ЧАСТ 1: Химическо разнообразие и прогнозиране на потенциални райони за култивиране на билки Cistanche

Контакт: Audrey Hu Whatsapp/hp: 0086 13880143964 Имейл:audrey.hu@wecistanche.com

Поради враждебната среда на растеж и увеличаването на свързаното производство,Cistanche растенияса намалели на брой. Целта на настоящото изследване беше да се оцени качеството и да се предвидят потенциално подходящи региони за два официални вида и два неофициални вида (C. salsa и C. sinensis) чрез високоефективна течна хроматография и модела MaxEnt. Резултатите показват, че 2'-ацетилактеозид присъства само вCistanche deserticola. Съединението може да се използва като потенциален химичен маркер за разграничаванеCistanche deserticolaот другите триCistanche растения. Антоцианин А и каротеноид F са общите съставки само на двата официални вида и следователно могат да се използват като химични маркери за разграничаване между официални и неофициални видове. Резултатите от прогнозата за потенциално подходящо разпространение показват, че C. sinensis има много по-широки региони за потенциално разпространение от другите видове. И накрая, съдържанието на ехинакозид вCistanche deserticolaсе различаваше значително между двете подходящи потенциални разпределения и съдържанието на проби от Вътрешна Монголия беше значително по-високо от това от провинция Гансу. Това е първото приложение на комбинацията от съдържанието на химически компоненти и резултатите от моделите MaxEnt за оценка на качеството на билковата медицина. Нашите резултати могат да осигурят справка за устойчивото използване на застрашени видове Cistanche.

От 72-ата Световна здравна асамблея традиционната медицина е включена в Международната класификация на болестите (11-та версия), която датира главно от традиционната китайска медицина и също така е широко приета в страни от Югоизточна Азия като Япония, Корея и Индия. Конференцията посочи, че традиционната медицина играе важна роля в регулирането на здравето. Лечебните билки са материалната база на традиционната медицина в допълнение към акупунктурата и манипулацията. Точното използване и комбинация от различни билки определя крайната ефикасност на традиционната медицина1–3. В допълнение, съдържанието и видът на активните компоненти в билките варират в зависимост от техния ботанически произход и среда на растеж. Следователно правилният ботанически произход и подходящата среда за растеж са жизненоважни за клиничната ефикасност и сигурност.

Цистанчерастенията се използват като ценни тонизиращи и ядливи билки за грижа за мъжете в Китай, Япония и някои страни от Югоизточна Азия4,5. Четири вида от рода са известни с потенциалната си медицинска стойност в Китай, а именно,Cistanche deserticola, Цистанчеtubulosa, Цистанче салса, иЦистанче Sinensis. Изсушените сочни стъбла на първите два вида са записани в Китайската фармакопея (издание от 2015 г.), нареченаCistanches Herba. Тези видове са полезни за бъбреците и чревния тракт. Другите два вида се консумират на някои места или се използват като подправкиCistanches Herba. C. salsa е записан в местните билкови стандарти в провинциите Gansu (1992 издание) и Xinjiang (1987 издание). C. Sinensis е уникален вид в Китай. Съвременните химични и фармакологични изследвания показват, че химическите компоненти от тези билки имат няколко ефекта, като подобряване на мозъчната функция, афродизиак и имуностимулиращи ефекти.

Публикуваните проучвания показват разликите в съдържанието и вида на химичните съставки сред различнитеCistanche растения, в който бетаин, междинни продукти от цикъла на Кребс,фенилетаноидни гликозиди,и иридоидите се разглеждат като четири химични маркера, отговорни за дискриминационния анализ междуЦистанчеdeserticolaиCistanche tubulosa7,8. Подробно проучване показва, че изомерите на кампнеозид II, цистанозид С и цистанозид А са три потенциални

химични маркери за разграничаване на двата вида, споменати по-горе9. Допълнителни изследвания показват, че осем фенилетаноидни гликозида могат да бъдат избрани като химически маркери за разграничаване наCistanche видове, които включват основноЦистанчеdeserticola, Цистанчетубулоза,и C. sinensis10. В допълнение, съдържанието на химичните съставки варира в зависимост от географския произход. Джоу и неговите съавтори посочват, че общото съдържание на седем индексиращи компонента (кастанозид А, ехинакозид, изоактеозид, 2′-актилактеозид, кастанозид С и тублозид В) наCistanche tubulosaот юг от Синдзян са били приблизително шест пъти по-големи от тези на Куйтун и Хами в Китай11. Сред тези химични компоненти, актеозид иехинакозидсе разглеждат като индексни компоненти за контрол на качеството на билковата медицина. Съобщава се, че двата компонента подобряват мозъчната функция, а актеозидът допринася главно за ефектите на афродизиак.

Моделите на разпространение на видовете (SDM) са статистически модели, установени със съществуващи променливи на околната среда, за да се направи извод за екологичните изисквания на видовете. Такива модели могат да картографират потенциалните разпределения на целевите видове въз основа на наблюдаваните данни за разпространение12. Към днешна дата SDM успешно се прилагат за прогнозиране на тенденцията на разпространение на застрашени и екологични растения по време на изменението на климата13,14. Сред тези модели моделът MaxEnt обикновено се използва като просто средство за прогнозиране на разпределението на пригодността на местообитанията с данни само за присъствие и се представя добре с непълни данни, малки размери на извадката и пропуски14. В комбинация с някакъв софтуер (като ArcGIS), изследванията могат да извлекат екологични и климатични променливи на местата за събиране на проби. Освен това едно потенциално подходящо място може да бъде разделено на три или четири нива15–17. Въпреки това нито едно проучване не съобщава за комбинирани стратегии, които включват потенциално подходящи места след разделяне и съдържание на химически компоненти за контрол на качеството на билковата медицина.

В настоящото изследване четири застрашени растения Cistanche бяха събрани за оценка на качеството с високоефективна течна хроматография (HPLC) и седем химически компонента бяха използвани като индекси. Освен това, модел MaxEnt, оборудван с 26 променливи на околната среда, беше използван за прогнозиране на потенциално подходящи области за изследване на оптимални видове за по-нататъшна употреба. И накрая, комбинацията от съдържанието на компонентите на индекса и подходящи области беше систематично анализирана за по-добро развитие и използване на тези застрашениЦистанчерастения в Китай и други страни.

Резултати

Съдържанието на седемте химични компонента е изчислено въз основа на техните калибровъчни криви. Седемте уравнения на кривите за калибриране бяха Y {{0}}.5400X плюс 0.1616 (2'-ацетил-лактеозид, R {{ 7}}.9992), Y=18.5640X плюс 0.3724 (актеозид, R=0.9821), Y=15.635 0X плюс 0.0090 (изоактеозид, R=0.9999), Y=12.7460X плюс 0.0103 (тубулозид A , R=0.9999), Y=10.638X плюс 0,1615 (цистанозид A, R=0.9997), Y=21.533X−0,0006 (цистанозид F, R=1) и Y=13.0740X плюс 1.1381 (ехинакозид, R=0.9821); концентрацията (X) е хоризонталната ос, а площта на пика (Y) е вертикалната ос. R е коефициентът на корелация и показва отлична линейна корелация между тези калибрационни криви. Експеримент за прецизност (шест последователни инжекции на една и съща проба екстрактивни вещества) показа, че прецизността е добра и относителното стандартно отклонение (RSD) на площта на пика е между 0,3 процента и 0,8 процента. По подобен начин повторяемостта (шест последователни инжекции на едни и същи екстрактивни вещества на пробата) и тестовете за стабилност (шест инжекции на едни и същи екстрактивни вещества на пробата след 0, 2, 4, 8, 12 и 24 часа) дават RSDs от 0,56–1,46 процента и 1,06– 3,60 процента, съответно.

Допълнителни анализи на съдържанието на седемте компонента на индекса бяха показани в групирани хоризонтални кутии, съдържащи резултати от визуално сравнение и значителни разлики с малки букви. Резултатите от теста за възстановяване на седемте компонента варират от 99,25 процента до 104,10 процента с RSDs между 0,69 процента и 3,45 процента. Следователно методът беше точен.

Съдържанието на седемте компонента на индекса в четирите вида и географският произход на същия вид са показани в групирани хоризонтални полета. Съдържанието на някои химически компоненти е под границата на откриваемост. Така само част от фигурите съдържаха четири вида Cistanche. Химическият компонент 2'-ацетилактеозид е открит само вCistanche deserticola, докато не беше открит при другите видове чрез настоящия метод. Въпреки това се наблюдава разлика в съдържанието между различните географски произходи, фокусирани върху 2′-ацетилактеозид. Съдържанието на компонента от Alashanzuoqi във Вътрешна Монголия е значително по-високо от това в трите други провинции, докато съдържанието на вида от Tingtuhu от Minqinin, провинция Gansu, е значително по-ниско от това в другите места (фиг. 1A). Тубулозид А е открит вCistanche deserticolaиCistanche tubulosa.Не се наблюдава забележителна разлика между двата вида и дори сред растения от един и същи вид от различен географски произход (фиг. 1B). Четирите вида съдържат един и същ химически компонент (актеозид). Съдържанието на актеозид в C. salsa, събран от Jianga'erhan от Tacheng в Xinjiang, е значително по-високо от това на другите видове и същите видове от различни райони на отглеждане. Обратно, съдържанието на актеозид не се различава значително при различните източници наCistanche deserticola(това откритие беше същото като това за тубулозид А; фиг. 1C). Цистанозид А е открит вCistanche deserticolaи C. салса. Съдържанието на пробите от C. salsa от Jianga'erhan от Tacheng в Синдзян е значително по-високо от това наCistanche deserticolaпроби от други места. Освен това, промяната в местоположението не е повлияла на съдържанието на компонента. Това условие е същото като това за тубулозид А и актеозид (фиг. 1D). За цистанозид А съдържанието на индексния компонент не се променя с вариациите във видовете и географския произход (фиг. 1E). Съдържанието на ехинакозид в пробите от C. salsa от Hejiaoke от Tuoli в Xinjiang е значително по-високо от съдържанието на пробите от Jianga'erhan от Tacheng в Xinjiang. Съдържанието на компонентите на пробите отCistanche deserticolaиCistanche tubulosa, независимо от това къде са били събрани, са били значително по-ниски, отколкото на други места (Jianga'erhan от Tacheng в Синдзян). В допълнение, химическият компонент не може да бъде открит в C. sinensis (фиг. 1F). Изоактеозидът е открит във всички видове Cistanche с изключение на C. salsa; съдържанието на изоактеозид вCistanche tubulosaе значително по-висок от този в двата други вида, независимо от провинциите на източника в Китай (фиг. 1G). Тук всички значими разлики са по-малки от P < 0.5.="" общото="" съдържание="" на="" тези="" химични="" компоненти="" е="" подредено="" на="" фиг.="" 2="" за="" по-добро="" сравнение="" на="" седемте="" стиренови="" гликозида.="" тук="" предположихме,="" че="" географският="" произход="" е="" оказал="" малко="" влияние="" върху="" потенциално="" подходящи="" райони="" в="" света="" и="" в="">

С комбинираните изчисления от MaxEnt и ArcGIS бяха изчислени потенциалните подходящи площи за четирите вида Cistanche билки. Резултатите са показани в таблица 1. Подобно на категориите в горните раздели, потенциално подходящите области бяха разделени на четири класа. По отношение на високия клас на пригодност на местообитанието, три вида имат приблизително 30 km2 по-големи подходящи площи в световен мащаб (Cistanche deserticola: 29,2210 km2, C. sinensis: 31,3034 km2, C. salsa: 30.8633 km2) в сравнение с C. tubulosa (10,6866 km2). Както се вижда от сравнението на високия клас на пригодност на местообитанията,Cistanche deserticolaимаше най-голяма площ (38,9267 km2) по отношение на класа на средно годни (Cistanche tubulosa: 12,4069 km2, C. sinensis: 32,1292 km2, C. salsa: 38,5764 km2), докато площта наCistanche tubulosaвсе още беше най-малкият.

По отношение на потенциалните площи, считани за потенциално разпространение на подходящи места за култивиране, високата пригодност на местообитанията и умерено подходящи класове се обсъждат, както следва. Повечето от подходящите зони (приблизително 90 процента) заCistanche deserticolaса разпространени главно в северната и северозападната част на Китай. Освен това бяха идентифицирани няколко области с потенциални условия за култивиране в южната част на Съединените щати, югозападен Иран, източна Турция, южна Монголия и източен Казахстан (фиг. 3). За разлика от гореспоменатите видове, C. tubulosa изглеждаше добре разпространен по целия свят, обхващайки западната част на Китай, северозападната част на Южна Америка, северната част на Африка и някои страни между Китай и Африка. Въпреки това, въпреки чеCistanche tubulosaима широко потенциално разпространение, общата площ на вида е най-малка в сравнение с останалите три вида, за които общите площи на класове висока пригодност на местообитанията и умерени са 23,0935 km2. По отношение на двата класа, само няколко потенциални области, подходящи за растеж на вида, са открити в северен Египет, в западния регион на Кралство Саудитска Арабия, южен Йемен, северните Обединени арабски емирства, южен Иран и Пакистан. Най-големите площи все още са в Китай, където общите зони за прогнозиране са разположени в западната част на страната (фиг. 4). Подобен наCistanche deserticola, C. salsa е разпространен главно в северозападната и северната част на Китай, където екземплярът има записи. След прогнозиране от модела MaxEnt, имаше малка област за прогнозиране, която може да бъде подходяща среда за растеж в Съединените щати и източната част на Казахстан и Киргизстан (фиг. 5). Повечето от прогнозираните местоположения на C. sinensis са разпространени в северен и западен Китай. Освен това бяха идентифицирани няколко области в средната част на Мароко, югоизточен Алжир и северозападен Чад и Иран (фиг. 6).

Потенциално подходящите площи, изчислени от MaxEnt, са показани в долния десен ъгъл на Фиг. 3–6, за да покажат разпространението на прогнозите на четирите вида в Китай. Тук най-малките единици за картографиране на разпределението на прогнозите са базирани на провинциите в Китай. Подобно на анализа за света, анализът в този раздел се основава на висока пригодност на местообитанията и умерени класове. Прогнозните зони показват товаCistanche deserticolaе разпространен главно в провинциите Синдзян, Вътрешна Монголия, Нинся, Гансу и Цинхай. Въпреки че няколко области на разпространение бяха открити в други провинции, те принадлежаха към клас 2. Следователно тези региони бяха слабо подходящи и следователно не се препоръчваха за култивиране на вида. ЗаCistanche tubulosa, всички потенциално подходящи региони на вида бяха предвидени в провинция Синдзян в Китай. Интересното е, че C. salsa има широк спектър от потенциални разпространения в Китай, включително провинциите Синдзян, Вътрешна Монголия, Нинся, Гансу, Цинхай, Шанси, Шанси и Хъбей. Освен това цялата провинция Нинся изглеждаше възможна зона за отглеждане на вида. Подобно на C. salsa, C. Sinensis също имаше широки региони за потенциално разпространение, с изключение на провинция Xinjiang (но имаше зона за прогнозиране в провинция Xizang)

оценка на модела на всеки вид.

Представянето на модела беше разделено на пет категории: неуспешно, лошо, задоволително, добро и отлично ({{0}}.9 < auc="" по-малко="" или="" равно="" на="" 1).="" ефективността="" на="" модела="" по="" отношение="" на="" стойността="" на="" auc="" и="" roc="" кривата="" сред="" четирите="" модела="" е="" показана="" на="" фиг.="" 7.="" резултатите="" показват,="" че="" ефективността="" на="" четирите="" модела="" в="" данните="" за="" обучение="" е="" отлична,="" със="" стойности="" на="" auc="" между="" 0.997="" и="" 0.998="" и="" roc="" крива="" в="" горния="" ляв="" ъгъл="" близо="" до="" 1.="" освен="" това="" стойността="" на="" auc="" в="" данните="" от="" теста="" също="" показа="" добро="" представяне="" на="" модела,="" с="" висока="" стойност="" между="" 0.979="" и="" 0.996="" и="" a="" roc="" крива="" в="" горния="" ляв="" ъгъл="" близо="" до="" 1.="" като="" цяло,="" тези="" модели="" имат="" силна="" способност="" да="" предскажат="" потенциалното="" разпространение="" на="">

Анализ на реакцията на променливите към пригодност.

Кривите на отговор показват количествената връзка между пригодността на местообитанията и променливите на околната среда (известни също като логистична вероятност за присъствие)14. В настоящото проучване, общите променливи между теста на ножа и важността на пермутацията (процентен принос) бяха използвани за анализиране на реакцията на променливите към пригодността. От гледна точка наCistanche deserticola, bio09 и wind10 бяха общи променливи. Подходящата средна температура на най-сухото тримесечие (bio09) беше между −12,71227957 градуса и −1,296478534 градуса. Оптималната скорост на вятъра през октомври (wind10), която е от полза за разпространението на вида, е между 0,5841 и 3,2581 m·s−1 (фиг. S5). Бяха идентифицирани две общи променливи за потенциалното разпределение вCistanche tubulosaмодел. Първият беше слънчевата радиация през май, с подходящ обхват над 24661,0800 kJ·m−2·ден−1. Другият беше валежи през октомври (pre10), с оптимална стойност по-ниска от 5.4640 mm (фиг. S6). Резултатите от теста с нож показаха, че четири променливи са същите като тези на двата други метода за оценка за приноса на биоклиматичните фактори в модела на C. salsa. Първите две променливи включват слънчева радиация през юни и ноември (srad06 и srad11), с диапазони от 23298,9691–25137,457 и 6709,6219–10687,2852 kJ·m−2·day−1, съответно. Третата беше средната температура на най-сухата четвърт (bio09), с оптимален диапазон от -12.6159–2.8479 градуса. Четвъртата променлива беше валежите през септември (pre09), с подходящ диапазон от 8.3762–32.4312 mm (фиг. S7). Моделът MaxEnt на C. Sinensis имаше три важни променливи, които допринесоха най-вече за потенциалното разпространение на вида. Подходящият диапазон на слънчевата радиация през декември (srad12) беше 6138,3161–9488,8316 kJ·m−2·day−1, а този на максималната температура през ноември (tmax11) беше -1.9115–9,6048 градуса. Освен това, подходящият диапазон на скоростта на вятъра през август (wind08) е 2.1005– 3.3054 m·s−1 (фиг. S8). Другите важни променливи, допринасящи за потенциалното разпространение на четирите вида, са обобщени на фиг. S5–S8.

Корелация между химични компоненти и биоклиматични променливи. Най-популярните видове от основните провинции на разпространение (Cistanche deserticola) беше сравнен за завършване на корелационния анализ и за изследване на фуктуацията на съдържанието на седем компонента на индекса с условията на околната среда. След анализ на подходящото потенциално разпространение на вида, тези потенциални региони на разпространение бяха разделени в четири категории. Тук шест места за събиране, включително 22 проби, бяха картографирани на картата на Китай, извлечена от резултатите от модела MaxEnt на вида (фиг. 8). Резултатите показват, че две места за събиране са разположени в клас 1 (висок клас на пригодност на местообитанието), а две места за събиране принадлежат към клас 2 (умерено подходящ клас). Двете последни места бяха класифицирани като клас 3 (нисък подходящ клас). Наблюдава се значителна разлика в съдържанието на 2′-ацетил актеозид между CD-TG (Tingtuhu, Minqin, провинция Gansu) и CD-AI (Alashanzuoqi, Вътрешна Монголия), които принадлежат съответно към класове 2 и 1. В допълнение, съдържанието на компонента в CD-AX (регион на езерото Aibi, Tacheng, Xinjiang) и CD-CG (Changcheng, Liangzhou, провинция Gansu), които принадлежат към клас 3, не се различават значително от тези на четири други обекти, които принадлежат към клас 1 и клас 2. За шестте други химически компонента не е установена значителна разлика между различните географски произходи по отношение на съдържанието на тези съставки.

Дискусия

Билковата медицина е сложна смес от много химически компоненти, които допринасят за систематичното насочване на болестта. В допълнение, един вид билков материал може да бъде събран от различни ботанически видове, които имат подобни характеристики или ефективни компоненти. Например, Coptidis Rhizoma е билково лекарство с висока честота на употреба; получава се от три родствени растения (Coptis chinensis, C. deltoidea и C. teeta) и се използва за лечение на диария, предизвикана от задържане на влага, с помощта на различни берберини18. В допълнение, Polygonatum Rhizoma обикновено се използва като функционална храна в ежедневието в Китай за имунорегулация; суровите материали са коренища на Polygonatum kingianum, P. sibiricum и P. cyrtonema19. Настоящото изследване включва четири вида, два от които са официално записани в Китайската фармакопея (Cistanche deserticolaиCistanche tubulosaвъв версията от 2015 г.).