水培种植显著提升药用植物鼠鞭草（Typhonium flagelliforme）的植物化学成分及生物活性

《JSFA reports》：Phytochemical content, antioxidant and antibacterial properties of Typhonium flagelliforme cultivated via soil and hydroponic methods

本文首次系统比较了传统土壤种植与水培种植对鼠鞭草（Typhonium flagelliforme）植物化学成分与生物活性的影响。研究发现，水培能显著提升其总酚类(TPC)、总黄酮含量(TFC)，并增强其抗氧化(DPPH、FIC)与抗菌活性。研究揭示了水培作为一种可控环境农业技术，在优化药用植物有效成分生产、保障品质一致性方面具有巨大潜力，为功能性食品与制药领域提供了新的植物源抗氧化与抗菌物质。 （原文：This study demonstrated that hydroponic cultivation enhanced the bioactive compound content and improved the plant's antioxidant and antibacterial properties.）

　　

研究背景

鼠鞭草（Typhonium flagelliforme），俗称“鼠鞭芋”，是天南星科的一种药用草本植物，广泛分布于东南亚、中国和澳大利亚。传统上，它被用于治疗哮喘、腹泻和呼吸道肿胀等疾病。其药用价值源于丰富的植物化学成分，包括生物碱、多酚、脂肪族化合物、氨基酸和脂肪酸。此前的研究还表明，鼠鞭草提取物对人类肺癌细胞(NCl-H23)、人类乳腺腺癌细胞(T-47D)和乳腺癌细胞(HS578T)具有显著的细胞毒性作用，显示出潜在的抗癌特性。

传统的土壤种植系统面临着病虫害、化学残留积累、依赖不可控天气等挑战。相比之下，水培作为一种无土栽培技术，通过将植物根系浸入配制好的营养液中，并利用椰糠等惰性基质提供结构支撑，能够实现精确的环境控制和高效的营养输送。本研究旨在填补知识空白，首次系统比较水培与土培条件下鼠鞭草的酚类和黄酮类化合物浓度、抗氧化潜力及抗菌特性。

材料与方法

植物样品采自马来西亚雪兰莪州的农业生物技术研究所。土培植物使用富含AB肥料（成分包括钙、硝酸盐氮、铵态氮、钾、EDTA铁、磷酸盐、镁、硫酸盐、硼、钼酸盐、EDTA锰、EDTA锌和EDTA铜）的腐殖土作为生长介质。水培植物种植在椰糠中，并浸没在含有溶解AB肥料的营养液中。生长环境温度维持在34°C至36°C，湿度维持在60%至80%，并使用70%遮荫以避免过度紫外线照射。

提取过程包括将洗净干燥的叶片与乙酸乙酯以1:4 (m/v)的固液比混合，匀浆后孵育48小时，过滤后使用旋转蒸发器在50°C和150 mbar条件下浓缩，干燥提取物于-20°C保存。

植物化学成分通过液相色谱-质谱联用(LC-MS)进行分析。总酚含量(TPC)采用福林-酚法测定，以没食子酸为标准，结果以毫克没食子酸当量/100克鲜重(mg GAE/100 g)表示。总黄酮含量(TFC)采用氯化铝(AlCl₃)比色法测定，以儿茶素为标准，结果以毫克儿茶素当量/100克鲜重(mg CE/100 g)表示。

抗氧化活性通过两种方法评估：一是DPPH自由基清除试验，计算半抑制浓度(IC₅₀)和抗自由基能力(ARP)，其中ARP = 1/IC₅₀；二是亚铁离子螯合(FIC)活性测定，计算不同浓度提取物的螯合百分比及IC₅₀值。

抗菌活性针对八种细菌菌株进行评估，包括四种革兰氏阳性菌[耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)、金黄色葡萄球菌(S. aureus)、枯草芽孢杆菌(B. subtilis)、粪肠球菌(E. faecalis)]和四种革兰氏阴性菌[铜绿假单胞菌(P. aeruginosa)、大肠杆菌(E. coli)、鼠伤寒沙门氏菌(S. typhimurium)、福氏志贺氏菌(S. flexneri)]。采用肉汤微量稀释法测定最低抑菌浓度(MIC)，以氯霉素作为阳性对照。

所有实验均独立进行三次，数据以平均值±标准差表示，使用SPSS Statistics 27软件进行单因素方差分析和Tukey事后检验（p< 0.05）。

酚类化合物的鉴定

通过LC-MS分析，在土培和水培鼠鞭草提取物中分别鉴定出9种和16种酚类化合物，其中7种为两者共有。黄酮类化合物，特别是异牡荆素、芹菜素、木犀草素和山奈酚的衍生物，在两种种植条件下均被显著鉴定。例如，异牡荆素2″-O-木糖苷在正离子模式下于m/z565处被检出。芹菜素-7-O-葡萄糖苷（一种具有抗炎特性的天然黄酮）仅在正离子模式m/z433处的水培样品中被检测到。木犀草素衍生物在m/z595 [M+H]⁺和m/z447 [M-H]^-处被检测到。山奈酚衍生物在负离子模式m/z709 [M-H]^-处的水培提取物中被检测到。

酚酸类化合物，如4-对香豆酰奎宁酸、16-阿魏酰氧基棕榈酸酯和奎宁酸，在两种种植方式的植物中均有检出。儿茶素衍生物在m/z467 [M-H]^-处被检测到。

分析表明，土培植物中独有的酚类化合物（如6-羟基木犀草素5-鼠李糖苷和脱乙酰基(7) khivorinic acid甲酯）可能是对土壤中环境胁迫（如养分波动、水分竞争、微生物活动增加）的适应性反应。而水培植物中独有的化合物（如木犀草素7-鼠李糖基(1->6)半乳糖苷、芹菜素7-O-葡萄糖苷、奎宁酸和山奈酚衍生物）则可能与养分充足和生长条件优越相关，反映了水培可控环境对特定次级代谢物生物合成的促进作用。

总酚含量(TPC)与总黄酮含量(TFC)

水培鼠鞭草的总酚含量(49.0 ± 3.30 mg GAE/100 g)显著高于土培植物(16.7 ± 0.57 mg GAE/100 g)。同样，水培植物的总黄酮含量(22.6 ± 3.45 mg CE/100 g)也显著高于土培植物(6.75 ± 2.38 mg CE/100 g)。水培植物的TFC/TPC比率(0.46)略高于土培植物(0.41)。

水培鼠鞭草的TPC值超过了常见的十字花科蔬菜，如花椰菜和抱子甘蓝。其TFC值也高于常见的洋葱、番茄和大蒜等蔬菜，甚至高于一些常见的药用植物。

这种差异可能归因于水培系统能提供更受控、更一致的养分输送，从而可能增强酚类和黄酮类等次级代谢物的生产。而土培植物可能经历更多的环境胁迫，导致植物化学成分浓度的变化取决于植物的适应性反应。

DPPH自由基清除活性

水培提取物的DPPH自由基清除IC₅₀值(1.99 ± 0.19 mg/mL)显著低于土培提取物(2.37 ± 0.17 mg/mL)，表明其抗氧化潜力更高。因此，水培植物的抗自由基能力(ARP = 0.50 ± 0.04)显著高于土培植物(ARP = 0.42 ± 0.02)。IC₅₀和ARP的显著差异可能与水培植物较高的TPC有关。

水培鼠鞭草的IC₅₀值低于胡萝卜、黄瓜和芜菁等常见蔬菜提取物的报道值，突出了其作为天然抗氧化剂来源的潜力。这一发现与之前关于水培植物具有更高抗氧化潜力的研究一致。

酚类化合物是天然的抗氧化剂，其C₁₅骨架(C₆-C₃-C₆)和羟基能够有效稳定活性氧并防止自动氧化。芳香环结构的共振效应可以稳定酚氧自由基。酚类化合物的丰富还能通过淬灭单线态氧来增强抗氧化活性。其他机制如顺序质子损失电子转移(SPLET)也可能发挥作用。

亚铁离子螯合(FIC)活性

对于土培和水培鼠鞭草，FIC活性均随植物提取物浓度的增加而增加，且呈线性关系。在所有测试浓度下，水培鼠鞭草的FIC活性始终高于土培植物。水培提取物的FIC IC₅₀值(4.19 ± 0.08 mg/mL)显著低于土培提取物(5.51 ± 0.07 mg/mL)。

这种增强的活性可归因于水培植物中较高的黄酮含量。黄酮类化合物是有效的金属螯合剂，其金属结合位点（羰基和羟基部分）以及具有金属螯合能力的邻二羟基（儿茶酚）结构，使其能够螯合亚铁离子等促氧化金属离子，阻止其催化芬顿反应，从而减少活性氧的生成和氧化应激。

抗菌活性

总体而言，水培植物提取物对大多数测试菌株表现出比土培提取物更强的抗菌活性，这与较高的TPC和TFC值相对应。

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  对革兰氏阳性菌：两种提取物对MRSA的MIC值均大于25 mg/mL，抑制活性有限。对金黄色葡萄球菌(S. aureus)，两者MIC值均为12.5 mg/mL。对枯草芽孢杆菌(B. subtilis)，水培提取物的MIC值(1.56 mg/mL)显著低于土培提取物(3.13 mg/mL)。对粪肠球菌(E. faecalis)，水培提取物的MIC值(6.25 mg/mL)低于土培提取物(12.50 mg/mL)。
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  对革兰氏阴性菌：对铜绿假单胞菌(P. aeruginosa)，水培提取物的MIC值(1.56 mg/mL)低于土培提取物(3.13 mg/mL)。对大肠杆菌(E. coli)，水培提取物的MIC值(3.13 mg/mL)显著低于土培提取物(12.5 mg/mL)。对鼠伤寒沙门氏菌(S. typhimurium)和福氏志贺氏菌(S. flexneri)，水培提取物也显示出略强的抗菌活性。

水培提取物对革兰氏阴性菌表现出比对革兰氏阳性菌更强的抗菌活性，这可能与革兰氏阴性菌较薄的肽聚糖层使其对鼠鞭草中的某些植物化学物质更敏感有关。这些植物化学物质（如酚酸、黄酮类、单宁、二苯乙烯类）通过多种机制发挥抗菌作用，包括破坏细菌细胞膜完整性、导致离子泄漏、抑制DNA旋转酶和蛋白质合成、干扰细菌能量代谢（如抑制磷酸转移酶系统）以及影响酶活性等。

与来自秘鲁北部和墨西哥的大多数药用植物相比，水培栽培的植物提取物，特别是对大肠杆菌，表现出明显更强的抗菌活性。然而，两种栽培方法的提取物对MRSA的疗效均有限，这表明需要更高的浓度或不同的提取方法来提高对MRSA的疗效。

结论

本研究表明，与传统的土培相比，水培种植能显著提高鼠鞭草的植物化学成分含量、抗氧化能力和抗菌效力。水培鼠鞭草具有显著更高的总酚含量、总黄酮含量，以及更强的DPPH自由基清除活性和亚铁离子螯合活性。LC-MS分析揭示了两种种植方式下不同的酚类化合物谱。水培植物中较高的总酚和总黄酮含量与其更强的抗氧化活性相关。此外，水培提取物对大多数测试的革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌表现出更大的抗菌效力，特别是在枯草芽孢杆菌、铜绿假单胞菌、大肠杆菌和福氏志贺氏菌方面。这些发现强调了水培栽培的鼠鞭草作为天然抗氧化剂和抗菌剂的新型强效来源的潜力，支持其在功能性食品和制药中的应用。鉴于大多数先前研究均为体外进行，建议进行体内研究以验证其功效。同时，在考虑任何体内研究之前，建立安全性评价至关重要。