皂荚属植物刺中黄酮与酚酸物种特异性积累调控生物活性的整合代谢组学研究

《Industrial Crops and Products》：Species-specific accumulation of flavonoids and phenolic acids coordinates bioactivities in Gleditsia L.

本研究针对皂荚属植物刺中黄酮类和酚酸类成分物种特异性积累规律及其与生物活性关联机制不清的问题，通过UPLC-MS/MS代谢组学技术系统比较G. sinensis、G. japonica var. delavayi和G. fera三种皂荚刺的代谢谱，结合多变量分析和体外活性评价，发现1314种代谢物中566个差异代谢物呈现显著物种特异性积累模式，其中G. sinensis具有最高总黄酮(TFC)和总酚(TPC)含量，其提取物展现出最强抗氧化(ABTS+IC50=8.91μg/mL)和酶抑制(α-淀粉酶IC50=28.5μg/mL)活性，并筛选出4-O-没食子酰奎宁酸(r=0.991)等核心特征标志物，为皂荚刺资源的高值化利用提供了理论依据。

　　

在全球人口老龄化加剧和代谢性疾病日益流行的背景下，开发安全有效的天然产物干预策略成为公共卫生领域的迫切需求。皂荚属植物的刺作为传统中药材，富含黄酮类和酚酸类活性成分，具有抗氧化、抗炎和降血糖等多种药理活性。然而，不同皂荚物种间活性成分的积累规律及其与生物活性的关联机制尚不明确，这严重制约了该药用资源的精准开发和高效利用。

为破解这一科学难题，发表于《Industrial Crops and Products》的研究论文首次对三种皂荚（G. sinensis、G. japonica var. delavayi和G. fera）刺进行了系统性的代谢组学比较分析。研究人员采用超高效液相色谱-串联质谱(UPLC-MS/MS)技术结合多元统计分析，揭示了物种特异的代谢物积累模式，并通过体外活性评价和相关性分析，阐明了关键成分与生物活性的定量关联。

本研究主要采用以下关键技术：基于UPLC-MS/MS的广泛靶向代谢组学技术对皂荚刺样本进行代谢物鉴定；运用主成分分析(PCA)、正交偏最小二乘判别分析(OPLS-DA)等多元统计方法进行数据挖掘；通过体外抗氧化（DPPH、ABTS⁺、FRAP）和酶抑制（α-淀粉酶、α-葡萄糖苷酶）实验评估生物活性；利用Pearson相关性分析建立成分-活性关联网络。所有实验均设置三个生物学重复，样本来源于贵州大学实验基地栽培的三年生皂荚植株。

1. 2.
   结果
   2.1. 不同皂荚物种刺的代谢组学特征
   形态学观察显示三种皂荚刺具有明显差异：G. sinensis刺粗壮分枝角大，G. japonica var. delavayi刺对称但分枝短，G. fera刺呈V形且末端渐尖。代谢组学分析共鉴定到1314种代谢物，其中黄酮类(511种，38.89%)和酚酸类(246种，18.72%)为主要成分。层次聚类分析将9个样本明显分为三组，表明不同物种间代谢谱存在显著差异。

2.3. 差异积累代谢物鉴定与物种特异性表达模式

通过设定筛选标准（倍数变化FC≥2或≤0.5，变量重要性投影VIP≥1），共鉴定到566个差异积累代谢物(DAMs)。K均值聚类将这些DAMs分为9个亚类，呈现明显的物种特异性积累趋势。G. sinensis在亚类1、5、6中显著富集黄酮类成分（占比超30%），而G. fera在亚类2、3、7中黄酮类含量最高（达46.83%）。

2.4. 黄酮和酚酸的种间变异分析

对511种黄酮和246种酚酸的聚类分析揭示了明显的物种特异性分布模式。在G. japonica var. delavayi与G. sinensis的比较中，发现309个差异黄酮，其中Cinchonain Id在G. japonica var. delavayi中的积累量是G. sinensis的428.80倍。酚酸分析显示，隐绿原酸在G. japonica var. delavayi中的含量显著高于G. sinensis（FC=2549.52）。

2.5. 关键共有差异黄酮和酚酸

通过三组比较共鉴定到304个共有差异代谢物，包括153个黄酮和53个酚酸。这些成分呈现显著的物种特异性积累，如G. sinensis特异性富集14种黄酮成分，而G. japonica var. delavayi中酚酸NO.33的峰面积是G. sinensis的2452.8倍。

2.6. 关键共有差异黄酮和酚酸的相关性分析

Pearson相关性分析显示，在1247对代谢物中，1046对呈现显著强相关性(|r|>0.80)。代谢物弦图将成分分为两个功能模块：模块1以黄酮为主，模块2以酚酸为主，表明这两类成分在代谢网络中具有协同作用。

2.7. 皂荚刺差异代谢物的代谢通路分析

KEGG富集分析显示，差异代谢物显著富集于黄酮生物合成、苯丙氨酸代谢和异黄酮生物合成等通路。这些通路在三种比较组合中均被显著富集，说明它们在物种间代谢差异形成中起核心调控作用。

2.8. 总生物活性成分测定

定量分析显示，G. sinensis具有最高的总黄酮含量(TFC，11.50 mg RE/g DW)和总酚含量(TPC)，而G. japonica var. delavayi的TFC和TPC含量均为最低。总淀粉含量则以G. japonica var. delavayi最高（13.69 mg/g DW）。

2.9. 体外生物活性评价

2.9.1. 抗氧化能力测定

G. sinensis提取物表现出最强的抗氧化活性，其ABTS⁺清除IC₅₀值(8.91 μg/mL)显著优于阳性对照Vc(11.42 μg/mL)和BHT(15.62 μg/mL)。FRAP测定显示G. sinensis的铁还原能力(17.2076 μmol Fe²⁺/g)达到BHT的80.0%。

2.9.2. 酶抑制实验

在降糖活性方面，G. sinensis提取物对α-淀粉酶(IC₅₀=28.5 μg/mL)和α-葡萄糖苷酶(IC₅₀=14.4 μg/mL)的抑制活性最强，分别是对照药阿卡波糖的1.61倍和2.67倍。

2.9.3. 生物活性成分与生物活性的相关性

相关性分析显示，TFC与FRAP能力呈极显著正相关(r=0.903，P<0.001)，而TPC与α-葡萄糖苷酶抑制活性显著相关(r=0.978)。通过筛选标准（|r|>0.95，P<0.001）鉴定出4个核心特征标志物：p-没食子酰氧苯基-β-D-葡萄糖苷、4-O-没食子酰奎宁酸、5-羟基二羟基黄酮和杜荆素-8-C-(2″-O-鼠李糖基)葡萄糖苷。

研究结论与讨论部分指出，该研究首次建立了皂荚刺"物种-成分-活性"的定量关联模型，揭示了物种间功能分化的代谢基础。G. sinensis在综合生物活性方面表现最优，其高含量的黄酮类和酚酸类成分与其强抗氧化和降糖活性直接相关。筛选出的核心特征标志物不仅为皂荚刺的质量控制提供了特异性指标，也为定向育种和药物开发提供了分子靶点。该研究填补了多物种皂荚刺比较代谢组学研究的空白，为皂荚属药用资源的精准开发和高值化利用奠定了坚实基础。

需要注意的是，本研究的样本代表性可能受树龄和地理来源等因素影响，且所有活性数据均基于体外实验，其体内效价和安全性有待动物模型进一步验证。后续研究可聚焦于不同生长阶段和地理来源皂荚刺的代谢物-活性关系动态变化，并推进核心标志物的分离纯化与药效机制深入研究。