DEL1: Kjemisk mangfold og prediksjon av potensielle dyrkingsområder for Cistanche-urter

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

På grunn av fiendtlige vekstmiljøer og økende relatert produksjon,Cistanche planterhar gått ned i antall. Målet med denne studien var å evaluere kvaliteten på og å forutsi potensielt egnede regioner for to offisielle arter og to ikke-offsielle arter (C. salsa og C. sinensis) ved hjelp av høyytelses væskekromatografi og MaxEnt-modellen. Resultatene indikerte at 2′-acetylakteosid kun var tilstede iCistanche deserticola. Forbindelsen kan brukes som en potensiell kjemisk markør for å diskriminereCistanche deserticolafra de tre andreCistanche planter. Anthocyanin A og karotenoid F var bare de vanlige bestanddelene av de to offisielle artene og kan dermed brukes som kjemiske markører for å skille mellom offisielle og ikke-offisielle arter. Prediksjonsresultatene for en potensielt passende distribusjon indikerte at C. sinensis har mye bredere områder for potensiell distribusjon enn de andre artene. Til slutt, echinacoside-innholdet iCistanche deserticolavar betydelig forskjellig mellom de to egnede potensielle distribusjonene, og innholdet i prøver fra Indre Mongolia var betydelig høyere enn de fra Gansu-provinsen. Dette er den første anvendelsen av kombinasjonen av innholdet i kjemiske komponenter og resultatene av MaxEnt-modeller for kvalitetsvurdering av urtemedisin. Resultatene våre kan gi en referanse for bærekraftig utnyttelse av truede Cistanche-arter.

Siden den 72. verdenshelseforsamlingen har tradisjonell medisin blitt inkludert i International Classification of Diseases (11. versjon), som hovedsakelig stammer fra tradisjonell kinesisk medisin og også er allment akseptert i Sørøst-asiatiske land som Japan, Korea og India. Konferansen indikerte at tradisjonell medisin spiller en viktig rolle i helseregulering. Medisinske urter er den materielle basen for tradisjonell medisin i tillegg til akupunktur og manipulasjon. Den nøyaktige bruken og kombinasjonen av forskjellige urter bestemmer den endelige effekten av tradisjonell medisin1–3. I tillegg varierer innholdet og typen av aktive komponenter i urter med deres botaniske opprinnelse og vekstmiljøer. Derfor er riktig botanisk opprinnelse og passende vekstmiljøer avgjørende for klinisk effekt og sikkerhet.

Cistancheplanter brukes som verdifulle styrkende og spiselige urter for menns omsorg i Kina, Japan og noen Sørøst-asiatiske land4,5. Fire arter av slekten er kjent for sin potensielle medisinske verdi i Kina, nemlig,Cistanche deserticola, Cistanchetubulosa, Cistanche salsa, ogCistanche Sinensis. De tørkede saftige stilkene til de to første artene er registrert i Chinese Pharmacopoeia (2015-utgaven), kaltCistanches Herba. Disse artene er gunstige for nyrene og tarmkanalen. De to andre artene konsumeres noen steder eller brukes som forfalskning avCistanches Herba. C. salsa ble registrert i de lokale urtestandardene i provinsene Gansu (1992-utgaven) og Xinjiang (1987-utgaven). C. Sinensis er en unik art i Kina. Moderne kjemiske og farmakologiske studier har vist at kjemiske komponenter fra disse urtene har flere effekter, for eksempel forbedring av hjernefunksjonen, afrodisiakumeffekter og immunforsterkende effekter.

Publiserte studier indikerer innhold og typeforskjell mellom kjemiske bestanddeler mellom ulikeCistanche planter, der betain, Krebs syklus mellomprodukter,fenyletanoid glykosider,og iridoider ble sett på som fire kjemiske markører ansvarlige for diskrimineringsanalyse mellomCistanchedeserticolaogCistanche tubulosa7,8. En detaljert studie indikerte at isomerene av campneosid II, cistanosid C og cistanosid A var tre potensielle

kjemiske markører for å skille de to artene nevnt ovenfor9. Ytterligere forskning viste at åtte fenyletanoidglykosider kunne velges som kjemiske markører for å diskriminereCistanche arter, som hovedsakelig inkludererCistanchedeserticola, Cistanchetubulosa,og C. sinensis10. I tillegg varierer innholdet av kjemiske bestanddeler med geografisk opprinnelse. Zhou og hans medforfattere indikerte at det totale innholdet av syv indekskomponenter (castanosid A, echinacosid, isoacteosid, 2'-actylacteosid, castanosid C og tubluosid B) avCistanche tubulosafra sør for Xinjiang var omtrent seks ganger så mange som Kuitun og Hami i Kina11. Blant disse kjemiske komponentene, acteosid ogechinacosideregnes som indekskomponenter for kvalitetskontroll av urtemedisin. De to komponentene er rapportert å forbedre hjernens funksjon, og akteosid bidrar hovedsakelig til afrodisiakumeffektene.

Artsfordelingsmodeller (SDM) er statistiske modeller etablert med eksisterende miljøvariabler for å utlede arters økologiske krav. Slike modeller kan kartlegge en målarts potensielle utbredelser på grunnlag av de observerte distribusjonsdataene12. Til dags dato har SDM-er blitt brukt med hell på prediksjon av distribusjonstendensen til truede og økologiske planter under klimaendringer13,14. Blant disse modellene er MaxEnt-modellen ofte brukt som et enkelt middel for å forutsi habitatets egnethetsfordeling med kun tilstedeværelsesdata og fungerer godt med ufullstendige data, små utvalgsstørrelser og gap14. Kombinert med noe programvare (som ArcGIS), kan forskning trekke ut miljø- og klimavariabler fra innsamlingssteder for prøver. Videre kan en potensielt egnet plassering deles inn i tre eller fire plan15–17. Imidlertid har ingen studier rapportert kombinerte strategier som inkluderer potensielle egnede steder etter deling og innhold av kjemiske komponenter for kvalitetskontroll av urtemedisin.

I denne studien ble fire truede Cistanche-planter samlet inn for kvalitetsvurdering med høyytelses væskekromatografi (HPLC), og syv kjemiske komponenter ble brukt som indekser. Videre ble en MaxEnt-modell utstyrt med 26 miljøvariabler brukt for å forutsi potensielt egnede områder for å undersøke optimale arter for videre bruk. Til slutt ble kombinasjonen av indekskomponentens innhold og egnede områder systematisk analysert for bedre utvikling og utnyttelse av disse truedeCistanchefabrikker i Kina og andre land.

Resultater

Innholdet av de syv kjemiske komponentene ble beregnet på grunnlag av deres kalibreringskurver. De syv ligningene til kalibreringskurvene var Y {{0}}.5400X pluss 0.1616 (2'-acety-lakteosid, R {{ 7}}.9992), Y=18.5640X pluss 0.3724 (akteosid, R=0.9821), Y=15.635 0X pluss 0.0090 (isoacteosid, R=0.9999), Y=12.7460X pluss 0.0103 (tubulosid A , R=0.9999), Y=10.638X pluss 0.1615 (cistanoside A, R=0.9997),Y=21.533X−0.0006 (cistanoside F, R=1), og Y=13.0740X pluss 1.1381 (echinacoside, R=0.9821); konsentrasjonen (X) er den horisontale aksen, og topparealet (Y) er den vertikale aksen. R er korrelasjonskoefienten og indikerer en utmerket lineær korrelasjon mellom disse kalibreringskurvene. Et presisjonseksperiment (seks sekvensielle injeksjoner av de samme prøveekstraktivene) viste at presisjonen var god, og det relative standardavviket (RSD) for toppområdet var mellom 0,3 prosent og 0,8 prosent. Tilsvarende ga repeterbarheten (seks sekvensielle injeksjoner av de samme prøveekstraktivene) og stabilitetstestene (seks injeksjoner av de samme prøveekstraktivene etter 0, 2, 4, 8, 12 og 24 timer) RSD-er på 0,56–1,46 prosent og 1,06– henholdsvis 3,60 prosent.

Ytterligere innholdsanalyser av de syv indeksbestanddelene ble vist i grupperte horisontale bokser som inneholdt visuelle sammenligningsresultater og signifikante forskjeller med små bokstaver. Gjenopprettingstestresultatene for de syv komponentene varierte fra 99,25 prosent til 104,10 prosent med RSD-er mellom 0,69 prosent og 3,45 prosent. Derfor var metoden nøyaktig.

Innholdet i de syv indeksbestanddelene i de fire artene og den geografiske opprinnelsen til samme art vises i grupperte horisontale bokser. Innholdet i enkelte kjemiske komponenter var under deteksjonsgrensen. Dermed inneholdt bare en del av figurene fire Cistanche-arter. Den kjemiske komponenten 2′-acetylakteosid ble kun påvist iCistanche deserticola, mens det ikke ble oppdaget i de andre artene ved den foreliggende metode. Imidlertid ble det observert en innholdsforskjell mellom de forskjellige geografiske opprinnelsene fokusert på 2'-acetylakteosid. Innholdet i komponenten fra Alashanzuoqi i indre Mongolia var betydelig høyere enn i de tre andre provinsene, mens innholdet i artene fra Tingtuhu i Minqinin, Gansu-provinsen, var betydelig lavere enn de andre stedene (fig. 1A). Tubulosid A ble påvist iCistanche deserticolaogCistanche tubulosa.Ingen bemerkelsesverdig forskjell ble observert mellom de to artene og til og med blant planter av samme art fra forskjellig geografisk opprinnelse (Fig. 1B). De fire artene inneholdt den samme kjemiske komponenten (akteosid). Innholdet av akteosid i C. salsa samlet inn fra Jianga'erhan fra Tacheng i Xinjiang var betydelig høyere enn for de andre artene og den samme arten fra forskjellige vokseområder. Derimot skilte ikke innholdet av akteosid seg nevneverdig mellom de ulike opprinnelsene tilCistanche deserticola(denne funn var den samme som for tubulosid A; fig. 1C). Cistanoside A ble påvist iCistanche deserticolaog C. salsa. Innholdet i C. salsa-prøvene fra Jianga'erhan fra Tacheng i Xinjiang var betydelig høyere enn iCistanche deserticolaprøver fra andre steder. Dessuten påvirket ikke variasjonen i plasseringen innholdet i komponenten. Denne tilstanden var den samme som for tubulosid A og akteosid (fig. 1D). For cistanoside A svingte ikke innholdet i indekskomponenten med variasjonene i arter og geografisk opprinnelse (fig. 1E). Echinakosidinnholdet i C. salsa-prøvene fra Hejiaoke i Tuoli i Xinjiang var betydelig høyere enn innholdet i prøvene fra Jianga'erhan fra Tacheng i Xinjiang. Komponentinnholdet i prøvene fraCistanche deserticolaogCistanche tubulosa, uavhengig av hvor de ble samlet inn, var betydelig lavere enn på andre steder (Jianga'erhan fra Tacheng i Xinjiang). I tillegg kunne den kjemiske komponenten ikke påvises i C. sinensis (fig. 1F). Isoacteosid ble påvist i alle Cistanche-arter unntatt C. salsa; isoakteosidinnholdet iCistanche tubulosavar betydelig høyere enn i de to andre artene uavhengig av kildeprovinsene i Kina (fig. 1G). Her var alle de signifikante forskjellene mindre enn P < 0.5.="" det="" totale="" innholdet="" av="" disse="" kjemiske="" komponentene="" er="" stablet="" i="" fig.="" 2="" for="" forbedret="" sammenligning="" av="" de="" syv="" styrenglykosidene.="" her="" antok="" vi="" at="" geografisk="" opprinnelse="" hadde="" en="" liten="" innflytelse="" på="" de="" potensielt="" egnede="" områdene="" i="" verden="" og="" i="">

Med de kombinerte beregningene fra MaxEnt og ArcGIS ble de potensielle egnede områdene for de fire Cistanche-arter av urter beregnet. Resultatene er vist i tabell 1. I likhet med kategoriene i avsnittene ovenfor ble de potensielt egnede områdene delt inn i fire klasser. Når det gjelder den høye habitategnethetsklassen, hadde tre arter omtrent 30 km2 større egnede områder på verdensbasis (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 av den høye habitategnethetsklassen,Cistanche deserticolahadde det største arealet (38,9267 km2) i forhold til den moderat passende klassen (Cistanche tubulosa: 12.4069 km2, C. sinensis: 32.1292 km2, C. salsa: 38.5764 km2), mens arealet avCistanche tubulosavar fortsatt den minste.

Når det gjelder potensielle arealer som anses som en potensiell fordeling av egnede dyrkingslokaliteter, diskuteres høy habitategnethet og middels egnede klasser som følger. De fleste av de egnede områdene (ca. 90 prosent ) forCistanche deserticolavar hovedsakelig distribuert i nord og nordvest i Kina. I tillegg ble det identifisert noen få områder med potensielle dyrkingsforhold sør i USA, sørvest i Iran, østlige Tyrkia, sørlige Mongolia og østlige Kasakhstan (fig. 3). I motsetning til de ovennevnte artene, syntes C. tubulosa å være godt distribuert over hele verden, og dekker det vestlige Kina, nordvest for Sør-Amerika, nord for Afrika og noen land mellom Kina og Afrika. Imidlertid, selv omCistanche tubulosahadde en bred potensiell utbredelse, var artens totale areal det minste sammenlignet med de tre andre artene, hvor de totale arealene med høy habitategnethet og moderate klasser var 23,0935 km2. Når det gjelder de to klassene, ble bare noen få potensielle områder egnet for vekst av arten funnet i det nordlige Egypt, i den vestlige regionen av kongeriket Saudi-Arabia, sørlige Jemen, nordlige De forente arabiske emirater, sørlige Iran og Pakistan. De største områdene var fortsatt i Kina, hvor de totale prediksjonsområdene var lokalisert vest i landet (fig. 4). LikCistanche deserticola, C. salsa ble hovedsakelig distribuert i nordvest og nord i Kina, hvor eksemplaret har registreringer. Etter prediksjon av MaxEnt-modellen var det et lite prediksjonsområde som kan være et passende vekstmiljø i USA og øst for Kasakhstan og Kirgisistan (fig. 5). De fleste av de forutsagte plasseringene til C. sinensis ble distribuert i det nordlige og vestlige Kina. I tillegg ble noen få områder identifisert i den midtre delen av Marokko, sørøst i Algerie og nordvest i Tsjad og Iran (fig. 6).

De potensielt egnede områdene beregnet av MaxEnt vises i nedre høyre hjørne av fig. 3–6 for å vise prediksjonsfordelingen til de fire artene i Kina. Her var de minste enhetene for kartlegging av prediksjonsfordeling basert på provinsene i Kina. I likhet med analysen for verden, var analysen i denne delen basert på høy habitategnethet og moderate klasser. Prediksjonsområdene indikerte detCistanche deserticolable hovedsakelig distribuert i Xinjiang, Indre Mongolia, Ningxia, Gansu og Qinghai-provinsene. Selv om noen få utbredelsesområder ble funnet i andre provinser, tilhørte de klasse 2. Derfor var disse regionene dårlig egnet og anbefales derfor ikke for dyrking av arten. TilCistanche tubulosa, ble alle potensielt egnede regioner av arten spådd i Xinjiang-provinsen i Kina. Interessant nok hadde C. salsa et bredt spekter av potensielle distribusjoner i Kina, inkludert Xinjiang, Indre Mongolia, Ningxia, Gansu, Qinghai, Shanxi, Shaanxi og Hebei-provinsene. Dessuten så hele Ningxia-provinsen ut til å være et mulig dyrkingsområde for arten. I likhet med C. salsa hadde C. Sinensis også brede regioner for potensiell distribusjon unntatt Xinjiang-provinsen (men den hadde et prediksjonsområde i Xizang-provinsen)

evaluering av hver artsmodell.

Modellytelsen ble delt inn i fem kategorier: feil, dårlig, grei, god og utmerket ({{0}}.9 < auc="" mindre="" enn="" eller="" lik="" 1).="" modellytelsen="" når="" det="" gjelder="" auc-verdien="" og="" roc-kurven="" blant="" de="" fire="" modellene="" er="" vist="" i="" fig.="" 7.="" resultatene="" indikerte="" at="" de="" fire="" modellenes="" ytelse="" i="" treningsdataene="" var="" utmerket,="" med="" auc-verdier="" mellom="" 0.997="" og="" 0.998="" og="" en="" øvre="" venstre="" hjørne="" roc-kurve="" nær="" 1.="" dessuten="" viste="" auc-verdien="" i="" testdataene="" også="" god="" modellytelse,="" med="" en="" høy="" verdi="" mellom="" 0.979="" og="" 0,996="" og="" en="" øvre="" venstre="" hjørne="" roc-kurve="" nær="" 1.="" generelt="" har="" disse="" modellene="" en="" sterk="" evne="" til="" å="" forutsi="" potensiell="">

Variables responsanalyse til egnethet.

Responskurver viser den kvantitative sammenhengen mellom habitategnethet og miljøvariabler (også kjent som logistisk sannsynlighet for tilstedeværelse)14. I denne studien ble de vanlige variablene mellom jackknife-testen og permutasjonsviktighet (prosentandel) brukt for å analysere variablenes respons på egnethet. I form avCistanche deserticola, bio09 og vind10 var vanlige variabler. Den passende middeltemperaturen for det tørreste kvartalet (bio09) var mellom -12,71227957 grader og -1,296478534 grader. Den optimale vindhastigheten i oktober (vind10), som er gunstig for artens utbredelse, var mellom 0,5841 og 3,2581 m·s−1 (Fig. S5). To vanlige variabler ble identifisert for potensialfordelingen iCistanche tubulosamodell. Den første var solstråling i mai, med et passende område som oversteg 24661.0800 kJ·m−2·day−1. Den andre var nedbør i oktober (pre10), med en optimal verdi lavere enn 5,4640 mm (Fig. S6). Resultatene av jackknife-testen viste at fire variabler var de samme som for de to andre evalueringsmetodene for bidraget til de bioklimatiske faktorene i C. salsa-modellen. De to første variablene omfattet solstråling i juni og november (srad06 og srad11), med områder på henholdsvis 23298.9691–25137.457 og 6709.6219–10687.2852 kJ·m−2·day−1. Den tredje var gjennomsnittstemperaturen for det tørreste kvartalet (bio09), med et optimalt område på -12.6159–2.8479 grader . Den fjerde variabelen var nedbør i september (pre09), med et passende område på 8,3762–32,4312 mm (fig. S7). MaxEnt-modellen til C. Sinensis hadde tre viktige variabler som stort sett bidro til den potensielle distribusjonen av arten. Det passende området for solstråling i desember (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 . Videre var det passende området for vindhastighet i august (wind08) 2,1005– 3,3054 m·s−1 (fig. S8). De andre viktige variablene som bidrar til den potensielle distribusjonen av de fire artene er oppsummert i fig. S5–S8.

Korrelasjon mellom kjemiske komponenter og bioklimatiske variabler. De mest populære artene fra de viktigste distribusjonsprovinsene (Cistanche deserticola) ble sammenlignet for å fullføre korrelasjonsanalysen og for å undersøke innholdsfluktuasjonen til syv indekskomponenter med miljøtilstanden. Etter analyse av egnet potensiell distribusjon av arten ble disse potensielle distribusjonsregionene delt inn i fire kategorier. Her ble seks innsamlingssteder inkludert 22 prøver kartlagt på Kina-kartet hentet fra resultatene av MaxEnt-modellen av arten (fig. 8). Resultatene indikerte at to innsamlingssteder var lokalisert i klasse 1 (høy habitategnethetsklasse), og to innsamlingssteder tilhørte klasse 2 (middels egnet klasse). De to siste stedene ble klassifisert som klasse 3 (lav passende klasse). En signifikant forskjell i 2′-acetylacteosidinnholdet ble observert mellom CD-TG (Tingtuhu, Minqin, Gansu-provinsen) og CD-AI (Alashanzuoqi, Indre Mongolia), som tilhørte henholdsvis klasse 2 og 1. I tillegg skilte ikke innholdet av komponenten i CD-AX (Aibi Lake-regionen, Tacheng, Xinjiang) og CD-CG (Changcheng, Liangzhou, Gansu-provinsen), som tilhørte klasse 3, seg vesentlig fra innholdet til de fire andre nettsteder, som tilhørte klasse 1 og klasse 2. For de seks andre kjemiske komponentene ble det ikke identifisert noen signifikant forskjell mellom de ulike geografiske opprinnelsene når det gjelder innholdet av disse komponentene.

Diskusjon

Urtemedisin er en kompleks blanding av mange kjemiske komponenter som bidrar til systematisk målretting av sykdom. I tillegg kan én type urtemateriale samles inn fra forskjellige botaniske arter som har lignende egenskaper eller effektive komponenter. For eksempel er Coptidis Rhizoma en urtemedisin med høyfrekvent bruk; den er hentet fra tre medfødte planter (Coptis chinensis, C. deltoidea og C. teeta) og brukes til å kurere diaré indusert av fuktretensjon ved hjelp av forskjellige berberiner18. I tillegg er Polygonatum Rhizoma ofte brukt som en funksjonell mat i dagliglivet i Kina for immunregulering; råmaterialene er rhizomer av Polygonatum kingianum, P. sibiricum og P. cyrtonema19. Denne studien inkluderte fire arter, hvorav to er offisielt registrert i China Pharmacopoeia (Cistanche deserticolaogCistanche tubulosai 2015-versjonen).