唇形科（Lamiaceae Lindl.）与马鞭草科（Verbenaceae Juss.）部分选定类群的综合形态学与植物化学研究

《BMC Plant Biology》：Integrating morphological and phytochemical studies on some selected taxa of Lamiaceae Lindl. and Verbenaceae Juss.

背景：唇形科（Lamiaceae）与马鞭草科（Verbenaceae）在分类学上是姐妹科，均属于唇形目（Lamiales）。它们因其具有生物活性的植物化学成分而著称，但据报道，在区分这两个科时存在相当大的分类学困难。本研究旨在探索11种选定含精油（Essential Oil, EO）物种的宏观和微观形态学特征（茎和叶片），利用光学显微镜（Light Microscope, LM）进行观察，并利用气相色谱-质谱联用（Gas Chromatography–Mass Spectrometry, GC-MS）鉴定其地上部分的EO成分，以实现这些物种间的分类界限划分。产油率最高的物种的精油还在体外针对人肝细胞癌（HepG 2）细胞系进行了测试。 结果：记录了茎和叶片的宏观及微观形态学特征。在这些特征中，毛状体（trichomes）、基本组织和维管束在物种水平上具有诊断价值。GC-MS分析检测到存在160种成分，除 Citharexylum spinosumL. 外，所有研究物种均以单萜（monoterpenes）和倍半萜（sesquiterpenes）类为主；Citharexylum spinosumL. 中单萜占2.19%，倍半萜占0.3%。EO针对HepG 2的体外生物测定揭示了显著效应，表现为 Mentha spicataL.、Salvia microphyllaKunth.、Lantana camaraL. 和 Ocimum labiatum(N.E.Br.) A.J. Paton 的 IC50值分别为 58.9、48.3、36.7 和 34.5 μg/mL。 结论：这项工作揭示了唇形科和马鞭草科亲缘关系紧密，所研究物种间的相互形态解剖特征存在波动，然而，EO分析显示这些物种间存在差异。

论文解读：唇形科与马鞭草科部分类群的形态学及植物化学集成研究

研究背景与意义

唇形科（Lamiaceae Lindl.，薄荷科）与马鞭草科（Verbenaceae Juss.，马鞭草科）是唇形目（Lamiales）的两个核心科，二者在分类学上亲缘关系紧密。这两个科的植物因其富含具有生物活性的植物化学成分而闻名，尤其在精油（Essential Oil, EO）含量及药用、香料、观赏和经济价值方面表现突出。然而，由于它们在形态解剖特征上存在诸多相似性，长期以来在分类学上区分这两个科面临相当多的困难，部分曾归属于马鞭草科的属在APG II及APG III系统下被重新划归唇形科，导致科间的系统发育骨干及界限问题长期存在争议。为了探索这两个科及所含物种间的分类界限，并寻找可能的化学分类学（chemotaxonomic）标记，研究人员开展了此项综合形态学与植物化学研究。该研究结合了宏观与微观形态解剖学观察、精油成分的气相色谱-质谱联用（Gas Chromatography–Mass Spectrometry, GC-MS）分析，以及对人肝细胞癌（HepG 2）细胞系的体外细胞毒性评估，旨在关联形态特征和植物化学特征，为分类学界定和潜在药用价值提供依据。该论文发表在《BMC Plant Biology》。

主要关键技术方法

研究人员于2024年春季至初夏花期，在埃及不同地区采集了11种含精油植物的新鲜标本，其中包括8种唇形科物种和3种马鞭草科物种，并经专家鉴定及凭证标本保存。形态学研究包括直接观察描述全株宏观特征（如习性、茎、叶、花序、花），并依据叶结构工作组手册进行叶级分类；微观形态学则通过徒手切片制取茎和叶片横切面（13–16 μm），经番红-亮绿双重染色后，利用光学显微镜（LM）观察并记录解剖特征。精油制备采用Clevenger型装置的水蒸馏法提取地上部分EO，并计算得油率（v/w%）。EO成分分析使用GC-MS联用仪，通过比对保留指数（Retention Index, RI）和标准正构烷烃系列及NIST谱库进行化合物鉴定。此外，针对高产油率的物种，研究人员采用MTT法（3-[4,5-二甲基噻唑-2-基]-2,5-二苯基四唑溴化物还原法）在体外测试了其EO对人肝细胞癌（HepG 2）细胞系的细胞毒性，并以阿霉素（Doxorubicin）为阳性对照，通过SPSS软件进行Probit分析计算IC₅₀值。

研究结果

形态学特征

宏观形态学调查：研究显示所选植物表现出多样的宏观形态学特征。唇形科成员具有不同的生长习性（乔木、灌木、半灌木或草本），花辐射对称（整齐花）或两侧对称（不整齐花，合瓣花），果实为分果（schizocarpic fruits）具四个小坚果或核果；马鞭草科研究对象为乔木、灌木或半灌木，花组成圆锥花序、总状花序或穗状花序。两科所有研究类群均为多年生、雌雄同株，具交互对生且叶基对称的叶片，叶多为简单羽状，仅 Vitex agnus-castus为复掌状。叶的大小、形状、边缘、先端和基部形状在所有物种间差异显著，花双性，排列成圆锥花序或轮伞花序（verticillasters）。

微观形态学调查：

茎解剖特征：唇形科茎横切面轮廓多为方形（Tectona grandis深沟状），少为圆形或近圆形，马鞭草科多为方形或圆形。毛状体（trichomes）类型多样，包括非腺毛（acicular hairs，单细胞、双细胞或多细胞，Citharexylum spinosum除外）和腺体毛（glandular trichomes，具唇形科型的盾状腺毛结构，在 Mentha spicata中丰富，其他类群较少）；部分物种具烛台状（candelabra-like）毛状体。基本组织类型及维管系统排布各异，维管系统多为连续圆柱状，Mentha spicata和 Ocimum labiatum为离散型；木质部外纤维多成束或连续环，Citharexylum spinosum和 Callicarpa americana具石细胞，部分物种皮层及髓部含晶簇（druses）或菱形晶体。

叶片解剖特征：所有研究物种叶片均为背腹叶（dorsiventral），具2-3层栅栏组织。表皮细胞形状及角质层厚度有差异。毛状体类型与茎类似，非腺毛普遍存在（Citharexylum spinosum除外），腺体毛包括头状（capitate）和盾状（peltate），唇形科型盾状腺体毛在 Mentha spicata表皮丰富，少数唇形科成员及马鞭草科的 Lantana camara中少量存在。晶体分布在两科及不同物种间有差异，如唇形科部分物种无晶体，部分具菱形或针状晶体；马鞭草科 Lantana camara含晶簇，Citharexylum spinosum含针状晶体。

精油（EO）成分的气相色谱-质谱联用（GC-MS）分析

水蒸馏法获得的EO颜色由无色至淡黄或暗黄，具刺激性气味。得油率介于0.003%至0.48% (v/w)。GC-MS分析共检出160种成分，类别变异显著。单萜类（Monoterpenes）是 Thymus vulgaris（93.7%）、Mentha spicata（84.44%）、Aloysia gratissima（62.66%）等8个物种EO中的主要类群；而 Callicarpa americana（5.08%）、Tectona grandis（0%）和 Citharexylum spinosum（2.19%）中单萜含量较低。具体单萜化合物如 p-伞花烃（p-Cymene）、α-水芹烯（α-Phellandrene）等在唇形科中普遍或高含量，马鞭草科中则多缺如或较低，Aloysia gratissima和 Lantana camara以桧烯（Sabinene）为主。倍半萜类（Sesquiterpenes）是 Callicarpa americana（90.01%）、Ocimum labiatum（58.98%）和 Tectona grandis（45.31%）等的主要成分类别，也可见于多个其他研究类群；石竹烯（Caryophyllene）是最常检出的倍半萜。二萜类多未检出或痕量，仅 Citharexylum spinosum和 Tectona grandis以植醇（Phytol）为主；Citharexylum spinosum还含有较多非萜类成分（如β-苯乙醇苯甲酸酯）。腺体毛的密度和类型与EO得率及单萜/倍半萜富集程度呈正相关，如 Mentha spicata和 Thymus vulgaris腺体毛高密度对应较高得油率及富单萜，Citharexylum spinosum腺体毛极少对应极低得油率及贫萜类。

精油（EO）的细胞毒性活性

针对人肝细胞癌（HepG 2）细胞系的体外生物测定显示，高产油率的唇形科物种EO具有显著细胞毒性，其 IC₅₀值分别为：Ocimum labiatum34.5 μg/mL、Lantana camara36.7 μg/mL、Salvia microphylla48.3 μg/mL、Mentha spicata58.9 μg/mL。Thymus vulgarisEO 显示中度细胞毒性（100 ppm时43.9%），Vitex agnus-castus、Callicarpa americana和 Aloysia gratissima的EO则显示微弱细胞毒性（100 ppm时分别为13.5%、12.8%、10.6%）。

讨论与结论总结

讨论部分指出，尽管唇形科与马鞭草科在宏观特征（如对生叶、花序类型、花对称性）上有共享，但微观形态解剖特征（如毛状体类型、晶体有无、中柱形状）在物种水平上具有分类诊断价值，有助于区分两科及物种。植物化学结果显示EO成分类别（单萜 vs 倍半萜为主）及特定标志物化合物（如唇形科富含的 p-伞花烃、α-水芹烯，马鞭草科 Aloysia gratissima和 Lantana camara富含的桧烯）存在变异，这种代谢变异虽受多因素影响，但与腺体毛（尤其是唇形科型盾状腺体毛）的密度和类型直接相关，腺体毛高密度通常对应高得油率及富萜类EO。细胞毒性结果表明多数唇形科物种EO对HepG 2细胞活力有显著影响，暗示其作为天然抗癌剂的潜力，且生物活性差异与其化学成分类别及含量相关。

结论部分强调，本研究通过关联茎和叶片的宏微观形态学特征与EO成分及生物活性，尝试界定唇形科与马鞭草科物种。两科间存在显著的形态解剖差异（尤指毛状体、晶体、中柱等微形态）可用于物种区分；GC-MS揭示EO成分类别变异明显，单萜常为唇形科物种EO主类，也常现于马鞭草科但百分比变异大，倍半萜则为其他多个物种（含部分唇形科和马鞭草科）EO主类或重要组成；腺体毛的发生、类型和密度差异导致了EO得率与成分的差异；生物学研究显示多数唇形科物种EO对细胞活力有显著作用，EO可作为有前景的抗癌药剂贡献于天然药物。研究者认为需对两科更多成员进行后续研究以确认上述结果。