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唐松草属药物资源的化学和生物学研究进展及亲缘关系分析



全 文 :收稿日期:2014-12-02; 修订日期:2015-03-02
作者简介:郝大程(1972-),男(汉族),辽宁大连人,大连交通大学生物技
术研究所,环境化工学院副教授,博士学位,主要从事中药资源与药用植
物研究工作.
* 通讯作者简介:肖培根(1932-),男(汉族),上海人,中国医学科学院药
用植物研究所研究员 /院士,主要从事中药资源与药用植物研究工作.
唐松草属药物资源的
化学和生物学研究进展及亲缘关系分析
郝大程1,顾晓洁1,肖培根2*
(1.大连交通大学生物技术研究所,环境化工学院,辽宁 大连 116028;
2.中国医学科学院药用植物研究所,北京 100193)
摘要:毛茛科唐松草属有多种药用植物,其根茎,花果或全草入药。该属植物含有黄酮,生物碱(尤其是结构多样的苄
基异喹啉类),萜类,皂苷和精油等成分,生物活性表现为抗微生物,抗炎,心血管效应和抗癌等。文章综述唐松草属化学
成分和生物活性研究进展,并构建国产唐松草属的分子系统发育树,讨论其与形态分类和化学分类的异同点,为该属药
用亲缘学研究和药物资源的可持续利用提供参考。
关键词:唐松草属; 化学成分; 生物活性; 分子系统发育; 药物发现
DOI标识:doi:10. 3969 / j. issn. 1008-0805. 2015. 07. 079
中图分类号:R281 文献标识码:A 文章编号:1008-0805(2015)07-1731-03
毛茛科唐松草亚科唐松草属(Thalictrum)分为唐松草亚属和
美洲唐松草亚属[1],前者形态上分四组:叉枝唐松草组(I),唐松
草组(II),腺毛唐松草组(III)和石砾唐松草组(IV)。约 200 种,
分布于亚洲、欧洲、非洲、北美洲和南美洲。《中国植物志》记载
我国约有 67 种,在全国各省区均有分布,多数分布于西南部。我
国本属植物至少有 43 种可供药用[2],不少种类均有清热、治湿、
发汗、止痢、治目赤等作用,其中有 14 种在民间用为黄连的代替
品[3],在这些种类中,高原唐松草 T. cultratum、多叶唐松草 T. fo-
liolosum、昭通唐松草 T. glandulosissimum var. chaotungense、滇川
唐松草 T. finetii 和贝加尔唐松草 T. baicalense 的根和根状茎均
含有小檗碱,值得作进一步研究。华东唐松草 T. fortunei 的根 /
全草味苦、性寒;清湿热,消肿解毒,杀虫;用于疔疮,疱疖等[2]。
瓣蕊唐松草 T. petaloideum苦、寒,无毒;清热祛风[3],去皮里膜外
及筋络之郁热;治小儿热症伤风及痘疹难透。箭头唐松草 T.
simplex苦,寒,无毒,清湿热,解毒;治黄疸,痢疾[3],哮喘,麻疹合
并肺炎,鼻疳眉赤,热疮等。四川甘孜藏医用石砾唐松草 T.
squamiferum的全草治发烧等[3]。唐松草属是毛茛科除了乌头
属[4]和翠雀属外又一个含生物碱较集中的大属[3],但其二萜生
物碱很少,而以苄基异喹啉生物碱为特色。本文分析了唐松草属
植物的分子系统发育关系,并与化学分类联系起来,为本属药用
亲缘研究和药物资源开发提供新的依据。
1 化学成分
1. 1 生物碱 与罂粟不同,唐松草属韧皮部没有乳汁管,故生物
碱多聚积于根和根茎[5]。已从 30 种国产该属植物分离出约 200
个苄基异喹啉生物碱[2]。最常见的有异喹啉单聚物和二聚物,
即 B1、B2 型。B1 分类没有争议,主要类型包括:①简单异喹啉类
(Simple isoquinoline),②苄基异喹啉类(Benzylisoquinoline),③阿
朴菲类(Aporphinoids),④原小檗碱类(Protoberberine),⑤普罗托
品类(Protopine),⑥帕威类(Pavine),⑦吗啡烷型(Morphine)和⑧
菲啶型(Phenanthrene)。B2 分类:①双苄基异喹啉类(BBI),②阿
朴菲 -苄基异喹啉类(ABI),③阿朴菲 -帕威类,④阿朴菲 -取
代苯类,⑤原小檗碱 -苄基异喹啉类,⑥原小檗碱 -阿朴菲类。
B2 二聚物连接位置多变,规律性不强。
BBI是由两个苄基异喹啉单位通过氧桥连接而形成[6],两个
BI分子有单,双,三醚键相连的三种方式,但该属只有单,双醚键
相连的两种。国产种只有金丝马尾连含有单醚键相连的化合
物[7]。该属阿朴啡类数目较多,但氧化阿朴啡不多。原小檗碱
类多为季铵碱,存在 8 位为羰基的氧化小檗碱型,少数种有四氢
小檗碱型衍生物。
唐松草亚属 I组的双分子化合物很多,其中 ABI 型多于 BBI
型。II组含有的生物碱以阿朴啡类为主,也有 BBI 型。III 组中,
形态较原始的种,生物碱含量不高;形态较进化的种,生物碱含量
较高[1,7]。本组双分子化合物比其它组多,且 BBI 明显比 ABI
多。
1. 2 黄酮 T. rhyncocarpum的叶含黄酮较多[30]。黄酮在本属分
布广泛,多以黄酮糖苷和黄酮醇糖苷形式存在。常见芹菜素,
木犀草素的黄酮氧苷和金合欢素 7 - O -糖苷[31]。糖链可有一
个或两个(bisdesmoside),第二个糖链结合于 4 -酚羟基。黄酮苷
的乙酰基衍生物仅发现于亚洲地区的唐松草[31]。黄酮碳苷仅发
现于欧洲地区的唐松草。本属的黄酮醇糖苷都是 3 - O -糖苷。
在富含生物碱的物种和缺乏生物碱的物种均发现新的黄酮类,说
明这两类化合物并非交替出现[31]。
1. 3 三萜皂苷 在该属发现的包括环菠萝蜜烷型四环三萜[8 ~ 13]
和齐墩果烷型五环三萜[2],最早是从东西伯利亚的亚欧唐松草
和腺毛唐松草中分离出[31]。根据侧链结构,环菠萝蜜烷三萜分
成四组:C - 17 无环侧链,C - 17 四氢呋喃(THF)环,C - 20 THF
环和 C - 17 环戊烷环。C - 17 无环侧链的类型见于亚欧唐松草,
腺毛唐松草,鞭柱唐松草,丝叶唐松草和展枝唐松草等。C - 17
THF环见于展枝唐松草和 T. herba。有 C - 20 THF 环的化合物
较少,见于亚欧唐松草。C - 17 环戊烷环见于 T. thunbergii。本
属环菠萝蜜烷三萜有 C - 3β取向的取代基,A环取代常出现在 C
- 29 或 - 30。
已发现的游离五环三萜有齐墩果酸和(2α,3β)- 2,3 -二羟
基齐墩果 - 12 -烯 - 28 -酸[31]。已知皂苷苷元包括齐墩果酸,
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2α,3β - diacetoxy - 30 - hydroxyolean - 24 - en - 28 - oicacid,常春
藤皂苷元和 11α,12α - epoxyolean - 28,13β - olid。糖链在 C - 3
和 - 28。T. rhyncocarpum的叶含三萜较多[30]。
1. 4 其它 从狭序唐松草地上部分离出原儿茶酸、咖啡酸、香豆
酸、山柰酚和 β - 谷甾醇[32]。展枝唐松草有海兔烷型二萜糖
苷[11]。亚欧唐松草的精油包含百里香酚(66. 63%),聚伞花素
(13. 05%),γ -萜品烯(7. 32%),香芹酚(3. 70%),1,8 -桉叶
素等 12 种成分[29]。盾叶唐松草挥发油中鉴定了 21 个成分[33],
主要为正四十四烷、3,5 -二烯豆甾烷和二十八烷。T. orientale
地下部分离出酚类 thalictricoside和氰苷 lithospermoside[34]。
2 生物活性
2. 1 抗肿瘤 华东唐松草 BI通过多种机制发挥抗肿瘤作用[35]。
thaliblastine对多种白血病细胞显示剂量依赖的细胞毒和促凋亡
效应[36],还有逆转多药耐药表型的效应。华东唐松草环菠萝蜜
烷三萜对培养人肝,结肠和肺肿瘤细胞具浓度依赖的细胞毒效
应[9,10],可能通过 P53 介导的细胞凋亡路径[10]。尖叶唐松草的
双生物碱 acutiaporberine 能诱导转移性肺癌细胞凋亡[37]。盾叶
唐松草叶挥发油抑制胃癌细胞体外增殖[33]。
2. 2 抗病毒 华东唐松草 BI 具有抗病毒活性[35],包括疱疹病
毒,HIV和流感病毒[38]。蒙药箭头唐松草(-)- thalimonine 及
其氮氧化物能抗流感病毒[39,40]。thalictuberine 氮氧化物效果稍
差,而 thalimonine的合成类似物,来自腺毛唐松草和黄唐松草的
生物碱则无效[40]。
2. 3 抗菌消炎和抗氧化 亚欧唐松草地上部的环菠萝蜜烷三萜
thalicoside A2 具有体外抑制细菌和真菌的活性[41]。T. rhynco-
carpum的茎皮和根含有糖苷和生物碱,在肯尼亚用于治疗细菌
感染[30]。华东唐松草 BI 有抗炎活性[35],机制包括抑制氧自由
基产生,抑制肿瘤坏死因子和诱导型一氧化氮合成酶,钙通道阻
断[38]。瓣蕊唐松草根茎中抗氧化物质可能为黄酮类[42]。盾叶
唐松草叶挥发油具有较好的抗氧化活性[33]。五种唐松草的抗矽
肺作用只有孤例报道[43],需要进一步研究证实。
2. 4 其它 华东唐松草 BI 具有抗心律失常[35],抗血小板聚集,
抗高血压作用[38]。华东唐松草 BI 还有免疫调节活性[35]。狭序
唐松草 Neothalfine (BBI)抗血小板聚集[16]。黄唐松草三级异喹
啉(叔胺碱),尤其是双苄基异喹啉生物碱具有杀巨噬细胞内寄
生的利什曼原虫活性[14]。香唐松草碱杀虫作用最强,但其去甲
基衍生物 northalfoetidine和 northalidasine对人体细胞毒性作用较
弱,且也具杀虫活性。环菠萝蜜烷三萜具有抗生育[31],抗肿瘤,
抗病毒,抗菌抗炎,免疫调节,心血管调节和保肝等效应[44]。
3 亲缘关系
基因倍增是基因组进化最主要的驱动力之一,是产生具有新
功能的基因和进化出新物种的主要原因之一。基因倍增是新基
因家族产生和基因功能多样化的前提,也是唐松草属次级代谢产
物多样化的重要原因。Soza等[45]发现基因组多倍化在唐松草属
进化中频繁出现,最多发生在最近 10. 6 ~ 5. 8 百万年,与特定演
化支的多样化时间符合。Kuzmanov发现该属多倍体物种产生更
多类型异喹啉生物碱[46],由于其有杀虫作用,故这些物种依靠风
媒传粉。产于我国的唐松草亚属腺毛唐松草组(组 III)箭头唐松
草、腺毛唐松草、黄唐松草和展枝唐松草均为多倍体[45],它们与
进化上较年轻的北美多倍体物种亲缘关系近,能产生多样化的生
物碱类型[7],且在我国有传统应用[3],分布范围大,是良好的药
用资源。产于我国的美洲唐松草亚属鞭柱唐松草,在分子系统树
上并未与任何美洲唐松草物种聚为一支[45,47],而是与欧亚物种
关系更近,故其归于美洲唐松草亚属是否恰当值得商榷。传统形
态分组与分子系统树上的演化支聚类不吻合,但可看出,分子树
上较原始的 I支只包含形态上较原始的 I 组(淡红唐松草)和 II
组(花唐松草,盾叶唐松草和台湾唐松草)物种[45]。IV 组的高山
唐松草和石砾唐松草在分子树上相距甚远,可能在形态上存在趋
同进化现象。从 NCBI GenBank获得不同研究组发表的唐松草细
胞核 ITS序列,构建系统树,发现很多同一物种的多个序列并未
聚到一支(图略),甚至相距很远,例如高原唐松草,鞭柱唐松草,
盾叶唐松草和淡红唐松草等。国外唐松草也存在多克隆 ITS 序
列问题[47]。这可能是本属 ITS 多拷贝,假基因及协同进化造成
的。基于四个叶绿体分子标志构建的系统树,分辨力较好,这四
个分子标志可作为候选 DNA 条形码,用于唐松草物种鉴别。有
趣的是,三个 II组物种,即盾叶,深山和尖叶唐松草位于进化树
基部,这与以前的化学系统学发现唐松草组生物碱少[7]的事实
并不矛盾。
4 结语
苄基异喹啉生物碱主要存在于较原始的木兰亚纲中[48],阿
朴菲型,原小檗碱型和 BBI均属较原始类型,普遍存在。BI 已作
为四个化学分类指标之一用于毛茛目系统发育分类[49]。许多种
唐松草倍性多变,同一物种既有正常二倍体,又有不同倍性的多
倍体[45],其与种内化学多样性的变异有何关联值得研究。星毛
唐松草与高原唐松草同属 III 组,且在基于 rpl32 - trnL + ndhA
intron + trnL - trnF的系统树上关系最近(图略),但其所含生物
碱比后者少得多[7],其内在调控机制需要探讨。近年华东唐松
草的化学和生物活性研究颇多,但由于缺乏分子生物研究,其系
统进化位置不清;还有许多唐松草物种缺乏 DNA序列数据,基因
组学研究尚未开展。目前有限的分子系统发育研究已经提供了
一些有意义的信息,今后开展唐松草属的分子生物学和组学研究
将为本属药物资源开发提供有力支持。
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