针叶树种释放VOCs成分与潜在作用分析

Analysis of Volatile Organic Compounds Emitted by Coniferous Tree Species and Its Potential Effect

摘要

为探究油松（Pinus tabuliformis Carrière.）、侧柏（Platycladus orientalis L.）和圆柏（Juniperus chinensis L.）在自然环境中释放的VOCs成分及心理健康促进作用，研究采用活体植物动态顶空采样法和GC‑MS技术，采集气体并鉴定VOCs成分。同时，利用网络药理学方法评价油松、侧柏和圆柏释放的VOCs与抑郁症基因靶点对应关系。结果表明，3种针叶树主要释放的VOCs成分有α‑蒎烯、β‑蒎烯、柠檬烯、邻苯二甲酸二甲酯，萜烯类是主要挥发物类别；针叶树种间释放VOCs种类与含量存在差异；油松释放的芳樟醇、侧柏及圆柏释放的9‑十八碳烯酸等物质对应抑郁症潜在靶点最多；3种针叶树VOCs活性成分通过调节神经活性配体‑受体相互作用通路、神经退行性疾病通路及钙离子通路共同发挥起到抗抑郁作用。该研究为深入揭示针叶树种释放的VOCs促进心理健康作用机制提供理论依据。

Abstract

In order to investigate the effects of volatile organic compounds （VOCs） emitted into the natural environment and their potential effect in promoting mental health， the dynamic headspace sampling method combined with gas chromatography-mass spectrometry （GC-MS） was employed to collect gases and identify VOCs compounds emitted by Pinus tabulaeformis， Platyphelus orientalis， and Juniperus chinensis. Additionally， network pharmacological approaches were utilized to assess the relationships between the VOCs emitted by these trees species and the genetic targets associated with human diseases. The findings indicated that the main components of VOCs emitted by the three coniferous tree species included α-pinene， β-pinene， limonene， and dimethyl phthalate， with terpenoids being the predominant category of volatile substances. There were differences in the types and contents of VOCs emitted among the coniferous tree species. Substances such as linalool emitted by Pinus tabulaeformis and 9-octadecenoic acid emitted by Platycladus orientalis and Juniperus chinensis corresponded to the most significant potential targets for depression. The primary active components of VOCs emitted by coniferous tree species could contribute to antidepressant by modulating the neuroactive ligand-receptor interaction pathway， neurodegenerative disease pathways， and calcium ion signaling pathways. This study provided a theoretical foundation for further elucidating the mechanisms through which VOCs emitted by coniferous species promote mental health.

Graphical abstract

关键词

针叶树种 / 挥发性有机化合物 / 抑郁症 / GC‑MS / 网络药理学

Key words

Coniferous tree species / Volatile organic compounds （VOCs） / Depression / Gas chromatography‑mass spectrometry （GC-MS） / Network pharmacology analysis

植物挥发性有机物（volatile organic compounds，VOCs）是植物在自然状态下通过体内次生代谢途径合成，并释放到外界的挥发性化学物质，存在于植物的不同部位^［1］，具有净化空气、杀菌消毒功能，广泛应用于森林康养、康复景观、芳香疗法等领域^［2］。大量研究表明，植物VOCs在生理、心理治疗方面具有积极作用^［3-9］。相关研究者通过生理和心理的多种指标判断紫苏（Perilla frutescens）植株香气对人体健康的影响^［10］，紫苏香气能够使人精神放松，减少紧张和亢奋的情绪，并且使注意力更为集中^［11］；嗅闻常绿钩吻藤（Gelsemium elegans）能够有效缓解人的焦虑^［12］，一定程度上提高人的注意力，对血压有一定的调节作用^［13］。植物所释放的芳香物质对人体心理调节有着重要作用^［14］，如：薄荷（Mentha canadensis）可以振奋精神、清凉镇痛；薰衣草（Lavandula angustifolia）香气清凉、安定心神^［15］。以往研究表明，抑郁症非药物干预的有效性^［16-20］，认知行为疗法^［21-22］、运动^［23］、瑜伽^［24］等非药物干预被用于治疗抑郁症。森林疗法可以作为这些非药物治疗方法之一，利用森林环境改善抑郁症，并可以作为传统疗法的一种替代疗法^［25-28］。

网络药理学广泛应用于药物和中药活性化合物挖掘、整体作用机制阐释、药物组合与方剂配制规律解析等^［29］。目前，植物VOCs方面主要研究挥发性成分对人体生理的改善治疗，如侧柏（Platycladus orientalis L.）叶挥发油的生发疗效^［30］、萱草花（Hemerocallis fulva）正丁醇部位对治疗皮肤消炎解热的功效^［31］、地锦（Euphorbia hirta）挥发活性成分抗炎作用^［32］等，心理健康方面鲜有研究。

油松（Pinus tabuliformis Carrière.）、侧柏和圆柏（Juniperus chinensis L.）隶属于松柏科，是西北地区森林环境及城市绿地中广泛栽植的常绿针叶树种。本研究采集与鉴定自然环境中生长的活体植物油松、侧柏和圆柏释放的VOCs成分，并以鉴定的化学成分为切入点，利用网络药理学方法评价抑郁症的活性成分和作用靶点，通过Gene Cards和DisGeNET数据库分析其作用特点，为深入阐明针叶树释放挥发物促进人体心理健康的作用机制提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验材料选择内蒙古农业大学校园内树冠向阳、背风面及生长良好的3株油松、侧柏和圆柏的健康枝叶，于2024年4月28日9：00—15：00进行气体采集。油松平均树高7 m，平均胸径4.4 cm；侧柏平均树高5 m，平均胸径4 cm；圆柏平均树高5 m，平均胸径3.8 cm。实验采用动态顶空采样法，将植株的枝叶部分放入半封闭的容器内，通过采样室出口的吸附管，构成循环气路。顶空采集法在采集活体植物挥发物时，不对植物组织造成伤害，灵敏度高，挥发性气体的成分更真实。收集完毕后，取出吸附柱，将两端密封于密封膜之中，用锡箔纸包好，带回实验室进行洗脱处理。当日不进行分析的样品，顶空瓶置于4 ℃冰箱中保存。

1.2 GC-MS检测条件

通过气相色谱-质谱联用仪（7890B/5977B，AgilentTechnologies，美国）对针叶树种VOCs进行检测。色谱（GC）工作条件为DB-5Low Bleed/Ms（30 m×0.25 mm×0.25 µm）色谱柱，无分流进样，He为载气，压力为20 kPa。程序升温时初始温度40 ℃保持4 min，然后以6 ℃/min的速率升温至270 ℃，保持5 min。质谱（MS）工作条件为EI源，电子能量70 eV，质量范围29~350 amu，GC/MS接口温度250 ℃，离子源温度190 ℃，发射电流150 µA，检出电压350 V，扫描速度0.4 s，质谱扫描范围（质荷比）19~435。

1.3 数据处理

采用 Turbo Mass5.4.2 软件进行分析，通过对比气质联用仪计算机中的NIST 2008谱库，结合色谱峰的峰面积及保留时间进行化合物定性和相对含量的计算。分析时各组分的相对含量采用面积归一法进行计算，去除空白对照中的杂质后得到最终实验结果。使用Origin 8、SPSS 18.0软件及微生信可视化云平台、迈维代谢云平台对数据进行处理、分析以及结果可视化。

1.4 活性成分及疾病靶点筛选

通过Pub Chem查询植物VOCs成分的结构信息（SMILES），在Swiss ADME数据库中判断VOCs成分活性，并在Swiss Target Prediction数据库预测活性成分可能的疾病作用靶点。利用GeneCards和DisGeNET数据库收集抑郁症相关作用的疾病靶点，剔除重复基因，分析出成分靶点与疾病靶点的交集靶点。

1.5 “活性成分-抑郁症基因靶点”网络构建

将所得活性成分对应靶标蛋白与人类疾病基因靶点进行映射，即两者取交集，得到油松、侧柏和圆柏释放VOCs活性成分的预测靶点，利用Cytoscape软件构建“C（成分）-T（靶点）”作用网络图。通过DAVID数据库对网络中的靶点进行GO富集与KEGG通路富集；通过微生信平台对富集分析结果进行可视化处理，预测靶点功能分布，并根据富集因子分析核心通路富集程度，解析3种针叶树种的心理健康促进作用。

2 结果与分析

2.1 VOCs成分种类与含量

通过鉴定和扣除空气中的杂质，从油松挥发物气体样品中检测出15种挥发性有机物，包含萜烯类、烷烃类、酯类、芳香烃类、醇类、酸类、醛类，其中萜烯类8种，烷烃类1种，酸类1种，酯类1种，芳香烃类2种，醇类1种，醛类1种；从侧柏挥发物气体样品中检测出16种挥发物，包含萜烯类、烷烃类、酯类、酸类、芳香烃类、醛类、醇类，其中萜烯类6种，烷烃类5种，酯类1种，酸类1种，芳香烃类1种，醛类1种，醇类1种；从圆柏挥发物气体样品中共检测出18种挥发物，包含萜烯类、烷烃类、酯类、酸类、芳香烃类、醛类、醇类，其中萜烯类7种，烷烃类4种，酯类1种，酸类1种，芳香烃类2种，醛类2种，醇类1种。3种常绿树种主要挥发性有机物包括萜烯类10种、烷烃类6种、酯类1种、芳香烃类2种、醇类1种、酸类2种、醛类2种，鉴定结果见表1。

油松释放的挥发性有机物中含量最多为α-蒎烯、β-蒎烯、D-柠檬烯、邻苯二甲酸二甲酯和石竹烯；圆柏释放的挥发性有机物中含量最多为α-蒎烯、β-蒎烯、柠檬烯、邻苯二甲酸二甲酯、月桂烯和萘；侧柏释放的挥发性有机物中含量最多为α-蒎烯、β-蒎烯、柠檬烯、月桂烯和邻苯二甲酸二甲酯。3种常绿针叶树主要释放的挥发性有机物有α-蒎烯、β-蒎烯、柠檬烯、邻苯二甲酸二甲酯，萜烯类是春季油松、圆柏和侧柏释放的主要挥发物质类别。

2.2 VOCs主成分分析

从3种针叶树释放的挥发物气体样品中各选取30个样本，运用Origin 8.0软件和微生信可视化云平台进行主成分分析（图1）。图1中的横坐标代表第一主成分（PC1），纵坐标代表第二主成分（PC2），每个点代表一个样本，样本点聚集程度反映了样本点之间的相似性。油松和圆柏样本相似度较高，表明两种针叶树主要VOCs种类和含量相近，而侧柏样本主要集中于第一区间，表明侧柏中的主要VOCs成分含量与其他2种针叶树成分含量差异较大。3种针叶树气体样本中，油松样本的离散程度最大，说明油松选取的30个样本主要成分差异明显；圆柏样本的离散程度最小，说明圆柏的样本中主要成分含量相似。

2.3 差异化合物相对含量的聚类分析

为揭示化合物在3种针叶树间的含量差异，研究对油松、圆柏和侧柏3种针叶树的主要VOCs进行聚类分析（图2）。图2中的横坐标代表不同的实验样本分组，纵坐标为3组样本主要VOCs差异化合物，颜色差异表明化合物的表达量在3种针叶树中均有显著的差异。3种针叶树的主要VOCs在一个大集群中，表明3种针叶树所含成分有一定相似性。在3种针叶树的25种差异化合物中，大部分化合物在油松中表达量较高，表现为上调，包括环葑烯、β-蒎烯等5种萜烯类，3-十八烷和三甲基三环庚烷2种烷烃类，酸类的乙酸，醇类的芳樟醇，醛类的邻硝基苯甲醛以及芳烃类的萘，上调化合物数量共计11种。在侧柏中差异化合物表达量较高的主要包括石竹烯和月桂烯2种萜烯类、十八碳烯-9酸和邻苯二甲酸二甲酯2种酯类以及3-十八烷、2，2-双丙烷2种烷烃类，上调化合物数量共计11种。圆柏VOCs呈现的差异化合物表达量较低，主要是β-蒎烯、2-溴十八醛、邻苯二甲酸二甲酯、桧烯、3-蒈烯、己烷、乙基环戊烯、莰烯和三甲基三环庚烷存在显著差异，上调化合物数量共计9种。

2.4 主要活性成分及潜在靶点信息

通过Pub Chem网站查询树种主要成分的smiles号，将smiles号输入Swiss ADME数据库中筛选活性成分（表2）。

基于上述靶点对比筛选的各靶点来源化合物数量得知，抑制性D2样受体（DRD2）、糖原合酶激酶3 （GSK-3）、胆碱能受体毒蕈碱2（CHRM2）是侧柏活性成分中主要潜在作用靶点；5-羟色胺受体2C（HTR2C）、前列腺素-内过氧化物合酶1（PTGS1）、溶质载体家族6成员2（SLC6A2）和γ-氨基丁酸A型受体亚基beta3（GABRB3）是油松活性成分中主要潜在作用靶点；吲哚胺2，3-双加氧酶1（IDO1）、血红素加氧酶1（HMOX1）、伪君子受体1（HCRTR1）和大麻素受体2（CNR2）是侧柏活性成分中主要潜在作用靶点。油松释放的芳樟醇、侧柏及圆柏释放的9-十八碳烯酸等物质对应潜在靶点最多，分别达到36个、83个和83个。

2.5 活性成分-靶点网络构建与分析

选择交集靶点进行成分-靶点的网络图构建，节点大小与连接度（degree）呈正相关，边的粗细与中介中心性呈正相关。网络图构建中筛选P值<0.05的通路进行绘制，若无通路满足该项条件，则不展示通路（图3）。结果显示，每种活性成分对应多个靶点，每个靶点又联系多种成分，说明了3种植物多成分、多靶点抗抑郁作用机理；同时通路间又通过共有靶点连接且非独立，进一步说明通路间是协同发挥相互作用。

2.6 活性成分与靶点通路分析

为进一步明确靶点的生物学功能，研究对3种树种活性成分与靶点进行KEGG 通路分析。成分靶点和疾病靶点进行交集，选择两者共有靶点获取生物学过程、细胞组分和分子功能前20个物质的富集结果（图4），横坐标表示每个通路对应的FDR，纵坐标为通路名称（按照P值排序），气泡的颜色反映P值大小，越黄表示富集越显著，气泡的大小表示该通路上注释到的基因个数，越大代表通路上注释到的基因越多。侧柏主要活性成分抗抑郁作用通路主要包括神经活性配体-受体相互作用通路、神经退行性疾病通路、钙离子通路；油松主要活性成分抗抑郁作用通路主要包括神经活性配体-受体相互作用通路、钙离子通路、癌症信号通路；圆柏主要活性成分抗抑郁作用通路主要包括癌症信号通路、蛋白聚糖及cAMP信号通路。油松、侧柏及圆柏可能通过以上多种通路达到抗抑郁作用。

2.7 森林疗法实证

森林疗法已被证明对人类健康具有可量化的积极影响。研究为进一步实证常绿针叶树种组成的城市森林对人群心理健康影响，带领参与者进行城市油松林内的森林疗法活动。森林疗法活动主要以森林漫步、森林深呼吸为主，时间为2024年6月10—30日，每日8：00—10：00，周期21 d。研究采用情绪状态量表（profile of mood state， POMS）对由教师与大学生组成的30名参与者（其中男性12人，女性18人，平均年龄=42.38岁±20.25岁）进行森林疗法前后的心理状况改善情况评估。POMS心理问卷共有6个维度，包括消极维度的紧张-焦虑、生气-敌意、疲倦-无力、沮丧-忧郁、混乱-困惑和积极维度的精神-活力。对森林疗法前后参与者进行数据收集，用SPSS软件进行t检验（见表3）。在森林疗法活动后参与者POMS消极维度显著降低，积极维度显著增加。

3 讨论

油松、侧柏和圆柏为中国北方半干旱地区常见的3种针叶树种，其叶、果实常用于中国北方地区民间用药^［33］。本研究中3种针叶树种共同挥发的VOCs有α-蒎烯、β-蒎烯、柠檬烯等萜烯类物质。萜烯是种类最多的一类天然存在的有机化合物^［34］，其结构超过4万种^［34-35］。它们的基本化学结构由一个异戊二烯单元^［36］组成。根据异戊二烯单元的数量，萜烯被分为单萜、倍半萜和二萜。萜烯由各种植物产生，尤其是针叶树^［37］，针叶树油脂主要成分为单萜和二萜，次要成分为倍半萜^［38］。在由针叶树种组成的森林中，各种萜烯对人体健康具有积极影响，特别是对免疫、癌症和神经健康有积极的影响。

萜烯类物质在治疗心理疾病方面具有显著效果。人体吸入α-蒎烯和β-蒎烯，可以改善焦虑水平，对个人健康具有积极贡献^［39］；夏季针叶树木释放的α-蒎烯含量较高，可以起到安定情绪功效^［40］；α-蒎烯、β-蒎烯、樟脑、柠檬烯等萜烯类物质是针叶森林释放气溶胶的主要成分，可以形成对人类身心健康有益的森林浴，也是保健园林的重要组成部分之一^［41］。有研究发现，单萜的柠檬烯、芳樟醇、月桂烯与GABA神经递质系统调节有关，可以使人们心神镇静，可以作为缓解焦虑的重要芳香疗法^［42］。共同释放的柠檬烯可以让呼吸道扩张，减轻压力和缓解焦虑^［43］。柠檬烯通过抑制神经炎症和亚硝酸盐水平，对母性分离应激小鼠模型具有抗抑郁样作用。d-柠檬烯具有显著的抗应激和抗攻击作用^［44］。吸入柠檬烯可以显著减少抑郁样行为，证明了神经内分泌、神经营养和单胺能系统的改变参与柠檬烯抗抑郁作用^［45］。

此外，油松叶片释放的石竹烯对大肠杆菌、枯草杆菌、四联球菌均表现较强的抑菌效果^［46］；侧柏叶片和果实的精油中松油醇和柏木醇可以促进毛发生长^［47］；圆柏叶片释放的桧烯具有活血解毒作用^［48］。圆柏和侧柏共同释放的芳樟醇可以安抚大脑中神经质，促进呼吸和血液循环功能，降低血压^［49］；月桂烯可以促进体液流动和代谢，激励神经传导，帮助睡眠困难者顺利入眠^［50］。

抑郁症是遗传、神经生化、神经内分泌、神经再生等多种生物学因素参与的复杂病理、生理疾病，目前公认的抑郁症发病机制包括脑内NA和5-HT缺乏、PLC-PKC信号转导平衡失调和下丘脑-垂体-肾上腺皮质轴内分泌失调等^［51］。中医药治疗中利用中药配方和中药植物活性成分调节多种信号通路发挥对抑郁症的治疗作用，如：四逆散方可以通过调节多巴胺、GABA和神经活性配体-受体相互作用的信号通路发挥抗抑郁作用^［52］；柴胡疏肝散通过调节钙离子通路、环磷酸腺苷信号通路和神经活性配体-受体相互作用信号通路上的神经元细胞可塑性，提高间隙蛋白表达，发挥抗抑郁作用^［53］；山茱萸通过神经活性配体-受体相互作用信号通路和细胞凋亡信号通路抑制Bax和caspase-3的表达从而阻止抑郁症基因表达^［54］。森林疗法充分利用针叶树种释放的VOCs为抑郁症治疗提供天然的非药物治疗方式非常重要。

4 结论

研究表明，3种针叶树种主要释放的VOCs为α-蒎烯、β-蒎烯、柠檬烯、邻苯二甲酸二甲酯和月桂烯。网络药理学分析得到3种针叶树种抗抑郁症的活性成分包括莰烯、α-蒎烯、邻苯二甲酸二甲酯、柠檬烯、芳樟醇等。为进一步探究3种针叶树种VOCs心理健康促进作用，研究将主要挥发性化合物中筛选的12种活性成分及抑郁症基因的潜在靶点信息构建“成分-靶点”网络图。侧柏及圆柏挥发的9-十八碳烯酸等物质对应抑郁症潜在靶点最多。关键靶点KEGG通路富集结果表明，3种针叶树种VOCs主要活性成分通过调节神经活性配体-受体相互作用通路、钙离子通路、神经退行性疾病通路发挥抗抑郁作用，与文献报道的抗抑郁症的重要通路一致，为深入研究针叶树种VOCs与抑郁基因靶点的对应关系提供科学依据。

因此，针叶树种释放的挥发物具有抗抑郁潜在作用。本研究为深入揭示针叶树种VOCs的心理健康促进作用机制提供理论依据，也为健康保健型树种资源挖掘及植物VOCs与以森林疗法为特色的绿色医疗结合提供科学依据。

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基金资助

内蒙古自然科学基金面上项目(2024MS03069)

国家自然科学基金项目(32560386)