DEL 1: Kemisk mångfald och förutsägelse av potentiella odlingsområden för Cistanche-örter

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

På grund av fientliga tillväxtmiljöer och ökande produktion,Cistanche växterhar minskat i antal. Syftet med denna studie var att utvärdera kvaliteten på och att förutsäga potentiellt lämpliga regioner för två officiella arter och två icke-officiella arter (C. salsa och C. sinensis) genom högpresterande vätskekromatografi och MaxEnt-modellen. Resultaten indikerade att 2'-acetylakteosid endast fanns iCistanche deserticola. Föreningen kan användas som en potentiell kemisk markör för att särskiljaCistanche deserticolafrån de tre andraCistanche växter. Antocyanin A och karotenoid F var de vanliga beståndsdelarna i de två officiella arterna endast och kan därför användas som kemiska markörer för att skilja mellan officiella och icke-officiella arter. Förutsägelseresultaten av en potentiellt lämplig distribution indikerade att C. sinensis har mycket bredare områden för potentiell distribution än de andra arterna. Slutligen, echinacoside-innehållet iCistanche deserticolaskilde sig markant mellan de två lämpliga potentiella fördelningarna, och innehållet i prover från Inre Mongoliet var betydligt högre än de från Gansu-provinsen. Detta är den första tillämpningen av kombinationen av innehållet i kemiska komponenter och resultaten av MaxEnt-modeller för kvalitetsbedömning av örtmedicin. Våra resultat kan ge en referens för hållbart utnyttjande av hotade Cistanche-arter.

Sedan den 72:a Världshälsoförsamlingen har traditionell medicin inkluderats i International Classification of Diseases (11:e versionen), som huvudsakligen härstammar från traditionell kinesisk medicin och även är allmänt accepterad i sydostasiatiska länder som Japan, Korea och Indien. Konferensen visade att traditionell medicin spelar en viktig roll i hälsoreglering. Medicinska örter är den materiella basen för traditionell medicin förutom akupunktur och manipulation. Den exakta användningen och kombinationen av olika örter bestämmer den ultimata effekten av traditionell medicin1–3. Dessutom varierar innehållet och typen av aktiva komponenter i örter med deras botaniska ursprung och tillväxtmiljöer. Därför är korrekta botaniska ursprung och lämpliga tillväxtmiljöer avgörande för klinisk effektivitet och säkerhet.

Cistancheväxter används som värdefulla tonic och ätbara örter för mäns vård i Kina, Japan och vissa sydostasiatiska länder4,5. Fyra arter av släktet är kända för sitt potentiella medicinska värde i Kina, nämligen,Cistanche deserticola, Cistanchetubulosa, Cistanche salsa, ochCistanche Sinensis. De torkade saftiga stjälkarna av de två första arterna finns registrerade i den kinesiska farmakopén (2015-utgåvan), med namnetCistanches Herba. Dessa arter är fördelaktiga för njurarna och tarmkanalen. De andra två arterna konsumeras på vissa platser eller används som förbrytare avCistanches Herba. C. salsa registrerades i de lokala växtbaserade standarderna i provinserna Gansu (1992 års upplaga) och Xinjiang (upplagan 1987). C. Sinensis är en unik art i Kina. Moderna kemiska och farmakologiska studier har visat att kemiska komponenter från dessa örter har flera effekter, såsom förbättring av hjärnans funktion, afrodisiakumeffekter och immunförstärkande effekter.

Publicerade studier indikerar innehåll och typskillnad mellan kemiska beståndsdelar mellan olikaCistanche växter, där betain, Krebs cykler mellanprodukter,fenyletanoidglykosider,och iridoider betraktades som fyra kemiska markörer ansvariga för diskrimineringsanalys mellanCistanchedeserticolaochCistanche tubulosa7,8. En detaljerad studie visade att isomererna av campneosid II, cistanosid C och cistanosid A var tre potentiella

kemiska markörer för att skilja de två arterna som nämns ovan9. Ytterligare forskning visade att åtta fenyletanoidglykosider kunde väljas som kemiska markörer för att särskiljaCistanche arter, som huvudsakligen omfattarCistanchedeserticola, Cistanchetubulosa,och C. sinensis10. Dessutom varierar innehållet av kemiska beståndsdelar med geografiskt ursprung. Zhou och hans medförfattare angav att det totala innehållet av sju indexkomponenter (castanosid A, echinakosid, isoacteosid, 2'-aktylakteosid, castanosid C och tubluosid B) avCistanche tubulosafrån söder om Xinjiang var ungefär sex gånger så stor som Kuitun och Hami i Kina11. Bland dessa kemiska komponenter, acteosid ochechinakosidbetraktas som indexkomponenter för kvalitetskontroll av örtmedicin. De två komponenterna har rapporterats förbättra hjärnans funktion, och acteosid bidrar främst till afrodisiakumeffekterna.

Artdistributionsmodeller (SDM) är statistiska modeller etablerade med befintliga miljövariabler för att sluta sig till arternas ekologiska krav. Sådana modeller kan kartlägga en målarts potentiella utbredningar på basis av observerade utbredningsdata12. Hittills har SDM framgångsrikt använts för att förutsäga utbredningstendensen för hotade och ekologiska växter under klimatförändringar13,14. Bland dessa modeller används MaxEnt-modellen vanligen som ett enkelt sätt att förutsäga habitatets lämplighetsfördelning med endast närvarodata och fungerar bra med ofullständiga data, små urvalsstorlekar och luckor14. I kombination med viss mjukvara (som ArcGIS) kan forskning extrahera miljö- och klimatvariabler från insamlingsplatser för prover. Vidare kan en potentiellt lämplig plats delas in i tre eller fyra nivåer15–17. Ingen studie har dock rapporterat kombinerade strategier som inkluderar potentiella lämpliga platser efter delning och innehåll av kemiska komponenter för kvalitetskontroll av örtmedicin.

I denna studie samlades fyra hotade Cistanche-växter in för kvalitetsbedömning med högpresterande vätskekromatografi (HPLC), och sju kemiska komponenter användes som index. Dessutom användes en MaxEnt-modell utrustad med 26 miljövariabler för att förutsäga potentiellt lämpliga områden för att undersöka optimala arter för vidare användning. Slutligen analyserades kombinationen av indexkomponentens innehåll och lämpliga områden systematiskt för bättre utveckling och utnyttjande av dessa hotadeCistancheanläggningar i Kina och andra länder.

Resultat

Innehållet i de sju kemiska komponenterna beräknades på basis av deras kalibreringskurvor. Kalibreringskurvornas sju ekvationer var Y {{0}}.5400X plus 0.1616 (2'-acetyllakteosid, R {{ 7}}.9992), Y=18.5640X plus 0.3724 (akteosid, R=0.9821), Y=15.635 0X plus 0.0090 (isoacteosid, R=0.9999), Y=12.7460X plus 0.0103 (tubulosid A , R=0.9999), Y=10.638X plus 0.1615 (cistanosid A, R=0.9997),Y=21.533X−0.0006 (cistanosid F, R=1) och Y=13.0740X plus 1.1381 (echinacoside, R=0.9821); koncentrationen (X) är den horisontella axeln och topparean (Y) är den vertikala axeln. R är korrelationskoefficienten och indikerar en utmärkt linjär korrelation mellan dessa kalibreringskurvor. Ett precisionsexperiment (sex sekventiella injektioner av samma provextraktiv) visade att precisionen var god och den relativa standardavvikelsen (RSD) för topparean var mellan 0,3 procent och 0,8 procent. På liknande sätt gav repeterbarheten (sex sekventiella injektioner av samma provextraktiv) och stabilitetstester (sex injektioner av samma provextraktiv efter 0, 2, 4, 8, 12 och 24 timmar) RSD på 0,56–1,46 procent och 1,06– 3,60 procent respektive.

Ytterligare innehållsanalyser av de sju indexbeståndsdelarna visades i grupperade horisontella rutor som innehöll visuella jämförelseresultat och signifikanta skillnader med gemener. Återvinningstestresultaten för de sju beståndsdelarna varierade från 99,25 procent till 104,10 procent med RSD mellan 0,69 procent och 3,45 procent. Därför var metoden korrekt.

Innehållet i de sju indexbeståndsdelarna i de fyra arterna och det geografiska ursprunget för samma art visas i grupperade horisontella rutor. Innehållet i vissa kemiska komponenter låg under detektionsgränsen. Således innehöll endast en del av figurerna fyra Cistanche-arter. Den kemiska komponenten 2′-acetylakteosid upptäcktes endast iCistanche deserticola, medan det var oupptäckt i de andra arterna med föreliggande metod. Emellertid observerades en innehållsskillnad mellan de olika geografiska ursprungen fokuserade på 2'-acetylakteosid. Innehållet i komponenten från Alashanzuoqi i Inre Mongoliet var betydligt högre än i de tre andra provinserna, medan innehållet i arterna från Tingtuhu i Minqinin, Gansu-provinsen, var betydligt lägre än på de andra platserna (Fig. 1A). Tubulosid A upptäcktes iCistanche deserticolaochCistanche tubulosa.Ingen anmärkningsvärd skillnad observerades mellan de två arterna och även bland växter av samma art från olika geografiska ursprung (Fig. 1B). De fyra arterna innehöll samma kemiska komponent (akteosid). Innehållet av akteosid i C. salsa som samlats in från Jianga'erhan i Tacheng i Xinjiang var betydligt högre än i de andra arterna och samma arter från olika odlingsområden. Däremot skilde sig innehållet av akteosid inte nämnvärt mellan de olika ursprungen tillCistanche deserticola(denna fynd var densamma som för tubulosid A; Fig. IC). Cistanoside A upptäcktes iCistanche deserticolaoch C. salsa. Innehållet i C. salsa-proverna från Jianga'erhan i Tacheng i Xinjiang var betydligt högre än iCistanche deserticolaprover från andra ställen. Variationen i platsen påverkade dessutom inte innehållet i komponenten. Detta tillstånd var detsamma som för tubulosid A och akteosid (Fig. ID). För cistanosid A fluktuerade inte innehållet i indexkomponenten med variationerna i arter och geografiskt ursprung (Fig. 1E). Echinakosidhalten i C. salsa-proverna från Hejiaoke i Tuoli i Xinjiang var betydligt högre än halten i proverna från Jianga'erhan i Tacheng i Xinjiang. Komponentinnehållet i proverna frånCistanche deserticolaochCistanche tubulosa, oavsett var de samlades in, var betydligt lägre än på andra platser (Jianga'erhan från Tacheng i Xinjiang). Dessutom kunde den kemiska komponenten inte detekteras i C. sinensis (Fig. 1F). Isoacteosid detekterades i alla Cistanche-arter utom C. salsa; isoakteosidhalten iCistanche tubulosavar betydligt högre än hos de två andra arterna oavsett ursprungsprovinserna i Kina (Fig. 1G). Häri var alla signifikanta skillnader mindre än P < 0.5.="" det="" totala="" innehållet="" av="" dessa="" kemiska="" komponenter="" är="" staplade="" i="" fig.="" 2="" för="" förbättrad="" jämförelse="" av="" de="" sju="" styrenglykosiderna.="" häri="" antog="" vi="" att="" geografiska="" ursprung="" utövade="" en="" liten="" inverkan="" på="" de="" potentiellt="" lämpliga="" områdena="" i="" världen="" och="" i="">

Med de kombinerade beräkningarna från MaxEnt och ArcGIS beräknades de potentiella lämpliga områdena för de fyra Cistanche-arterna av örter. Resultaten visas i tabell 1. I likhet med kategorierna i ovanstående avsnitt delades de potentiellt lämpliga områdena in i fyra klasser. När det gäller den höga habitatlämplighetsklassen hade tre arter cirka 30 km2 större lämpliga områden över hela världen (Cistanche deserticola: 29.2210 km2, C. sinensis: 31.3034 km2, C. salsa: 30.8633 km2) jämfört med C. tubu- losa (10,6866 km2). Som framgår av jämförelsen av den höga habitatlämplighetsklassen,Cistanche deserticolahade den största arealen (38,9267 km2) när det gäller den måttligt lämpliga klassen (Cistanche tubulosa: 12,4069 km2, C. sinensis: 32.1292 km2, C. salsa: 38.5764 km2), medan området förCistanche tubulosavar fortfarande den minsta.

När det gäller de potentiella områden som betraktas som en potentiell fördelning av lämpliga odlingsplatser diskuteras den höga habitatlämpligheten och måttligt lämpliga klasserna enligt följande. De flesta av de lämpliga områdena (cirka 90 procent) förCistanche deserticolavar huvudsakligen utspridda i norra och nordvästra Kina. Dessutom identifierades ett fåtal områden med potentiella odlingsförhållanden i södra USA, sydvästra Iran, östra Turkiet, södra Mongoliet och östra Kazakstan (Fig. 3). Till skillnad från ovannämnda arter verkade C. tubulosa vara väl spridd över hela världen och täckte västra Kina, nordväst om Sydamerika, norr om Afrika och några länder mellan Kina och Afrika. Dock, även omCistanche tubulosahade en bred potentiell utbredning, var artens totala yta den minsta jämfört med de övriga tre arterna, för vilka de totala områdena med hög habitatlämplighet och måttliga klasser var 23,0935 km2. När det gäller de två klasserna hittades endast ett fåtal potentiella områden lämpliga för artens tillväxt i norra Egypten, i den västra regionen av kungariket Saudiarabien, södra Jemen, norra Förenade Arabemiraten, södra Iran och Pakistan. De största områdena fanns fortfarande i Kina, där de totala förutsägelseområdena var belägna i västra delen av landet (Fig. 4). LiknandeCistanche deserticola, C. salsa distribuerades huvudsakligen i nordvästra och norra Kina, där exemplaret har rekord. Efter förutsägelse av MaxEnt-modellen fanns det ett litet förutsägelseområde som kan vara en lämplig tillväxtmiljö i USA och östra Kazakstan och Kirgizistan (Fig. 5). De flesta av de förutspådda platserna för C. sinensis var distribuerade i norra och västra Kina. Dessutom identifierades ett fåtal områden i den mellersta delen av Marocko, sydöstra Algeriet och nordvästra Tchad och Iran (Fig. 6).

De potentiellt lämpliga områdena beräknade av MaxEnt visas i det nedre högra hörnet av Fig. 3–6 för att visa förutsägelsefördelningen av de fyra arterna i Kina. Här var de minsta enheterna för kartläggning av förutsägelsefördelning baserade på provinserna i Kina. I likhet med analysen för världen baserades analysen i detta avsnitt på hög habitatlämplighet och måttliga klasser. Förutsägelseområdena indikerade detCistanche deserticoladistribuerades huvudsakligen i provinserna Xinjiang, Inre Mongoliet, Ningxia, Gansu och Qinghai. Även om ett fåtal utbredningsområden hittades i andra provinser, tillhörde de klass 2. Därför var dessa regioner dåligt lämpade och rekommenderade därför inte för odling av arten. FörCistanche tubulosa, förutspåddes alla potentiellt lämpliga regioner av arten i Xinjiang-provinsen i Kina. Intressant nog hade C. salsa ett brett utbud av potentiella distributioner i Kina, inklusive Xinjiang, Inre Mongoliet, Ningxia, Gansu, Qinghai, Shanxi, Shaanxi och Hebei-provinserna. Dessutom verkade hela Ningxia-provinsen vara ett möjligt odlingsområde för arten. I likhet med C. salsa hade C. Sinensis också breda regioner för potentiell distribution exklusive Xinjiang-provinsen (men den hade ett förutsägelseområde i Xizang-provinsen)

utvärdering av varje artmodell.

Modellens prestanda delades in i fem kategorier: misslyckad, dålig, rättvis, bra och utmärkt ({{0}}.9 < auc="" mindre="" än="" eller="" lika="" med="" 1).="" modellens="" prestanda="" i="" termer="" av="" auc-värdet="" och="" roc-kurvan="" bland="" de="" fyra="" modellerna="" visas="" i="" fig.="" 7.="" resultaten="" visade="" att="" de="" fyra="" modellernas="" prestanda="" i="" träningsdata="" var="" utmärkt,="" med="" auc-värden="" mellan="" 0.997="" och="" 0.998="" och="" en="" roc-kurva="" i="" övre="" vänstra="" hörnet="" nära="" 1.="" dessutom="" visade="" auc-värdet="" i="" testdatan="" också="" bra="" modellprestanda,="" med="" ett="" högt="" värde="" mellan="" 0.979="" och="" 0,996="" och="" en="" övre="" vänstra="" hörnet="" roc-kurva="" nära="" 1.="" generellt="" sett="" har="" dessa="" modeller="" en="" stark="" förmåga="" att="" förutsäga="" potentiell="">

Variablers responsanalys till lämplighet.

Responskurvor visar det kvantitativa sambandet mellan habitatets lämplighet och miljövariabler (även känd som logistisk sannolikhet för närvaro)14. I föreliggande studie användes de vanliga variablerna mellan jackknife-testet och permutationsviktigheten (procentuellt bidrag) för att analysera variablernas svar på lämplighet. I form avCistanche deserticola, bio09 och wind10 var vanliga variabler. Lämplig medeltemperatur för det torraste kvartalet (bio09) var mellan -12,71227957 grader och -1,296478534 grader. Den optimala vindhastigheten i oktober (vind10), vilket är fördelaktigt för artens utbredning, var mellan 0,5841 och 3,2581 m·s−1 (Fig. S5). Två vanliga variabler identifierades för potentialfördelningen iCistanche tubulosamodell. Den första var solstrålning i maj, med ett lämpligt område som översteg 24661.0800 kJ·m−2·day−1. Den andra var nederbörd i oktober (pre10), med ett optimalt värde lägre än 5,4640 mm (Fig. S6). Resultaten av jackknife-testet visade att fyra variabler var desamma som de för de två andra utvärderingsmetoderna för bidraget från de bioklimatiska faktorerna i C. salsa-modellen. De två första variablerna omfattade solstrålning i juni och november (srad06 och srad11), med intervall på 23298,9691–25137,457 respektive 6709,6219–10687,2852 kJ·m−2·day−1. Den tredje var medeltemperaturen för det torraste kvartalet (bio09), med ett optimalt intervall på -12.6159–2.8479 grader . Den fjärde variabeln var nederbörd i september (pre09), med ett lämpligt intervall på 8,3762–32,4312 mm (Fig. S7). MaxEnt-modellen av C. Sinensis hade tre viktiga variabler som mestadels bidrog till artens potentiella distribution. Det lämpliga området för solstrålning i december (srad12) var 6138.3161–9488.8316 kJ·m−2·day−1, och det för maximal temperatur i november (tmax11) var -1.9115–9.6048 grader . Dessutom var det lämpliga området för vindhastighet i augusti (wind08) 2,1005–3,3054 m·s−1 (Fig. S8). De andra viktiga variablerna som bidrar till den potentiella fördelningen av de fyra arterna sammanfattas i Fig. S5–S8.

Korrelation mellan kemiska komponenter och bioklimatiska variabler. De mest populära arterna från de huvudsakliga utbredningsprovinserna (Cistanche deserticola) jämfördes för att slutföra korrelationsanalysen och för att undersöka innehållsfluktuationen av sju indexkomponenter med miljötillståndet. Efter analys av den lämpliga potentiella distributionen av arten delades dessa potentiella distributionsregioner in i fyra kategorier. Häri kartlades sex insamlingsplatser inklusive 22 prover på Kina-kartan extraherad från resultaten av MaxEnt-modellen av arten (Fig. 8). Resultaten visade att två insamlingsplatser var belägna i klass 1 (hög habitatlämplighetsklass), och två insamlingsplatser tillhörde klass 2 (måttligt lämplig klass). De två sista platserna klassificerades som klass 3 (låg lämplig klass). En signifikant skillnad i 2′-acetylakteosidhalten observerades mellan CD-TG (Tingtuhu, Minqin, Gansu-provinsen) och CD-AI (Alashanzuoqi, Inre Mongoliet), som tillhörde klass 2 respektive 1. Dessutom skilde sig innehållet i komponenten i CD-AX (Aibi Lake-regionen, Tacheng, Xinjiang) och CD-CG (Changcheng, Liangzhou, Gansu-provinsen), som tillhörde klass 3, inte signifikant från innehållet i de fyra andra platser, som tillhörde klass 1 och klass 2. För de sex andra kemiska komponenterna identifierades ingen signifikant skillnad mellan de olika geografiska ursprungen när det gäller innehållet av dessa beståndsdelar.

Diskussion

Örtmedicin är en komplex blandning av många kemiska komponenter som bidrar till den systematiska inriktningen av sjukdomar. Dessutom kan en typ av örtmaterial samlas in från olika botaniska arter som har liknande egenskaper eller effektiva komponenter. Till exempel är Coptidis Rhizoma ett örtmedicin med högfrekvent användning; det erhålls från tre kongeneriska växter (Coptis chinensis, C. deltoidea och C. teeta) och används för att bota diarré som orsakas av fuktretention med hjälp av olika berberiner18. Dessutom används Polygonatum Rhizoma vanligtvis som ett funktionellt livsmedel i det dagliga livet i Kina för immunreglering; råmaterialen är rhizomer av Polygonatum kingianum, P. sibiricum och P. cyrtonema19. Den aktuella studien inkluderade fyra arter, varav två är officiellt registrerade i Kinas farmakopé (Cistanche deserticolaochCistanche tubulosai 2015 års version).