UV-B辐射胁迫对药用植物次生代谢产物的影响研究进展

李锦馨，张　阁，马　燕，马　丽

(宁夏大学 农学院园林系，宁夏 银川 750021)

紫外线(UV)是生物生命活动的重要环境因子，根据能级及波长可分为3级，分别为UV-A(315～400 nm)、UV-B(280～315 nm)和UV-C(200～280 nm)[1]。UV-A可全部穿过臭氧层到达地面，但对生物没有危害；UV-C属于灭生性辐射，但一般被臭氧层阻挡无法到达地面；UV-B对生物有一定的伤害，但是绝大部分UV-B可以被臭氧层吸收，所以在臭氧层正常的情况下，其对生物并不构成威胁[2]。但是，近些年由于环境污染导致臭氧层遭到破坏，过量的UV-B辐射到达地面，对生物尤其是以光为能源的植物造成很大影响，有研究表明，臭氧量每减少1%，地球表面的UV-B辐射强度就将增加2%，因此，研究UV-B辐射胁迫对植物生长的影响具有极其重要的意义[3]。目前，UV-B辐射胁迫对植物生长影响的研究逐步深入，其中植物次生代谢产物(Secondary metabolites)积累是该领域研究较多的一种胁迫响应。

药用植物是指医学上用于防病和治病的植物，是天然药物的主要来源，占处方药的25%左右，所以倍受关注与青睐[4]。药用植物的药效活性一直是研究重点，其药效活性成分大多数为药用植物次生代谢产物，而药用植物次生代谢产物的合成与积累又受环境中各种生物因子和非生物因子的调控。因此，可通过人工调控环境因子来提高药用植物次生代谢产物合成效率从而增加药效，UV-B辐射胁迫就是一种有效的调控途径。在UV-B辐射胁迫下，药用植物次生代谢物产量、质量及合成效率均会受到影响，并且不同种类药用植物的次生代谢产物的变化规律也不尽相同，因基因型不同而表现出多样性。药用植物次生代谢产物根据其生源途径一般可分为萜类化合物(Terpene compound)、酚类化合物(Phenolic compound)和含氮化合物(Nitrogen-containing compound)[5]。本研究系统地综述了UV-B辐射胁迫对药用植物这三大类次生代谢产物产量、质量及合成效率的影响，并深入地探讨了UV-B辐射胁迫对部分药用植物次生代谢产物合成酶、合成途径及主要分子机制的影响。此外，对UV-B 辐射与其他因子的复合作用也作了一定的概述。

1　UV-B辐射胁迫对药用植物萜类化合物的影响

萜类化合物是由五碳的异戊二烯单元构成的化合物及其衍生物，包括单萜、倍半萜、双萜、三萜和多萜等萜类和甾体类。萜类化合物是植物次生代谢产物中数量最多的一类化合物，也是药用植物次生代谢产物中比较重要的一类化合物。萜类药物有保健视觉系统和皮肤组织的类胡萝卜素、抗肿瘤成分的紫杉醇、抗疟疾成分的青蒿素、抗炎防治老年痴呆的芍药苷和降血糖的梓醇等。

1.1　类胡萝卜素

类胡萝卜素是由8个异戊二烯单元构成的四萜类化合物，常见的有β-胡萝卜素和α-叶黄素，其中，β-胡萝卜素是哺乳动物合成维生素A的前体，对视觉系统和皮肤组织有很好的保健作用。此外，类胡萝卜素还参与光合作用，吸收和传递光能并保护叶绿素，对生物膜的抗氧化具有诸多意义，所以类胡萝卜素的相关研究一直是重点[6]。在UV-B辐射胁迫下，类胡萝卜素含量的变化差异很大，随着UV-B辐射胁迫程度的增加，类胡萝卜素含量增加、先增加后减少、减少和不变的研究均有报道。黄花蒿(ArtemisiaannuaL.)植株经UV-B辐射处理后类胡萝卜素含量从第4天开始显著增加[7]。同样，夏枯草(PrunellavulgarisL.)幼苗在不同强度UV-B辐射下类胡萝卜素含量有显著增加[8]。铁皮石斛(DendrobiumofficinaleKimura et Migo)叶片在UV-B照射初期类胡萝卜素含量有所提高，随着辐射时间的延长，高强度UV-B辐射下类胡萝卜素含量急剧降低[9]。印度参(WithaniasomniferaDunal)在UV-B 3.6 kJ/(m2/d)处理后的40 d和70 d叶片中的类胡萝卜素含量呈增加趋势，处理后的100 d植株类胡萝卜素含量减少了21.6%，而根中的类胡萝卜素含量却在40、70、100 d均增长了68.3%[10]。景天三七(SedumaizoonL.)在UV-B辐射后，上部叶、中部叶和下部叶类胡萝卜素的含量均低于对照组(照射自然光)，且都达到显著性差异[11]。同样，芦苇(Phragmitesaustralis)叶片在UV-B辐射后类胡萝卜素含量较对照组(自然光照)显著降低[12]。药菊(ChrysanthemummorifoliumR.)收割后期花中的类胡萝卜素含量显著增加，但类胡萝卜素的增加量并没有随着UV-B辐射强度的增加而有较大变化[13]。

1.2　紫杉醇

紫杉醇是一种四环二萜类化合物，可作为治疗晚期卵巢癌的药物[14]。杨逢建等[15]研究表明，适当增加UV-B辐射强度，可显著提高南方红豆杉(Taxuswallichianavar.mairei)体内的紫杉醇含量。崔磊[16]用UV-B辐射诱导新鲜的南方红豆杉枝叶后，紫杉醇和紫杉醇前体含量显著增加，并且含量随辐射强度和照射时间的变化而变化，呈现一种先增后减再增的趋势。李德文等[17]研究表明,UV-B辐射胁迫可显著增加南方红豆杉针叶内紫杉醇含量，但会影响植物生长从而无法达到提高紫杉醇产量的目的，而在UV-B胁迫处理下喷施低浓度外源NO供体SNP(Sodium nitroprusside,硝普钠)可提高抗氧化酶类的活性，缓解UV-B胁迫所导致的氧化损伤，进而提高紫杉醇产量。此外，郑雯[18]已经系统研究了UV-A辐射处理后南方红豆杉针叶紫杉醇含量变化的机制，但是，关于UV-B辐射增强导致紫杉醇含量变化的机制还未进行深入研究。因此，UV-B辐射增强导致紫杉醇含量变化的机制将成为下一个研究热点。

1.3　青蒿素

青蒿素属于倍半萜内酯类化合物，是一种新型抗疟药，对治疗脑型疟疾和抗氯喹恶性疟疾疗效显著且毒副作用较小。青蒿素主要在黄花蒿(ArtemisiaannuaL.)叶片和花蕾表面特化的组织分泌腺毛内合成并储存，有研究表明，青蒿素及其前体物质的含量与腺毛的密度和大小有密切的联系。UV-B辐射胁迫能否有效地增加黄花蒿腺毛的密度和大小，从而提高青蒿素的产量。Rai等[19]研究表明，黄花蒿在幼苗期接受短期UV-B[14 d，4.2 kJ/(m2/d)]照射处理可以提高盛花期青蒿素的含量。Pan等[7]用低剂量的UV-B[1.44 kJ/(m2/d)]处理黄花蒿盆栽苗10 d后，青蒿素含量提高了30.5%，并且通过一系列生理生化试验研究黄花蒿UV-B胁迫响应机制发现，UV-B胁迫下黄花蒿叶片中过氧化物酶活力和脱落酸含量显著提高。目前，植物腺毛研究工作中尚无通用的模式植物，黄花蒿有潜力成为研究腺毛的模式植物。

1.4　其他萜类

此外，夏枯草幼苗于低强度UV-B辐射处理后期(≥50 d)三萜类主要成分齐墩果酸、熊果酸的含量显著提高[8]。黄花蒿在UV-B辐射胁迫下二萜挥发油种类和含量也会发生变化[7]。杜仲(EucommiaulmoidesOliv)在UV-B 辐射增强条件下，叶片中环烯醚萜类化合物桃叶珊瑚苷、京尼平苷和京尼平苷酸含量较对照(自然光照)降低，仅京尼平含量升高[20]。甾醇(Beta sitosterone)和皂苷(Saponin)也是萜类化合物的重要组成成分[6]，低剂量UV-B辐射后葡萄(VitisviniferaL.)叶片组织中的谷甾醇、豆甾醇、羽扇豆醇含量上升[21]。

2　UV-B辐射胁迫对药用植物酚类化合物的影响

酚类化合物是芳香族环上的氢原子被羟基或功能衍生物取代后生成的化合物，包括苯丙烷类、黄酮类、醌类和鞣质等。目前，已知的酚类化合物多达8 000 余种，在植物中广泛分布。酚类化合物有很高的药用价值，如抗菌利胆的绿原酸、抗血栓抑制肿瘤的香豆素类、抗氧化性抗肿瘤的黄酮类和抗病毒抗肿瘤的鞣质等。酚类化合物有重要的生理功能，如化感作用、信号传导作用和对植物病原体的抵抗作用等。酚类化合物还是植物抵御UV辐射的重要依仗。

2.1　苯丙烷类化合物

苯丙烷类化合物是以一个或多个C6-C3结构单元连在一起构成的天然产物，如简单苯丙烷类、香豆素类、木脂素类和木质素类。绿原酸属简单苯丙烷类，是抗菌利胆的主要成分，在植物体内分布广且含量高。在UV-B辐射胁迫下，杜仲叶片绿原酸含量显著下降[20]，而祁菊(Chrysanthemum×morifoliumRamat.)菊米、胎菊、幼菊和全菊中绿原酸含量均显著提高[22]。高强度UV-B辐射后，桑叶(MorusalbaL.)[23]、长春花[Catharanthusroseus(L.)G.Don][24]和金银花[Lonicerajaponica(Thunb.)][25]中绿原酸含量均增加。木质素类是含多分子C6-C3结构的苯丙烷类化合物，在UV-B辐射下其含量也会发生变化。当UV-B增强时，拟南芥[Arabidopsisthaliana(L.) Heynh.][26]、南非醉茄(Withaniasomnifera)[27]和亚麻(LinumusitaqtissimumL.)[28]的木质素含量都有不同程度的升高。Chen等[29]发现，在增补UV-B辐射强度为75 μw/cm2、8 h/d的条件下，沙漠灌木黑果枸杞(LyciumruthenicumMurr.)的COMT(咖啡酸氧甲基转移酶)表达量明显升高，而COMT是植物木质素合成中的一个关键酶。

香豆素类是含1分子C6-C3结构的苯丙烷类化合物，能有效抑制肿瘤细胞的增殖，在肿瘤药物的开发方面具有潜在的价值。拟南芥在UV-B辐射和细菌诱导的双重胁迫下，香豆素的合成增加[26]。圆锥铁线莲(ClematisternifloraDC.)在高强度UV-B辐射和黑暗培养后，得到了3个新的香豆素类化合物。此外，杨丙贤[30]还应用代谢组学、转录组学和蛋白质组学技术，揭示了圆锥铁线莲叶片对高强度UV-B辐射和黑暗培养的响应机制，结合qRT-PCR和酶学活性试验等技术阐明了香豆素生物合成的关键酶和关键底物，并推测出香豆素的生物合成途径。

2.2　黄酮类化合物

黄酮类化合物是2个芳香环被三碳桥连起来的15碳化合物，根据三碳桥的氧化程度，黄酮类可被分为花色素苷(anthocyanin)、黄酮(flavone)、黄酮醇(flavonol)和异黄酮(isoflavone)[6]。在UV-B辐射胁迫下，杜仲叶片黄酮类化合物含量显著下降[20]，景天三七叶片黄酮类化合物含量升高不明显[11]，而蒙古旱雀豆[Chesniellamongolica(Maxim.) P.C.Li][31]、柠檬草[Cymbopogoncitratus(DC.) Stapf.][32]、黄檗(PhellodendronamurenseRupr.)[33]、银杏(GinkgobilobaL.)[18]、芦苇[12]和夏枯草[8]的黄酮类化合物含量显著提高。莫运才[34]研究表明，低强度UV-B辐射下，铁皮石斛叶片中有较多的类黄酮被诱导合成以抵抗UV-B辐射，而高强度长时间的UV-B辐射下，铁皮石斛叶片中类黄酮含量急剧降低。冯源等[35]研究表明，增强UV-B辐射能够诱导滇黄芩(ScutellariaamoenaC.H.Wright)幼苗体内大量合成类黄酮，在UV-B辐射+干旱复合胁迫下，UV-B辐射削弱了干旱胁迫对滇黄芩幼苗体内类黄酮合成的抑制作用。关于花色素苷在UV-B辐射胁迫下含量的变化也有诸多报道。UV-B辐射的增强会导致印度参中花色素苷的积累[36]。成熟后期的药菊在UV-B条件为400 μW/cm2和600 μW/cm2时，体内的花色素苷含量分别增加了12.86%和11.13%；但在UV-B条件为800 μW/cm2时，体内花色素苷含量降低[13]。

芦丁(Rutin)是一种能够水解生成槲皮素的黄酮苷类化合物[37-38]，具有抗炎和抗病毒的作用，是黄酮类化合物研究的热点。芦丁多分布于叶片上表皮且具有抵抗UV-B的作用，而芦丁糖苷酶则分布于叶片下表皮[39]。Suzuki等[40]研究发现，在荞麦(FagopyrumesculentumM.)成熟早期芦丁和芦丁糖苷酶活动旺盛，猜测这与荞麦成熟时抗氧化与抗真菌活动相关。当UV-B照射强度为1.26 μW/cm2时，照射30 min后，苦荞[Fagopyrumtataricum(L.) G.]幼嫩叶中的芦丁含量增加了122%，芦丁糖苷酶含量增加了363%[41]。党悦方[42]研究发现，短时间高强度UV-B照射处理可促进夏枯草中芦丁的积累。

2.3　鞣质

鞣质又称单宁类化合物，是一类结构较复杂的多元酚化合物，具有自由基清除能力、蛋白质结合能力和预防心血管疾病等药用及保健价值。黄檗幼苗叶片[33]和杜仲叶片[20]在UV-B辐射后单宁含量均有显著提高。在提高UV-B辐射下，喷施SNP可以显著增加南方红豆杉针叶单宁含量[43]。此外，单宁类化合物还与茶和葡萄酒品质密切相关，茶树[Camelliasinensis(L.)O.Kuntze]新梢经UV-B辐射后液泡内单宁结晶体增多[44]，赤霞珠(Sauvignoncabernet)葡萄果实经UV-B辐射后单宁含量未发生较大变化[45-46]。

3　UV-B辐射胁迫对药用植物含氮化合物的影响

含氮化合物是含有碳-氮键的有机次生代谢产物，包括生物碱、氰苷、芥子油苷以及非蛋白氨基酸等。其中，生物碱(Alkaloid)是最大一族含氮化合物，芥子油苷(Glucosinolates)也是一类重要的含氮化合物。

3.1　生物碱

生物碱是重要的天然含氮化合物，迄今为止从自然界分离出的已达12 000余种，且大多数具有生物活性，是许多药用植物的有效成分，如喜树中的喜树碱为抗癌药物、长春花中的长春花碱为抗肿瘤药物、颠茄中的托品烷类生物碱为抗胆碱药物等。同时，生物碱也是核酸、维生素B1、叶酸和生物素的组成成分，具有重要的生理意义。大量文献报道了UV-B辐射对生物碱合成的影响。李亚敏等[47]研究发现，补充UV-B辐射后，浙贝母(FritillariathunbertgiiMiq.)生物碱含量增加。温泉等[48]研究发现，随着UV-B辐射时间的增加，黄连(CoptischinensisFranch.)中小檗碱含量逐渐增加。周心渝等[49]研究发现，轻、中度UV-B辐射不利于半夏[Pinelliaternata(Thunb.)Breit.]块茎中总生物碱的积累；高强度UV-B辐射可诱导总生物碱含量增加，但生长受到抑制。郭玉梅等[50]以4个不同来源的铁皮石斛(DendrobiumofficinaleKimura et Migo)幼苗为试材进行研究发现，云南红杆和浙江青杆在UV-B辐射下总生物碱含量显著增加，而浙江红杆和广西红杆在UV-B辐射下总生物碱含量无显著差异，来源不同的铁皮石斛对UV-B辐射胁迫表现出多样性。

喜树碱(Camptothecin)是一种喹啉类生物碱，具有突出的抗肿瘤和抗免疫缺陷病效果。喜树碱及其衍生物被誉为21世纪最有希望治疗癌症的药物，其相关研究已成为世界性热门课题。王海霞[51]研究发现，短期补充UV-B辐射能增强喜树(CamptothecaacuminataDecne)幼苗中喜树碱和羟基喜树碱含量，并且，在UV-B辐射条件下，与喜树碱合成相关的色氨酸合成酶和色氨酸脱羧酶的活性呈现不同的变化趋势。随后，王海霞等[52]又研究了UV-B辐射增强对喜树幼苗全株及各器官生物量和生物碱的影响，发现UV-B辐射增强能明显增加喜树地上器官中喜树碱的含量，而对10-羟基喜树碱含量影响不明显，并且各器官中生物碱含量与生物量的积累速率具有一定的相关性，生物量增长过快时生物碱含量下降。王玲丽等[53]也做了相关的研究，发现喜树幼叶、幼枝和根中喜树碱含量随着UV-B辐射时间的延长均呈递增趋势，每天8 h辐射处理的喜树碱含量均最高，其中幼叶和幼枝中喜树碱含量显著高于根中含量。

托品烷类生物碱(Tropane alkaloids,TAs)具有重要的药用价值，其中莨菪碱和东莨菪碱已在临床上被广泛应用，可用于麻醉、镇痛、戒毒脱瘾、治疗帕金森症和改善微循环等。卢克欢等[54]研究发现，低强度的UV-B辐射对颠茄(AtropabelladonnaL.)莨菪碱和东莨菪碱的含量影响较小，中高强度的UV-B辐射降低了颠茄莨菪碱和东莨菪碱的含量，认为种植颠茄时应避开高强度UV-B辐射地区。苏贝贝[55]研究发现，低强度(5 μW/cm2)UV-B辐射处理与对照(无辐射)比较，颠茄中莨菪碱和东莨菪碱含量无显著差异；中强度(10 μW/cm2)和高强度(15 μW/cm2)UV-B辐射显著降低了颠茄叶片与茎中莨菪碱和东莨菪碱含量；与对照(无辐射)比较，莨菪碱合成的关键酶腐胺N-甲基转移酶(Putrescine N-methyltransferase,PMT)编码基因和莨菪碱-6-β-羟化酶(Hyoscyamine-6-β-hydroxylase,H6H)基因在根部的表达量随着处理强度的增加逐渐降低，托品酮还原酶Ⅰ(Tropinone reductaseⅠ,TRⅠ)编码基因在叶片中的表达量随照射强度的增加而升高；UV-B辐射处理导致颠茄托品烷类生物碱含量变化的复杂机制，还有待于进一步研究。

3.2　芥子油苷

芥子油苷又称硫甙葡萄糖苷，是一类含氮和硫的巯基糖苷类次生代谢产物。芥子油苷中的异硫氰酸酯可促进消化并有效抗癌，芥子油苷及其水解产物对植物抵御昆虫和病原体具有一定的效果[56]。芥子油苷是拟南芥中重要的次生代谢产物，在目前已发现的140多种芥子油苷中，拟南芥多达37种。有研究表明，UV-B辐射能够引起芥子油苷的积累[57-58]。1.55 W/m2的UV-B照射1 h会诱导拟南芥植株中芥子油苷的产生，然而在持续照射12 h后，芥子油苷特别是吲哚族芥子油苷的含量下降，其相关基因的表达受到显著抑制[59]。适当剂量[1～3 kJ/(m2/d)]的UV-B辐射能够增加金莲葡萄糖硫苷(Glucotropaeolin)的含量[60]。徐文佳[61]研究UV-B辐射对拟南芥芥子油苷代谢的影响发现，几个芥子油苷代谢关键基因(JAZ1、MYC2、COI1、AOC4、ATERF1和ASC4)的表达均有不同程度的上调，并且UV-B辐射正向调控了吲哚族芥子油苷和脂肪族芥子油苷的合成。牟晓飞等[62-63]研究了低强度UV-B辐射对拟南芥成苗和幼苗芥子油苷的影响发现，拟南芥成苗和幼苗中芥子油苷组合模式对UV-B辐射的变化并不一致，可能与其在防御机制中不同的角色有关。

4　小结与展望

综上所述，药用植物次生代谢产物研究已取得了很大的进展，甚至某些方面取得了突破性的成果。但仍存在着一些问题：1) 天然药用植物资源日渐匮乏，药用植物中次生代谢产物在自然状态下含量低，导致一些天然药物价格昂贵、供不应求；2)一些重要药用植物次生代谢产物合成的分子机制和调控机制研究甚少，导致其合成效率难以人工调控；3)目前关于调控药用植物次生代谢产物合成的研究多是采用单因子胁迫，复合胁迫少。基于此，未来关于药用植物次生代谢产物的研究应着眼于以下几点。

首先，应该加大对药用植物资源及其次生代谢产物的开发与利用。随着生理生化技术的不断进步，每年都会有大量新的次生代谢产物被报道。另外，随着基因组学、蛋白组学以及代谢组学技术的更新，对各种类型的次生代谢产物的结构、代谢途径以及基因调控模式等研究应进一步加强，重点利用分子生物学手段从分子水平阐述重要次生代谢产物活性成分合成过程中的关键酶基因，最终为药物研发提供重要的科学依据。

其次，加大对次生代谢产物高效提取技术的研究。次生代谢产物通常在植物体内的含量很少，因此一旦有可利用的资源，如何高效提取则显得尤为重要。依托现有的溶剂提取法、超声提取法以及微波辅助提取法等进一步优化提取方法，并且利用高效液相色谱(HPLC)、液相色谱与质谱联用技术(LC-MS)、高效液相色谱-电喷雾质谱联用技术(HPLC/ESI/MS2)以及核磁共振技术(NMR)等对次生代谢产物进行精准鉴定，以求最大效率对次生代谢产物进行识别与利用。

此外，UV-B辐射和其他影响因子的联合作用也是研究的一个热点。人工调控环境因子和营养可促进药用植物次生代谢产物的合成与积累，而UV-B辐射胁迫仅是其中的一个因子。那么UV-B辐射和其他影响因子的联合作用机制的研究更显重要，如UV-B辐射和氮供应增加的协同效应、UV-B辐射和干旱胁迫的复合作用、UV-B辐射和黑暗培养联合处理等。可通过探索人工调控多个环境因子和营养的协同作用，既可保证植物次生代谢产物的增加，又可有效缓解或抑制高强度UV-B辐射对植物的伤害，以达到提高药用植物次生代谢产物产量和合成效率的目的。

进一步研究UV-B辐射意义深远。随着分子生物学研究的深入，对UV-B辐射作用的机制会有更深层次的认识，依据这些更清晰的机理将其运用在药用植物生产上，从而解决人类对天然药物的需求。