DEL1: Kemisk mangfoldighed og forudsigelse af potentielle dyrkningsområder for Cistanche-urter

Kontakt: Audrey Hu Whatsapp/hp: 0086 13880143964 E-mail:audrey.hu@wecistanche.com

På grund af fjendtlige vækstmiljøer og stigende relateret produktion,Cistanche planterer faldet i antal. Formålet med denne undersøgelse var at evaluere kvaliteten af ​​og at forudsige potentielt egnede regioner for to officielle arter og to ikke-officielle arter (C. salsa og C. sinensis) ved højtydende væskekromatografi og MaxEnt-modellen. Resultaterne indikerede, at 2'-acetylacteosid kun var til stede iCistanche deserticola. Forbindelsen kan bruges som en potentiel kemisk markør til at skelneCistanche deserticolafra de tre andreCistanche planter. Anthocyanin A og carotenoid F var kun de almindelige bestanddele af de to officielle arter og kan således bruges som kemiske markører til at skelne mellem officielle og ikke-officielle arter. Forudsigelsesresultaterne af en potentielt passende fordeling indikerede, at C. sinensis har meget bredere områder for potentiel fordeling end de andre arter. Endelig er echinacoside-indholdet iCistanche deserticolavar væsentligt forskellig mellem de to egnede potentielle fordelinger, og indholdet af prøver fra Indre Mongoliet var væsentligt højere end dem fra Gansu-provinsen. Dette er den første anvendelse af kombinationen af ​​indholdet af kemiske komponenter og resultaterne af MaxEnt-modeller til kvalitetsvurdering af urtemedicin. Vores resultater kan give en reference for bæredygtig udnyttelse af truede Cistanche-arter.

Siden den 72. Verdenssundhedsforsamling er traditionel medicin blevet inkluderet i International Classification of Diseases (11. version), som hovedsageligt stammer fra traditionel kinesisk medicin og også er bredt accepteret i sydøstasiatiske lande som Japan, Korea og Indien. Konferencen viste, at traditionel medicin spiller en vigtig rolle i sundhedsregulering. Lægeurter er den materielle base for traditionel medicin ud over akupunktur og manipulation. Den nøjagtige brug og kombinationen af ​​forskellige urter bestemmer den ultimative effekt af traditionel medicin1-3. Derudover svinger indholdet og typen af ​​aktive komponenter i urter med deres botaniske oprindelse og vækstmiljøer. Derfor er korrekt botanisk oprindelse og passende vækstmiljøer afgørende for klinisk effektivitet og sikkerhed.

Cistancheplanter bruges som ædle tonic og spiselige urter til mænds pleje i Kina, Japan og nogle sydøstasiatiske lande4,5. Fire arter af slægten er kendt for deres potentielle medicinske værdi i Kina, nemlig,Cistanche deserticola, Cistanchetubulosa, Cistanche salsa, ogCistanche Sinensis. De tørrede sukkulente stængler af de to første arter er registreret i den kinesiske farmakopé (2015-udgaven), navngivetCistanches Herba. Disse arter er gavnlige for nyrerne og tarmkanalen. De to andre arter forbruges nogle steder eller bruges som forfalskning afCistanches Herba. C. salsa blev registreret i de lokale urtestandarder i provinserne Gansu (1992-udgave) og Xinjiang (1987-udgave). C. Sinensis er en unik art i Kina. Moderne kemiske og farmakologiske undersøgelser har vist, at kemiske komponenter fra disse urter har adskillige virkninger, såsom forbedring af hjernens funktion, afrodisiakum-effekter og immunforstærkende effekter.

Publicerede undersøgelser viser indholdet og typeforskellen af ​​kemiske bestanddele mellem forskelligeCistanche planter, hvori betain, Krebs cykler mellemprodukter,phenylethanoid glycosider,og iridoider blev betragtet som fire kemiske markører, der var ansvarlige for diskriminationsanalyse mellemCistanchedeserticolaogCistanche tubulosa7,8. En detaljeret undersøgelse viste, at isomererne af campneosid II, cistanosid C og cistanosid A var tre potentielle

kemiske markører for at skelne de to ovenfor nævnte arter9. Yderligere forskning viste, at otte phenylethanoidglykosider kunne vælges som kemiske markører til at skelne mellemCistanche arter, som hovedsageligt omfatterCistanchedeserticola, Cistanchetubulosa,og C. sinensis10. Derudover varierer indholdet af kemiske bestanddele med geografisk oprindelse. Zhou og hans medforfattere angav, at det samlede indhold af syv indekskomponenter (castanosid A, echinacosid, isoacteosid, 2'-actylacteosid, castanosid C og tubluosid B) afCistanche tubulosafra syd for Xinjiang var cirka seks gange større end Kuitun og Hami i Kina11. Blandt disse kemiske komponenter, acteosid ogechinacosidebetragtes som indekskomponenter til kvalitetskontrol af urtemedicin. De to komponenter er blevet rapporteret at forbedre hjernens funktion, og acteosid bidrager hovedsageligt til afrodisiakum-effekterne.

Artsfordelingsmodeller (SDM'er) er statistiske modeller etableret med eksisterende miljøvariabler for at udlede arters økologiske krav. Sådanne modeller kan kortlægge en målarts potentielle udbredelser på basis af de observerede udbredelsesdata12. Til dato er SDM'er med succes blevet anvendt til forudsigelse af udbredelsestendensen af ​​truede og økologiske planter under klimaændringer13,14. Blandt disse modeller er MaxEnt-modellen almindeligvis brugt som et simpelt middel til at forudsige habitatets egnethedsfordeling med kun tilstedeværelsesdata og fungerer godt med ufuldstændige data, små stikprøvestørrelser og huller14. Kombineret med noget software (såsom ArcGIS) kan forskning udtrække miljø- og klimavariabler fra indsamlingssteder for prøver. Endvidere kan en potentielt egnet placering opdeles i tre eller fire niveauer15–17. Imidlertid har ingen undersøgelse rapporteret kombinerede strategier, der inkorporerer potentielle egnede steder efter deling og indhold af kemiske komponenter til kvalitetskontrol af urtemedicin.

I denne undersøgelse blev fire truede Cistanche-planter indsamlet til kvalitetsvurdering med højtydende væskekromatografi (HPLC), og syv kemiske komponenter blev brugt som indeks. Desuden blev en MaxEnt-model udstyret med 26 miljøvariabler brugt til at forudsige potentielt egnede områder til at undersøge optimale arter til videre brug. Endelig blev kombinationen af ​​indekskomponentens indhold og egnede områder systematisk analyseret for bedre udvikling og udnyttelse af disse truedeCistanchefabrikker i Kina og andre lande.

Resultater

Indholdet af de syv kemiske komponenter blev beregnet ud fra deres kalibreringskurver. Kalibreringskurvernes syv ligninger var Y {{0}}.5400X plus 0.1616 (2'-acetyl-lacteosid, R {{ 7}}.9992), Y=18.5640X plus 0.3724 (akteosid, R=0.9821), Y=15.635 0X plus 0.0090 (isoacteosid, R=0.9999), Y=12.7460X plus 0.0103 (tubulosid A , R=0.9999), Y=10.638X plus 0.1615 (cistanoside A, R=0.9997),Y=21.533X−0.0006 (cistanosid F, R=1), og Y=13.0740X plus 1.1381 (echinacoside, R=0.9821); koncentrationen (X) er den vandrette akse, og toparealet (Y) er den lodrette akse. R er korrelationskoefficienten og indikerer en fremragende lineær korrelation mellem disse kalibreringskurver. Et præcisionseksperiment (seks sekventielle injektioner af de samme prøveekstraktiver) viste, at præcisionen var god, og den relative standardafvigelse (RSD) af toparealet var mellem 0,3 procent og 0,8 procent. Tilsvarende gav repeterbarheden (seks sekventielle injektioner af de samme prøveekstraktiver) og stabilitetstests (seks injektioner af de samme prøveekstraktiver efter 0, 2, 4, 8, 12 og 24 timer) RSD'er på 0,56-1,46 procent og 1,06- 3,60 pct.

Yderligere indholdsanalyser af de syv indeksbestanddele blev vist i grupperede vandrette bokse, der indeholdt visuelle sammenligningsresultater og signifikante forskelle med små bogstaver. Gendannelsestestresultaterne for de syv bestanddele varierede fra 99,25 procent til 104,10 procent med RSD'er mellem 0,69 procent og 3,45 procent. Derfor var metoden præcis.

Indholdet af de syv indeksbestanddele i de fire arter og den geografiske oprindelse af samme art er vist i grupperede vandrette felter. Indholdet af nogle kemiske komponenter var under detektionsgrænsen. Kun en del af figurerne indeholdt således fire Cistanche-arter. Den kemiske komponent 2'-acetylacteosid blev kun påvist iCistanche deserticola, hvorimod det var uopdaget i de andre arter ved den foreliggende metode. Der blev imidlertid observeret en indholdsforskel mellem de forskellige geografiske oprindelser med fokus på 2'-acetylacteosid. Indholdet af komponenten fra Alashanzuoqi i Indre Mongoliet var betydeligt højere end indholdet i de tre andre provinser, hvorimod indholdet i arten fra Tingtuhu i Minqinin, Gansu-provinsen, var væsentligt lavere end indholdet på de andre steder (fig. 1A). Tubulosid A blev påvist iCistanche deserticolaogCistanche tubulosa.Der blev ikke observeret nogen bemærkelsesværdig forskel mellem de to arter og endda blandt planter af samme art fra forskellig geografisk oprindelse (fig. 1B). De fire arter indeholdt den samme kemiske komponent (acteosid). Indholdet af acteosid i C. salsa indsamlet fra Jianga'erhan fra Tacheng i Xinjiang var væsentligt højere end indholdet af de andre arter og den samme art fra forskellige vækstområder. Derimod afveg indholdet af acteosid ikke væsentligt mellem de forskellige oprindelser afCistanche deserticola(denne konstatering var den samme som for tubulosid A; fig. 1C). Cistanoside A blev påvist iCistanche deserticolaog C. salsa. Indholdet af C. salsa-prøverne fra Jianga'erhan fra Tacheng i Xinjiang var væsentligt højere end indholdet afCistanche deserticolaprøver fra andre steder. Desuden har variationen i placeringen ikke påvirket indholdet af komponenten. Denne tilstand var den samme som for tubulosid A og acteosid (fig. 1D). For cistanosid A svingede indholdet af indekskomponenten ikke med variationerne i arter og geografisk oprindelse (fig. 1E). Echinacosidindholdet i C. salsa-prøverne fra Hejiaoke i Tuoli i Xinjiang var væsentligt højere end indholdet af prøverne fra Jianga'erhan i Tacheng i Xinjiang. Komponentindholdet i prøverne fraCistanche deserticolaogCistanche tubulosa, uanset hvor de blev indsamlet, var betydeligt lavere end andre steder (Jianga'erhan fra Tacheng i Xinjiang). Derudover kunne den kemiske komponent ikke påvises i C. sinensis (fig. 1F). Isoacteosid blev påvist i alle Cistanche-arter undtagen C. salsa; isoacteosidindholdet iCistanche tubulosavar betydeligt højere end i de to andre arter uanset kildeprovinserne i Kina (fig. 1G). Heri var alle de signifikante forskelle mindre end P < 0.5.="" det="" samlede="" indhold="" af="" disse="" kemiske="" komponenter="" er="" stablet="" i="" fig.="" 2="" for="" forbedret="" sammenligning="" af="" de="" syv="" styrenglycosider.="" heri="" antog="" vi,="" at="" geografisk="" oprindelse="" havde="" en="" lille="" indflydelse="" på="" de="" potentielt="" egnede="" områder="" i="" verden="" og="" i="">

Med de kombinerede beregninger fra MaxEnt og ArcGIS blev de potentielle egnede arealer for de fire Cistanche-arter af urter beregnet. Resultaterne er vist i tabel 1. I lighed med kategorierne i ovenstående afsnit blev de potentielt egnede områder opdelt i fire klasser. Med hensyn til den høje habitategnethedsklasse havde tre arter ca. 30 km2 større egnede områder på verdensplan (Cistanche deserticola: 29.2210 km2, C. sinensis: 31.3034 km2, C. salsa: 30.8633 km2) sammenlignet med C. tubu- losa (10,6866 km2). Som vist ved sammenligningen af ​​den høje habitategnethedsklasse,Cistanche deserticolahavde det største areal (38.9267 km2) i forhold til den moderat egnede klasse (Cistanche tubulosa: 12.4069 km2, C. sinensis: 32.1292 km2, C. salsa: 38.5764 km2), mens arealet afCistanche tubulosavar stadig den mindste.

Med hensyn til de potentielle arealer, der betragtes som en potentiel fordeling af egnede dyrkningslokaliteter, diskuteres den høje habitategnethed og moderat egnede klasser som følger. De fleste af de egnede områder (ca. 90 procent ) tilCistanche deserticolavar hovedsageligt fordelt i det nordlige og nordvestlige Kina. Derudover blev nogle få områder med potentielle dyrkningsforhold identificeret i den sydlige del af USA, det sydvestlige Iran, det østlige Tyrkiet, det sydlige Mongoliet og det østlige Kasakhstan (fig. 3). I modsætning til de ovennævnte arter syntes C. tubulosa at være godt udbredt over hele verden og dækkede det vestlige Kina, nordvest for Sydamerika, nord for Afrika og nogle lande mellem Kina og Afrika. Dog selv omCistanche tubulosahavde en bred potentiel udbredelse, var artens samlede areal det mindste sammenlignet med de tre andre arter, for hvilke de samlede arealer med høj habitategnethed og moderate klasser var 23,0935 km2. Med hensyn til de to klasser blev der kun fundet nogle få potentielle områder egnet til artens vækst i det nordlige Egypten, i den vestlige region af Kongeriget Saudi-Arabien, det sydlige Yemen, det nordlige Forenede Arabiske Emirater, det sydlige Iran og Pakistan. De største områder var stadig i Kina, hvor de samlede forudsigelsesområder var placeret i den vestlige del af landet (fig. 4). Svarende tilCistanche deserticola, C. salsa blev hovedsageligt udbredt i det nordvestlige og nordlige Kina, hvor eksemplaret har optegnelser. Efter forudsigelse af MaxEnt-modellen var der et lille forudsigelsesområde, der kan være et passende vækstmiljø i USA og det østlige Kasakhstan og Kirgisistan (fig. 5). De fleste af de forudsagte placeringer af C. sinensis var fordelt i det nordlige og vestlige Kina. Derudover blev nogle få områder identificeret i den midterste del af Marokko, det sydøstlige Algeriet og det nordvestlige Tchad og Iran (fig. 6).

De potentielt egnede områder beregnet af MaxEnt vises i nederste højre hjørne af fig. 3-6 for at vise forudsigelsesfordelingen af ​​de fire arter i Kina. Heri var de mindste enheder af forudsigelsesfordelingskortlægning baseret på provinserne i Kina. I lighed med analysen for verden var analysen i dette afsnit baseret på høj habitategnethed og moderate klasser. Forudsigelsesområderne indikerede detCistanche deserticolablev hovedsageligt distribueret i Xinjiang, Indre Mongoliet, Ningxia, Gansu og Qinghai-provinserne. Selvom nogle få udbredelsesområder blev fundet i andre provinser, tilhørte de klasse 2. Derfor var disse områder dårligt egnede og derfor ikke anbefalet til dyrkning af arten. TilCistanche tubulosa, blev alle potentielt egnede områder af arten forudsagt i Xinjiang-provinsen i Kina. Interessant nok havde C. salsa en bred vifte af potentielle distributioner i Kina, herunder Xinjiang, Indre Mongoliet, Ningxia, Gansu, Qinghai, Shanxi, Shaanxi og Hebei-provinserne. Desuden så hele Ningxia-provinsen ud til at være et muligt dyrkningsområde for arten. I lighed med C. salsa havde C. Sinensis også brede regioner til potentiel distribution undtagen Xinjiang-provinsen (men den havde et forudsigelsesområde i Xizang-provinsen)

evaluering af hver artsmodel.

Modelydeevnen blev opdelt i fem kategorier: mislykkedes, dårlig, rimelig, god og fremragende ({{0}}.9 < auc="" mindre="" end="" eller="" lig="" med="" 1).="" modellens="" ydeevne="" i="" form="" af="" auc-værdien="" og="" roc-kurven="" blandt="" de="" fire="" modeller="" er="" vist="" i="" fig.="" 7.="" resultaterne="" indikerede,="" at="" de="" fire="" modellers="" præstation="" i="" træningsdataene="" var="" fremragende,="" med="" auc-værdier="" mellem="" 0.997="" og="" 0.998="" og="" en="" roc-kurve="" i="" øverste="" venstre="" hjørne="" tæt="" på="" 1.="" desuden="" viste="" auc-værdien="" i="" testdataene="" også="" god="" modelydelse="" med="" en="" høj="" værdi="" mellem="" 0.979="" og="" 0,996="" og="" en="" øverste="" venstre="" hjørne="" roc-kurve="" tæt="" på="" 1.="" generelt="" har="" disse="" modeller="" en="" stærk="" evne="" til="" at="" forudsige="" potentiel="">

Variables responsanalyse til egnethed.

Responskurver viser den kvantitative sammenhæng mellem habitats egnethed og miljøvariabler (også kendt som den logistiske sandsynlighed for tilstedeværelse)14. I nærværende undersøgelse blev de fælles variabler mellem jackknife-testen og permutations-betydning (procentdel) brugt til at analysere variablenes respons på egnethed. Med hensyn tilCistanche deserticola, bio09 og vind10 var almindelige variabler. Den passende middeltemperatur for det tørreste kvarter (bio09) var mellem -12,71227957 grader og -1,296478534 grader. Den optimale vindhastighed i oktober (vind10), som er gavnlig for artens udbredelse, var mellem 0,5841 og 3,2581 m·s−1 (Fig. S5). To almindelige variabler blev identificeret for den potentielle fordeling iCistanche tubulosamodel. Den første var solstråling i maj, med et passende område på over 24661.0800 kJ·m−2·day−1. Den anden var nedbør i oktober (pre10), med en optimal værdi lavere end 5,4640 mm (fig. S6). Resultaterne af jackknife-testen viste, at fire variabler var de samme som dem for de to andre evalueringsmetoder for bidraget fra de bioklimatiske faktorer i C. salsa-modellen. De første to variable omfattede solstråling i juni og november (srad06 og srad11), med intervaller på henholdsvis 23298.9691-25137.457 og 6709.6219-10687.2852 kJ·m−2·day−1. Den tredje var middeltemperaturen for det tørreste kvartal (bio09), med et optimalt område på -12.6159–2.8479 grader . Den fjerde variabel var nedbør i september (pre09), med et passende område på 8,3762-32,4312 mm (fig. S7). MaxEnt-modellen af ​​C. Sinensis havde tre vigtige variabler, der for det meste bidrog til artens potentielle fordeling. Det passende område for solstråling i december (srad12) var 6138.3161–9488.8316 kJ·m−2·day−1, og det for maksimal temperatur i november (tmax11) var -1.9115–9.6048 grader . Endvidere var det passende vindhastighedsområde i august (wind08) 2,1005– 3,3054 m·s−1 (fig. S8). De andre vigtige variabler, der bidrager til den potentielle fordeling af de fire arter, er opsummeret i fig. S5-S8.

Korrelation mellem kemiske komponenter og bioklimatiske variable. De mest populære arter fra de vigtigste distributionsprovinser (Cistanche deserticola) blev sammenlignet for at afslutte korrelationsanalysen og for at undersøge indholdsfluktuationen af ​​syv indekskomponenter med miljøtilstanden. Efter analyse af artens egnede potentielle udbredelse blev disse potentielle udbredelsesregioner opdelt i fire kategorier. Heri blev seks indsamlingssteder inklusive 22 prøver kortlagt på Kina-kortet udtrukket fra resultaterne af MaxEnt-modellen af ​​arten (fig. 8). Resultaterne indikerede, at to indsamlingssteder var beliggende i klasse 1 (høj habitategnethedsklasse), og to indsamlingssteder tilhørte klasse 2 (moderat egnet klasse). De to sidste steder blev klassificeret som klasse 3 (lav passende klasse). En signifikant forskel i 2'-acetylacteosidindholdet blev observeret mellem CD-TG (Tingtuhu, Minqin, Gansu-provinsen) og CD-AI (Alashanzuoqi, Indre Mongoliet), som tilhørte henholdsvis klasse 2 og 1. Derudover afveg indholdet af komponenten i CD-AX (Aibi Lake-regionen, Tacheng, Xinjiang) og CD-CG (Changcheng, Liangzhou, Gansu-provinsen), som tilhørte klasse 3, ikke væsentligt fra indholdet i de fire andre steder, som tilhørte klasse 1 og klasse 2. For de seks andre kemiske komponenter blev der ikke identificeret nogen væsentlig forskel mellem de forskellige geografiske oprindelser med hensyn til indholdet af disse bestanddele.

Diskussion

Urtemedicin er en kompleks blanding af mange kemiske komponenter, der bidrager til den systematiske målretning af sygdom. Derudover kan en type urtemateriale indsamles fra forskellige botaniske arter, der har lignende egenskaber eller effektive komponenter. For eksempel er Coptidis Rhizoma en urtemedicin med højfrekvent brug; det er opnået fra tre medfødte planter (Coptis chinensis, C. deltoidea og C. teeta) og bruges til at helbrede diarré forårsaget af fugtretention ved hjælp af forskellige berberiner18. Derudover er Polygonatum Rhizoma almindeligvis brugt som en funktionel fødevare i dagligdagen i Kina til immunregulering; råmaterialerne er jordstængler af Polygonatum kingianum, P. sibiricum og P. cyrtonema19. Denne undersøgelse omfattede fire arter, hvoraf to er officielt registreret i Kinas farmakopé (Cistanche deserticolaogCistanche tubulosai 2015-versionen).