基于UPLC–Q-Orbitrap HRMS的生态栽培模式下三七皂苷组分调控机制与品质评价研究

《Journal of Agriculture and Food Research》：Quantitative Analysis of Fifteen Saponins in the Roots and Leaves of Panax notoginseng under Different Cultivation Models using UPLC–Q-Orbitrap HRMS

本研究针对传统农田栽培三七导致的农药残留、土壤退化及品质不稳定等问题，建立了UPLC–Q-Orbitrap HRMS法定量分析15种皂苷，系统比较了林下生态栽培与农田栽培模式下三七根、叶中皂苷积累差异。结果表明林下栽培显著提升了叶片中Rb1、Rb3、Rc、Rd及根中PPD型皂苷含量（最高增幅113.04%），并鉴定出Rb1（叶）与Rb1、Rh2（根）为林下栽培特征标志物。该研究为三七生态栽培推广及质量标准化提供了科学依据与技术支撑。

　　

在传统中医药宝库中，三七（Panax notoginseng）被誉为“血证良药”，其根部广泛应用于心血管疾病和血液疾病的治疗，而叶片则作为功能性食品用于改善失眠和神经保护。然而，随着市场需求激增，传统农田栽培模式暴露出严峻问题：高密度种植导致农药和化肥滥用，不仅造成农药残留超标，还引发土壤微生物群落失衡和连作障碍，严重制约三七产业的可持续发展。与此同时，消费者对药材质量与安全性的要求日益提高，如何通过生态友好的栽培方式提升三七有效成分含量，成为行业亟待突破的瓶颈。

在此背景下，研究者将目光投向林下生态栽培模式——这种利用森林荫蔽环境模拟三七野生生长条件的方式，既能高效利用林地资源，又有望改善药材品质。但当前缺乏能够精准量化不同栽培模式下皂苷组分差异的分析方法。传统液相色谱耦合紫外或蒸发光散射检测器因皂苷缺乏发色团、结构相似性高，存在灵敏度低、分离度不足的局限。为此，本研究开发了基于超高效液相色谱-四极杆-静电场轨道阱高分辨质谱（UPLC–Q-Orbitrap HRMS）的分析平台，旨在通过高精度、高灵敏度的技术手段，揭示栽培模式对三七皂苷合成的调控规律，为生态栽培的标准化提供科学依据。

关键技术方法概述

研究采集29个栽培点的三七根、叶样本，通过超声辅助70%甲醇提取皂苷，采用UPLC–Q-Orbitrap HRMS在负离子模式下检测15种皂苷（如Rb1、Rg1、R1等）。色谱分离使用C₁₈柱，以乙腈-水梯度洗脱，质谱分辨率达70,000（FWHM），并通过数据依赖型MS²采集碎片离子。方法验证显示线性范围0.42–800 μg/L，检测限低至0.12 μg/L，回收率>92%。数据分析结合多元统计（PCA、sPLS-DA、NMDS）比较皂苷分布差异。

3.1 分析方法验证

建立的UPLC–HRMS方法成功分离15种皂苷标准品，其提取离子流图峰形对称，无拖尾现象。质谱碎片离子主要来自糖链的连续丢失，符合皂苷裂解规律。方法线性良好（R²≥0.9970），灵敏度显著优于传统UPLC-UV法，为复杂基质中痕量皂苷定量提供了可靠工具。

3.2 根与叶的皂苷组成差异

叶片中以PPD型皂苷为主导，Fc、Rc、Rb3、Rb1含量最高；根部则同时富集PPD型（如Rb1、Rd）和PPT型（如R1、Re）皂苷。该分布模式与皂苷合成器官特异性相关，叶片更倾向于积累长糖链PPD型皂苷，而根部兼具两类皂苷的平衡合成。

3.3 栽培模式对皂苷组成的影响

非度量多维尺度分析（NMDS）显示，林下与农田栽培的皂苷分布显著分离（叶片R²=0.119，根部R²=0.035）。林下叶片样本紧密聚集，且与Rb1、Rb3、Rc、Rd正相关，表明其皂苷组成更稳定；农田根部则与F1、Rg3关联更强，反映栽培环境对皂苷代谢路径的差异化调控。

3.4 皂苷含量对栽培模式的响应

林下栽培使叶片总皂苷含量提升16.83%，其中三糖基（如Rd）和四糖基皂苷（如Rb1、Rc）增幅显著（P<0.05）。根部PPD型皂苷总量提高14.5%，Rb1含量较农田组增加23.97%。相反，农田栽培促进根部F1和Rg3积累，可能与强光、高温胁迫下PPT型皂苷转化加速有关。

3.5 特征皂苷标志物识别

通过稀疏偏最小二乘判别分析（sPLS-DA）鉴定出林下栽培的特征皂苷：叶片中Rb1（VIP>1）含量为农田组的2.13倍；根部中Rb1与Rh2共同作为判别标志物。这些标志物可作为林下三七质量认证的潜在指标。

结论与意义

本研究首次系统阐明了林下生态栽培对三七皂苷组成的优化作用：其荫蔽、低温环境促进PPD型皂苷在根、叶中的特异性积累，尤其是Rb1在林下叶片中增幅超一倍，成为核心品质标志。所建立的UPLC–HRMS方法兼具高灵敏度与高选择性，为中药材质量标准化提供了技术范本。该成果不仅为三七生态栽培的推广提供了数据支撑，也为其他药用植物的栽培模式优化与品质提升提供了可借鉴的研究思路。论文发表于《Journal of Agriculture and Food Research》，对推动中医药现代化与农业可持续发展具有双重意义。