基于广泛靶向代谢组学分析三个姜黄品种中姜黄素类成分

郭芳 ,  罗祖良 ,  贾训利 ,  左湘 ,  马小军 ,  唐德英 ,  张丽霞

生物资源 ›› 2022, Vol. 44 ›› Issue (03) : 285 -295.

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生物资源 ›› 2022, Vol. 44 ›› Issue (03) : 285 -295. DOI: 10.14188/j.ajsh.2022.03.007
研究报告

基于广泛靶向代谢组学分析三个姜黄品种中姜黄素类成分

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Analysis of curcuminoids in three Curcuma longa L. varieties based on extensive targeted metabonomics

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摘要

本试验基于液相色谱⁃四极杆线性离子阱质谱的广泛靶向代谢组学方法,结合聚类分析和正交偏最小二乘判别分析等方法,比较分析姜黄(Curcuma longa L.)三个品种的姜黄素类代谢物的变化。结果所有样品共检出46个姜黄素类化合物,其中高含姜黄(GJH)和川姜黄(CJH)均检出46个姜黄素类代谢物,而云姜黄(YJH)检出36个。通过组间峰面积分析发现,共有41个代谢物包括指标性成分姜黄素和代表性成分去甲氧基姜黄素、双去氧基姜黄素、二氢姜黄素及四氢姜黄素的相对含量均从高到低依次为:高含姜黄、川姜黄、云姜黄。通过层次聚类和自组织映射聚类分析发现,高含姜黄与川姜黄样品可以聚为一类与云姜黄区别分开,提示高含姜黄与川姜黄质量相似而与云姜黄差异较大。结果表明,高含姜黄的代表性姜黄素类代谢物的含量高于川姜黄和云姜黄,且与川姜黄的姜黄素类代谢物组成相似,是除川姜黄外的又一高质量姜黄新品系,可为姜黄药材提供新的来源。

Abstract

An extensive targeted metabonomics method based on liquid chromatography⁃quadrupole linear ion trap mass spectrometry combined with cluster analysis and orthogonal partial least squares discriminant analysis was used, to compare and analyze the metabolites of curcuminoids in three turmeric varieties. A total of 46 curcuminoids were detected in all samples, of which 46 curcuminoids were detected in GJH and CJH samples, while only 36 curcuminoids were detected in YJH. Analysis of the peak area between groups found that a total of 41 metabolites, including representative components curcumin, demethoxycurcumin, dideoxycurcumin, dihydrocurcumin and tetrahydrocurcumin, and their relative contents appeared as GJH>CJH>YJH. Through hierarchical clustering and self⁃organizing map cluster analysis, it is found that the samples of GJH and CJH can be grouped into one group and separated from YJH, suggesting that the quality of GJH is similar to CJH but is quite different from YJH. The results show that the content of representative curcumin metabolites of GJH is higher than that of CJH and YJH, and its composition of curcumin metabolites is similar to that of CJH. GJH is another high⁃quality new turmeric variety besides CJH, which can be used to provide new sources for turmeric medicinal materials.

Graphical abstract

关键词

姜黄 / 品种 / 姜黄素 / 代谢组学 / 聚类分析

Key words

Curcuma longa L. / variety / curcumin / metabonomics / cluster analysis

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郭芳,罗祖良,贾训利,左湘,马小军,唐德英,张丽霞. 基于广泛靶向代谢组学分析三个姜黄品种中姜黄素类成分[J]. 生物资源, 2022, 44(03): 285-295 DOI:10.14188/j.ajsh.2022.03.007

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0 引 言

2020年版《中国药典》记载,姜黄为姜科(Zingiberaceae)姜黄属(Curcuma)植物——姜黄(Curcuma longa L.)的干燥根茎,具有破血行气,通经止痛的功效。用于胸胁刺痛,胸痹心痛,痛经经闭,癥瘕,风湿肩臂疼痛,跌扑肿痛等的治疗1。姜黄的活性成分主要包括姜黄素类化合物和挥发油。截至目前,研究者已从姜黄中分离得到30多种天然姜黄素类化合物2,主要有姜黄素、去甲氧基姜黄素、双去甲氧基姜黄素等,其中姜黄素含量最高,是其主要活性成分。药理学研究表明姜黄素具有抗肿瘤3、抗炎4、抗氧化5、神经保护6等作用。此外,已有研究发现姜黄挥发性成分30多种,包括芳姜黄酮、α⁃姜黄酮、姜烯、芳姜黄烯、β⁃红没药烯等7,具有抗突变8、抗氧化9、抗病毒10、抗菌11等药理作用。据医学百科网、药智数据网统计,以姜黄组成的中药方剂达212种,如七味姜黄搽剂、九味肝泰胶囊、双姜胃痛丸等12。姜黄既是一种传统中药,又是咖喱的重要原料,同时还是风靡东西方的膳食补充剂。在食品应用上,姜黄主要用于食品着色剂,是九种天然色素之一,广泛应用于面食、饮料、果酒、糖果、糕点、罐头、果汁及烹饪菜肴等。

随着对姜黄化学成分和药理作用研究的深入,其市场需求量也日益增多,但是目前市场上姜黄的质量参差不齐,缺乏统一的质量标准,究其原因有3点:①姜黄属植物种类众多,且药用部位根茎外观形态相似,难以辨认,导致部分市售姜黄药材中掺入其他姜黄属植物(如温郁金〔Curcuma wenyujin Y.H.Chen & C.Ling〕、莪术〔Curcuma phaeocaulis Valeton〕等);②印度、缅甸、越南等国家也是姜黄的主要生产出口国,但是这些姜黄一般用作色素或提取液的原料,不做药用;③我国姜黄产地分布于福建、台湾、广东、广西、四川、云南及贵州等地,不同地区姜黄栽培品种质量差异较大,有学者对同一栽培基地3个不同的姜黄品种的产量和有效成分含量进行研究,发现不同品种姜黄的姜黄素和挥发油含量差异显著13。关于姜黄的道地产区,在《姜黄的本草研究》一文中指出:姜黄以四川为其地道产区14。四川姜黄质量最好,然而川姜黄产量不大,难以满足市场需求,迫切需要扩大道地药材种植面积或挖掘高含高产的姜黄优良品种资源以满足姜黄的巨大市场需求。云南姜黄品种因其个头大、含量低,价格低,主要作为工厂提取色素用。川姜黄因其个头小,皮薄,有效成分含量高,主要用作药材使用。

2016年本研究组在贵州铜仁进行姜黄种质调查时发现一种根茎呈橙红色的姜黄(图1),暂命名为“高含姜黄”,植株株高1~1.5 m,根茎呈不规则圆形、圆柱形、或纺锤形,具短叉状分枝,长2~5 cm,直径1~3 cm。表面橙色,有皱缩纹理和明显环节,并有圆形分枝痕及须根痕。断面棕黄色,有蜡样光泽,内皮层环纹明显,维管束呈点状散在。气极香;根粗壮,末端膨大呈块根。叶每株5~7片,叶片长圆形或椭圆形,长30~45 cm,宽15~18 cm,顶端短渐尖,基部渐狭,绿色,两面均无毛;叶柄长20~45 cm。花葶由叶鞘内抽出,总花梗长12~20 cm;穗状花序圆柱状,长12~18 cm,直径4~9 cm;苞片卵形或长圆形,长3~5 cm,淡绿色,顶端钝,上部无花的较狭,顶端尖,开展,白色;花萼长8~12 mm,白色,具不等的钝3齿,被微柔毛;花冠淡黄色,管长达3 cm,上部膨大,裂片三角形,长1~1.5 cm,后方的1片稍较大,具细尖头;侧生退化雄蕊比唇瓣短,与花丝及唇瓣的基部相连成管状;唇瓣倒卵形,长1.2~2 cm,淡黄色,中部深黄。花期为8月。通过近三年的人工栽培育种,该品系姜黄素含量稳定,含量高于本地普通品系。该品系可能成为除川姜黄外的又一高质量姜黄药材品系,可为姜黄药材提供新的来源。但本品系尚未经国家或省级品种审定委员会审定,本研究下一步的工作就是进行新品种审定。

广泛靶向代谢组学分析是一种结合非靶向代谢组学和靶向代谢组学优点的新方法,利用基于多反应监测(multiple reaction monitoring, MRM)模式的QTRAP质谱法,可同时定量数百个已知代谢物和近千种未知代谢物,实现了高灵敏度、广泛靶向代谢物的检测和鉴定15。有学者通过整合使用两个互补的液相色谱-质谱/质谱平台:液相色谱⁃四极杆飞行时间质谱(LC⁃QTOF⁃MS/MS)和液相色谱⁃四极杆线性离子阱质谱(LC⁃QTRAP⁃MS/MS)建立了姜黄素类代谢物谱,并分析鉴定了96个姜黄素类化合物16。该研究基于LC⁃QTRAP⁃MS/MS平台MRM模式分析的姜黄素类化合物谱已成功应用于中国和缅甸不同地区姜黄原料的定性定量评价。因此,本研究参考姜黄素类代谢谱建立了基于LC⁃QTRAP⁃MS/MS的广泛靶向代谢组学方法,并运用于川姜黄、云姜黄品种及高含姜黄品种中姜黄素类活性成分进行差异分析以评价高含姜黄品种的药材质量及开发潜力。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

以云南省西双版纳州中国医学科学院药用植物研究所云南分所采集的云南姜黄、高含姜黄以及四川犍为的姜黄样品为供试材料,三个姜黄品种均由中国医学科学院药用植物研究所云南分所张丽霞研究员鉴定为姜黄(Curcuma longa L.),下文统称为云姜黄、高含姜黄、川姜黄,样品具体信息见表1。姜黄素、去甲氧基姜黄素、双去氧基姜黄素、二氢姜黄素及四氢姜黄素对照品购于成都曼思特生物科技有限公司和上海源叶生物科技有限公司(HPLC纯度均大于98%)。甲醇和乙腈(色谱级)购自Fisher Scientific (Fair Lawn, NJ, USA);甲酸购自中国广东西隆化工;纯净水(娃哈哈,中国杭州)。

1.2 仪器与设备

LC⁃MS/MS分析系统由岛津LC⁃20A型高效液相色谱系统(日本岛津公司,包括LC⁃20A输液泵、SIL⁃20AC自动进样器、CTO⁃20A柱温箱和DGU⁃20 A3脱气机)和AB SCIEX QTRAP® 5500系统(美国Applied Biosystems公司,包括Turbo V离子源和三重四极杆线性离子肼串联质量分析器;Analyst®软件1.6版用于LC⁃MS/MS系统的同步控制、数据采集和分析)组成;AB⁃135⁃S电子分析天平,瑞士Mettler Toledo集团;KQ⁃300型超声波清洗器,昆山市超声仪器有限公司;LG16⁃B型雷勃尔高速离心机,北京雷勃尔离心机有限公司;Targin VX⁃02型多管涡旋振荡器,北京踏锦科技有限公司;DHG⁃9030A型电热鼓风干燥箱,上海一恒科学仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 样品前处理

采用五点取样法,三个姜黄品种——云姜黄、高含姜黄、川姜黄样品每个批次分别取6株以上,将其新鲜根茎混匀后切成均匀的薄片,于35 ℃的烘箱中烘干,粉碎并过60目筛。取姜黄粉末1 g于10 mL离心管中,加入10 mL 80%甲醇水溶液,振摇1 min,超声提取10 min, 12 000 r/min离心5 min,分离上清。残渣分别用10 mL 50%甲醇和10 mL 100%甲醇分别重复提取1次。将三次提取液混合,取1 mL加甲醇定容至30 mL。最后,通过0.22 μm微孔滤膜过滤,并保存于进样瓶中进样分析16。为避免姜黄素的光降解,所有操作均避光。

1.3.2 高效液相色谱⁃串联质谱分析

色谱条件:色谱柱:Waters ACQUITY UPLC HSS T3 C18(2.1 mm×100 mm,1.8 μm);流动相:A相为0.1%的甲酸水,B相为乙腈;梯度洗脱:(0~10 min,20%~35% B;10.00~30.00 min,35%~55% B; 30.00~33.00 min,55%~95% B; 33.00~36.00 min, 95% B; 36.00~36.50 min, 95%~20% B; 36.50~40.00 min, 20% B),流速0.3 mL/min;柱温40 ℃;进样量5 μL。

质谱条件:ESI离子源,扫描模式为正离子模式。相关参数包括气帘气(CUR)、雾化气(GS1)和辅助气(GS2),分别为30、50和50 psi。喷雾电压(IS)为5 500 V,离子源温度(TEM)为550 ℃。去簇电压(DP)为80 V;碰撞池出口电压(CXP)为10 V;碰撞能量CE和CES分别设置为30 eV和10 eV;驻留时间为10 ms。采用多反应监测⁃信息依赖型采集⁃增强子离子扫描(MRM⁃IDA⁃EPI)模式,通过特定的MRM离子对和保留时间,建立了基于LC⁃QTRAP⁃MS/MS的姜黄素类化合物广泛靶向代谢组学方法,进行姜黄素类化合物的定性定量检测。该方法通过MRM扫描获得的色谱保留时间和EPI扫描获得的化合物的离子碎片信息,可有效提高定性分析的准确度;同时利用MRM扫描获得化合物的峰面积信息,可进行代谢物的定量分析。

1.3.3 数据处理及分析

基于LC⁃QTRAP⁃MS/MS检测平台采集样本代谢物质谱信息,并与文献[16]匹配,鉴定样本中相关代谢物。利用软件Analyst 1.6.2处理质谱数据获得样本中代谢物峰面积数据,得到代谢物在不同样本中的相对含量。采用MetaboAnalyst 5.0在线软件进行正交偏最小二乘判别分析(OPLS⁃DA)法统计分析、层次聚类及自组织映射(SOM)聚类分析,根据多维统计变量重要性投影值(variable importance in projection, VIP)筛选差异代谢物。

2 结果与分析

2.1 代谢组成分总体分析

采用LC⁃QTRAP⁃MS/MS的多反应检测模式(MRM)对云姜黄、高含姜黄和川姜黄样本进行数据采集,利用Analyst 1.6.2软件进行质谱数据处理,获得三个品种样本和混合标准品的总离子流图(TIC)如图2。通过MRM⁃IDA⁃EPI模式获得化合物的碎片离子信息(图3),结合离子对、保留时间及文献匹配鉴定得到姜黄素类化合物,本研究共有46个姜黄素类化合物得到表征(表2图4),其中高含姜黄和川姜黄中均检出46个姜黄素类代谢物,而云姜黄只检出36个。同时利用MRM扫描获得各化合物的峰面积,并分别以云姜黄和高含姜黄对川姜黄峰面积比确定不同品种中各代谢物的含量变化。通过组间峰面积比分析发现,共有41个代谢物包括指标性成分姜黄素和代表性成分去甲氧基姜黄素、双去氧基姜黄素、二氢姜黄素及四氢姜黄素的相对含量均从高到低依次为:高含姜黄、川姜黄、云姜黄。此外,化合物40的相对含量从高到低依次为云姜黄、高含姜黄、川姜黄,化合物45的相对含量从高到低依次为川姜黄、高含姜黄、云姜黄,且组间含量差异较大。

2.2 三个姜黄品种代谢组学差异分析

样本进行PCA分析,判别三个姜黄品种样本组间和组内的变异度大小。结果显示三组样本在三维图上表现出明显的分离趋势(图5a),PC1的贡献率为94.5%,PC2的贡献率为5.2%,PCA分析能够从总体上反映出三组样品之间具有差异。正交偏最小二乘判别分析(OPLS⁃DA)结合了正交信号矫正(OSC)和PLS⁃DA方法,通过去除不相关的差异来筛选差异变量,可以使实验结果更加可靠。根据OPLS⁃DA模型(图5b)对46种代谢物数据进行分析,结果表明三个样品的区分效果明显。对三个品种样本分别进行两两分组比较,比较组为:高含姜黄∶云姜黄(GJH∶YJH)、高含姜黄∶川姜黄(GJH∶CJH)、云姜黄∶川姜黄(YJH∶CJH)。建立OPLS⁃DA模型进行分析(表3),表3显示3组比较OPLS⁃DA模型的R2Q2均较高,模型具有很好的预测能力和可靠性,能够很好地表现各组间代谢物的变化趋势,其中Q2>0.9为出色的模型。

基于OPLS⁃DA生成的第1主成分变量重要性投影(variable importance in the projection,VIP),以其表示对应代谢物的组间差异在模型中各组样本分类判别中的影响强度,来筛选差异代谢物。VIP值越大,分类贡献越大,越能表明差异代谢物对不同姜黄品系的影响强度,本研究根据VIP值及Log2FC筛选出10种差异代谢物如表4所示,代表性差异代谢物包括化合物40、化合物45、二氢姜黄素及其烯醇式异构体。

2.3 差异代谢物聚类分析

为方便观察代谢物变化规律,对差异显著的代谢物进行归一化处理,并通过MetaboAnalyst 5.0在线软件绘制聚类热图,结果如图6所示。该热图可以简单、直观地反映出代谢物的变化情况。图中颜色表示相对含量,红色越深表示含量越高;蓝色越深表示含量越低。结果如图6表4所示,所有代谢物在高含姜黄、云姜黄、川姜黄中的含量差异明显,除化合物40和45外,高含姜黄中姜黄素类化合物含量最高,聚集区显示红色,其中姜黄素、去甲氧基姜黄素、双去氧基姜黄素、二氢姜黄素及四氢姜黄素等代谢物的含量相对较高。值得注意的是化合物45在云姜黄中含量远高于高含姜黄和川姜黄,而化合物40在川姜黄中含量远高于高含姜黄和云姜黄,是相应品种的特征差异代谢物。

根据代谢物层次聚类分析和自组织映射聚类分析发现(图7),三个姜黄品种分为2支,高含姜黄和川姜黄聚为一支和云姜黄分离。聚类热图可见高含姜黄的姜黄素类代谢物含量整体高于川姜黄和云姜黄,且与川姜黄的姜黄素类代谢物组成相似,分析结果进一步提示高含姜黄与川姜黄质量相当甚至更优,而与云姜黄差异较大。高含姜黄可能是除川姜黄外的高质量姜黄品种,可为药用姜黄的药材来源提供新的选择。

3 讨 论

本研究采用广泛靶向代谢组学技术,以GJH和CJH、YJH为材料,对三者的姜黄素类代谢物进行对比分析,共检出代谢物46个,其中GJH和CJH均检出46个代谢物,而YJH只检出代谢物36个。通过对三种姜黄的差异代谢物进行正交偏最小二乘判别分析、层次聚类及自组织映射(SOM)聚类分析,结果表明GJH中姜黄素类代谢物的相对含量高于CJH和YJH,对于中国药典规定的指标性成分姜黄素,GJH与CJH的峰面积比为1.13,与云姜黄的比为1.23,变化较小。但对于其他成分如四氢姜黄素则变化很大,GJH与CJH的峰面积比为2.09,与YJH的比为167.83。二氢姜黄素在三者的相关差异代谢物中,其VIP值为1.19,GJH与CJH的二氢姜黄素的比值较小为1.01,与YJH的比值为4.21,GJH与YJH的二氢姜黄素的含量差异较大。有报道称四氢姜黄素和二氢姜黄素的活性大于姜黄素,单体姜黄素类化合物含量不同,其在三种姜黄中所占比例也不同,其药理活性也会有所差异。由此可见,单一指标成分的质量评价体系难以体现样品的整体质量。

聚类分析时,GJH和CJH聚为一支与YJH分离,这反映出在姜黄素类化合物的成分和含量上,GJH和CJH的相似度高于YJH,进一步说明GJH依据姜黄素类化合物进行分类时应归于高含量姜黄素型姜黄品种。化合物40(1,7⁃二(3,4⁃二甲氧基苯基)⁃1⁃庚烯⁃3,5⁃二酮)和45(1⁃(3,4⁃二甲氧基苯基)⁃7⁃(4⁃羟基⁃3⁃甲氧基苯基)⁃1,6⁃庚二烯⁃3,5⁃二酮),虽然在药材中的总体含量较少,但是在三种姜黄中的含量差异显著,可以作为品种的显著差异代谢物,进而为区别这三个姜黄品种提供数据支持。本文基于超高效液相色谱⁃串联质谱的广泛靶向代谢组学方法可为姜黄中姜黄素类代谢物及其总体质量评价研究提供参考依据。

姜黄不仅是大宗药材,也是工业上重要的生产原料,随着近几年国家对化学色素打击力度的增加,作为天然使用色素的姜黄的需求量也在与日俱增。据统计仅国内对姜黄的工业需求量已达到5万吨以上,而药用川姜黄最少也在两千吨,作为姜黄消费大国的印度,姜黄年用量更是达到了20万吨以上,巴基斯坦的年需求量也保持在20万吨左右。姜黄的市场需求大,但是姜黄在国内目前主要的栽培区在四川、云南,栽培面积不大,产量有限,这严重限制了姜黄产业的发展。另一方面,作为药材,国内普遍认为四川犍为产姜黄为道地姜黄,质量较优,但是川姜黄产量不高。因此,发现和培育产量高、含量高的优良品系也是促进姜黄产业发展的另一途径,是解决姜黄药材供不应求问题的关键。从研究结果来看,高含姜黄与川姜黄在姜黄素类化合物方面质量相当甚至更优,可为药用姜黄的药材来源提供新的选择。

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基金资助

中央本级重大增减支项目“名贵中药资源可持续利用能力建设项目”(2060302)

云南省科技人才和平台计划(202105AG070011)

国家重点研发计划项目(2017YFC1700706)

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