受到一系列环境因子的共同影
响, 揭示环境因素对次生代谢的影响是认识药用植物
次生代谢有效成分变化以及药用植物种植时有效成分
控制的理论基础。探索阐明植物次生代谢产物与环
境的关系, 既有利于提高资源植物生物工程的效率和
质量, 也有助于传统中药药源植物的标准化和目标化
种植(阎秀峰, 2001)。本研究以药用植物雷公藤为对
象, 探讨不同环境因子对其重要药用成分雷公藤红素
积累的影响规律。
雷公藤(Tripterygium wilfordi i )系卫矛科(Celastrac-
eae)雷公藤属(Tripterygium)植物, 分布在长江流域以南
708 植物学通报 25(6) 2008
省区, 如湖北、湖南、江西、安徽、浙江、福建、
广东、广西及台湾等省区, 其分布呈东西走向。雷公
藤为常用中药, 以根入药, 具祛风除湿、活血通络、消
肿止痛和杀虫解毒的功能。雷公藤红素是雷公藤植物
所含化学单体之一, 属三萜类色素(图 1)。研究显示雷
公藤红素具有抑制免疫反应和抗炎症等作用(Allison et
al ., 2001; Pinna et al . , 2004)。最近经体内、体外
的抗癌机理研究证实: 雷公藤中的抗癌活性成分雷公藤
红素(celastrol) 是通过控制癌细胞的蛋白酶体进而诱
发癌细胞凋亡的抑制剂, 实验证明它可有效地抑制裸鼠
前列腺癌的增生(Yang et al . , 2006)。但是随着雷公
藤红素应用领域的不断拓宽, 对其需求量日渐增大, 使
野生雷公藤逐年减少。当前雷公藤栽培中遇到的主要
问题是如何保持雷公藤内有效成分的质量, 因此开展有
关环境因子对雷公藤次生代谢产物影响的研究显得十分
必要和迫切。
本研究在大量取样分析的基础上, 研究分布于不同
环境条件下的雷公藤次生代谢产物雷公藤红素的含量变
化, 运用多元统计分析的原理和方法, 探讨雷公藤中次生
代谢产物的含量与环境因子的关系, 为开展雷公藤集约
化栽培提供理论依据。
1 材料和方法
1.1 样品采集及处理
根据自然分布区经度由东至西的格局, 于2007年3月于
浙江丽水(ZL)和白马山(ZB)、福建泰宁(FT)、湖南黄岩
(HH)、湖北武汉植物园(WZ)和贵州雷山(GL)5省采集 6
个不同居群的雷公藤(Tripterygium wilfordii W ilfordi i
Hook. f )(图 2)。各样点的环境条件(数据取自 2005年
3月至 2007年 3月)见表 1(Nat ional Climat ic Data
Center, http:/ /www.ncdc.noaa.gov/oa/ncdc.html)。在
图 1 雷公藤红素的化学结构式
Figur e 1 Chemical struc tural formula of celastrol
图 2 雷公藤采样点地理分布示意图
Figur e 2 The geographical distr ibution of sampling locations for Tr ipterygium wilfordii
709杜玮炜等: 雷公藤次生代谢产物雷公藤红素含量与环境因子相关性分析
各样点分别采集 1至 2年生雷公藤植株的毛状根, 采后
进行干燥处理。
1.2 化学分析
1.2.1 仪器与试剂
实验使用的仪器有 Agil ent 1100型高效液相色谱仪、
G1311A 系列四元梯度泵、G1322A 脱气机、自动进
样器、G1314AVWD可变波长紫外检测器及HP Rev.
A. 0501化学工作站(Agilent 公司)。
雷公藤红素标准品由武汉植物园袁晓提供。HPLC
流动相中甲醇为色谱纯, 水为超纯水。
1.2.2 色谱条件
色谱柱 Agilent Zorbax TC-C18 (250 mm×4.6 mm, 5
mm); 流动相为甲醇:水＝ 87:13; 检测波长 422 nm; 柱
温 25oC; 体积流量 1.0 mL.min-1。
1.2.3 标准品溶液的制备及标准曲线的制作
精密称取 5 mg雷公藤红素标准品放入 50 mL的容量瓶
中, 用 30 mL 87% 甲醇水(流动相)超声溶解, 并在 25
oC水浴中缓慢添加 87% 甲醇水(流动相)至刻度。室温
避光保存。
分别进样 2、4、6、8、10 mL, 按 1. 2. 2节中所
述的高效液相色谱条件进行分析, 设 3次重复。利用公
式计算并绘出雷公藤红素进样量与峰面积相关的标准曲
线, 得出标准曲线回归方程。
1.2.4 供试品溶液的制备
将适量雷公藤毛状根粉碎, 过 6号药筛, 在 80oC干燥 2
小时, 直到恒重。精密称取样品 500 mg放入 5 mL三
角瓶中, 加适量甲醇。超声 15分钟溶解后, 放置 10分
钟, 再超声 15分钟溶解后, 放置使其温度降至室温, 转
移至 5 mL容量瓶中再加甲醇至刻度, 摇匀。取 3 mL
溶液超滤后, 得到测试溶液。按 1.2.2节中所述的高效
液相色谱条件进行分析, 根据标准曲线计算样品中雷公
藤红素的含量。色谱图见图 3。
1.3 数理统计
利用SPSS软件对雷公藤次生代谢产物雷公藤红素含量
表 1 各样点的环境条件
Table 1 Environmental condit ions of sampling locations
Location Sunlight Rainfall Annual mean pH N content Altitude
(h.a-1) (mm.a-1) temperature (°C) (mg.g-1) (m)
Mt. Lei, Guizhou (GL) 2 452.8 1 400 15 6.50 128 1 280
Taining, Fujian (FT) 1 738.7 1 775 17 7.44 130 233
Huangyan, Hunan (HH) 1 486.0 1 535.8 16.5 6.44 56 612
Lishui, Zhejiang (ZL) 1 800.0 1 700 18.3 7.50 60 65
Mt. Baima, Zhejiang (ZB) 1 700.0 1 600 16 6.51 101 1 248
Wuhan Botanical Garden, Hubei (WZ) 1 900.0 1 282 16.3 7.62 89 29
图 3 雷公藤红素标准样品溶液(A)及测试溶液(B)HPLC图
Figure 3 Spec tra of HPLC at 422 nm of s tandard (A) and
sample solution (B) of celastrol
710 植物学通报 25(6) 2008
的空间分布作图。
利用 S P S S 软件对雷公藤红素含量和环境因子
(NOAA National Climatic Data Center, 2007)进行多
元逐步回归分析, 建立多元线性回归方程, 再进行差异显
著性检验, 显著性水平为 0.01。
2 结果
2.1 雷公藤红素含量在不同地域的分布
在空间分布上, 各样点间的雷公藤红素含量差异较大, 在
湖南黄岩地区含量最高, 为(10.585±1.984) g.kg-1, 而
来自贵州雷山和福建泰宁的样品含量最低 , 分别为
(4.988 9±0.257 1) g.kg-1 和(4.988 7±0.200 9) g.kg-1,
均仅为湖南黄岩居群的 47.1%(图 4)。其次, 雷公藤红
素含量在同一居群内差异较小, 除湖南黄岩居群外, 在其
它居群内基本呈正态分布(图 5 )。
2.2 环境因子对雷公藤红素含量的影响
由于年均日照时间( X 1 )、年均降雨量( X 2 )、年均温
(X3)、土壤 pH值(X4)、土壤碱解氮(X5)及海拔高度(X6)
等 6种环境因子对雷公藤红素含量(Y )积累的影响各不
相同, 通过逐步回归分析可以筛选出相对重要的影响因
子。回归分析得到逐步回归方程(表 2 )。
Y=19.308-0.01 X1-0.02 X2-0.062 X5
由回归方程和表 2可知, 年均日照时间(X1)、年均
降雨量(X2)和土壤碱解氮(X5)对雷公藤红素含量影响较
大, 且均呈负相关, 即随着日照时间长度的加大、降雨
量的增大以及土壤含氮量的增加, 雷公藤中次生代谢产
物雷公藤红素的含量减少。
2.2.1 光照对雷公藤红素含量的影响
绿色植物通过光合作用制造有机物, 因此光照对植物初
生代谢与次生代谢都有影响。对于有些植物, 增加光照
能够使植物中次生代谢产物含量提高。如遮阴可导致
喜树(Camptotheca acuminata)叶片中的喜树碱含量增
加(王洋等, 2004)。与此相反, 有些植物在受到光照后
次生代谢产物含量反而降低, 如: 大棚中生长的欧洲赤松
(Pinus sylvestris)树脂油和单萜类物质含量较棚外低(李
继泉和金幼菊, 1999)。另外还有一些植物内不同次生
代谢物质随光照表现出不同的特点 , 如遮光条件下
Adenosty les al pina叶片中的生物碱和一种倍半萜
cacalol-trimer的含量增加, 而其它倍半萜的浓度降低
(Haegele and Rowell-Rahier, 1999)。在本研究中, 年
均日照量的增加会显著降低雷公藤红素的含量, 回归系
数为-0.001, 即年均日照量每增加 1小时, 每克干燥雷
公藤根部材料中雷公藤红素的含量平均将减少 1 mg。
2.2.2 水分对雷公藤红素含量的影响
水是植物不可缺少的重要组成成分, 一切代谢活动都必
须以水为介质, 但是对逐渐脱离水生环境的陆生植物来
说, 过多的水分对次生代谢活动是不利的(鲁守平等,
2006)。喜树在干旱胁迫条件下喜树碱的含量增加(Liu,
2000)。乌拉尔甘草(Glycyrrhiza uralensis)在轻度的水
表 2 雷公藤红素含量与环境因子的逐步回归统计
Table 2 Regress ion analys is betw een celastrol content and environmental factors
Product Regression equation R F P
Celas trol Y=19.308-0.01 X1-0.02 X2-0.062 X5 0.917 276.561 0.000a
图 4 雷公藤红素含量的空间分布
GL、FT、HH、Z L、Z B 和W Z 见表 1
Figur e 4 Spatial dis tribution of the content of celastrol
GL, FT, HH, ZL, ZB and WZ see Table 1
711杜玮炜等: 雷公藤次生代谢产物雷公藤红素含量与环境因子相关性分析
分胁迫条件下甘草酸的积累增加 (廖建雄和王根轩,
2003)。在渗透胁迫下多种植物体内甜菜碱醛脱氢酶的
基因表达量与甜菜碱含量平行增加(Moghaieb et al. ,
2004)。在本研究中, 年均降雨量的增加能显著降低雷
公藤红素的含量, 回归系数为-0.002, 这一结果符合最
佳防御假说(Barto and Cipollini, 2005)。雷公藤红素
是雷公藤中合成的防御性物质, 在水分不充足的情况下,
雷公藤生长速度较慢, 必然会产生较多的防御性物质,
用于降低其在受到伤害时的损失成本。
2.2.3 土壤碱解氮对雷公藤红素含量的影响
土壤是植物生长的基础, 植物根系和土壤之间不断进行
着频繁的物质交换, 特别是土壤中氮肥的含量是影响植
物生长代谢, 从而影响其内在化学成分的重要生态因
图 5 6个样点雷公藤红素含量分布频率图
GL、FT、HH、Z L、Z B 和W Z 见表 1
Figur e 5 Frequency distribution of celastrol content in 6 sampling locations
GL, FT, HH, ZL, ZB and WZ see Table 1
712 植物学通报 25(6) 2008
子。本研究选用碱解氮这一土壤供氮能力的常用指标
来解释土壤中氮含量和雷公藤红素积累的关系。在本
研究中, 土壤碱解氮同雷公藤红素含量呈显著负相关, 回
归系数达到-0.062, 这与碳素 /营养平衡(carbon/nutri-
ent balance, CNB)假说的内容相符 — — 植物体内以 C
为基础的次生代谢产物, 如本研究中的萜类, 与植物体内
C/N比呈正相关。在营养充足时, 植物积累较多C元素,
体内 C/N比增大, 光合作用积累过多的碳被用于合成以
C为基础的次生代谢产物。碳素 /营养平衡假说也在其
它一些植物中得到了验证, 如桉树(Eucalyptus micro-
erys)叶片中以C为基础的次生代谢产物的积累与N含量
呈负相关(Moore et al ., 2004)。
3 讨论
雷公藤红素含量的变化具有明显的空间异质性, 说明雷
公藤中次生代谢产物的合成和积累受环境因子的影响较
大。次生代谢是植物长期适应外界环境的结果, 环境因
子对次生代谢产物含量的影响是由其生态环境中各生态
因子的质量 , 如海拔、温度、湿度、土壤、光照、
大气以及生物之间的影响程度等综合决定的, 而这些生
态因子并不是孤立地对植物起作用, 而是构成一种连续
变化的生态综合效应, 影响着药用植物的生长和化学物
质形成与变化。在本实验中, 雷公藤红素的含量是与多
个环境因素相联系的, 采用多元逐步回归的分析方法由
多个自变量的最优组合共同来预测和估计因变量也就是
本实验中雷公藤红素的含量, 比只用一个自变量进行预
测或估计更有效, 且更符合实际。因此, 在判断和评价
影响雷公藤中雷公藤红素含量的主导因子时, 多元线性
回归比一元线性回归的实用意义更大。通过多元逐步
回归分析可知, 年均日照时长、年均降雨量和土壤含氮
量是影响雷公藤中雷公藤红素含量的主导环境因子。
次生代谢产物是植物在长期进化过程中适应环境的
产物, 其公认的生态学功能主要是抗病、抗虫、抗环
境胁迫等。如感染真菌病原体可以导致苜蓿(Medicago
sat iva)叶中异黄酮类化合物含量的增加(Bet t i na and
Richard, 2005); 短期干旱胁迫导致喜树叶片中喜树碱含
量增加(Liu, 2000); CO2浓度增高使迷迭香(Rosmarinus
of fic inalis)体内单萜含量增加(Josep and Joan, 1997)。
环境胁迫(如干旱、严寒、高温、伤寒及重金属等)能
刺激植物次生代谢产物的积累和释放, 从这个意义上讲,
逆境可能更有利于中药道地性的形成。
在本研究中, 由回归分析得出雷公藤红素含量与年
均日照量、年均降雨量以及土壤含氮量呈显著负相关,
提示一定程度的胁迫可能更有利于促进雷公藤红素在雷
公藤中的积累。进一步的相关研究应在人为控制的条
件下进行, 即模拟影响雷公藤红素积累的关键环境因子,
设置一系列的梯度用于研究雷公藤在这些环境条件下
的表现差异趋势。结合本研究结果和进一步的人为控
制实验结果有望得到能够提高雷公藤红素含量的最佳环
境条件。
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Acade my of Scie nce s, Gua ngzhou 510 650 , Chin a; 3Gradu ate Sch ool of Chi nese Acad emy of Sci ences, Bei jin g 1 000 49, Chi na
Abstr act The plant Tr ipterygium wi lfordii (Thunder of God Vine) is the basis for a traditional Chinese medic ine and is found in
Zhejiang, Fujian, Hunan, Hubei and Guizhou provinces, along the Yangtze River. We analyzed the correlation betw een the content
of the secondary metabolite celas trol and env ironmental factors among 160 individuals of six populations of the plant. The
difference in celas trol content w as relatively high among populations (max. 1.058 5×10-2 g.g-1 in Huangyan, Hunan Province; min.
4.988 7×10-3 g.g-1 in Taining, Fujian Province) and relatively low w ithin populations , w hich indicates that environmental conditions
greatly inf luenced the content of celastrol in T. wi lfordi i. Regression analysis f urther revealed a s ignif icant negative correlation
betw een celastrol content (Y) and annual sunshine duration (X1), annual rainfall (X2) and N content in soil (X5) (Y=19.308-0.01X1-
0.02X2-0.062X5, R=0.917, F=276.561) , w hich indicates the inf luence of these environmental f actors on the content of celastrol in
the plant. A strategy to maximize celastrol content is recommended.
Ke y words ce last rol , e nvi ron mental factors, regression an alysis, se con dary m etab oli sm
Du WW, Huang HW (2 008). Co rrel atio n an alysis o f se cond ary meta boli tes and envi ronm enta l fa ctors in Tripte rygi um wilfordi i. Chin Bull
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* Author for correspondence. E-mail: huanghw @mail.scbg.ac.cn
(责任编辑: 白羽红)
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