1 前言
1.1 药用蕨类植物概述
1.1.1 药用蕨类植物的资源及利用情况
我国对蕨类植物的研究与应用最早源于民间对中草药的应用,在民间有许多蕨类植物作为药用植物。石韦是一种利尿药,是记载于中药学著作《神农本草经》中的药用蕨类植物之一[1]。明朝李时珍的《本草纲目》中记载的药用蕨类植物就有 14 种,具有一定的抗菌、消炎功效,到 2003 年我国已知可供药用的蕨类植物高达 300 多种[2]。随着现代研究技术的高速稳定发展,越来越多的蕨类植物的药用成分被发现,很多研究证实了蕨类植物中含有多种已知具有显著疗效的药用成分和活性物质,为研制新药物和探究药效的作用机制提供了重要的参考价值。不同药用蕨类植物的药用功效不同,入药部位也不尽不同。例如,水龙骨科石韦属药用植物常以干燥叶入药,具有利尿作用,具有相似作用的还有蕨(Pteridium aquilinum)、毛足铁线蕨(Adiantum bonatianum)和江南卷柏(Selaginella moellendorffii);水龙骨科瓦韦属中的多种植物以全草入药,具有清热解毒、止痛止血的功效,具有相似功效的还有鳞始蕨科的乌蕨(Odontosoria chinensis)和蛇足石杉(Huperzia serrata);槲蕨(Drynaria roosii)以干燥根入药,中药材名为骨碎补,具有止痛、补肾强骨的功效;红盖鳞毛蕨(Dryopteris erythrosora)以全草入药,具有镇惊安神作用;贯众(Cyrtomium fortunei)和紫萁(Osmunda japonica)具有驱虫杀虫的功效[3]。
1.1.2 药用蕨类植物的化学成分及药理活性
近年来,药用蕨类植物的化学成分和药理功效引起了多方学者的关注,对药用蕨类植物的化学成分的测定以及生物活性的研究越来越多。蕨类植物中含有多种已知的药用化学成分,如黄酮类、酚类、生物碱、挥发性成分、三萜类化合物等。现代研究及实践表明,药用蕨类植物有通淋利尿、消肿散淤、行气活血、抗肿瘤、抑菌等多种功效。其中黄酮类化合物在蕨类植物中广泛分布,对于黄酮类化合物的研究也是较为广泛的[4]。药用蕨类植物的研究在日益深入,已有的报道包括对七指蕨(Helminthostachys zeylanica)[5]、瓶尔小草(Ophioglossum petiolatum)[6]、槲蕨(Drynaria fortunei)[7]和碎米蕨(Cheilanthes anceps)[8]等蕨类的总黄酮含量及功能进行了研究,发现蕨类植物的类黄酮化合物在抗氧化活性方面具有重要作用。骨碎补的黄酮提取物可通过清除肾组织中的活性氧化产物,对大鼠系膜增殖性肾小球肾炎起到抑制作用[9]。
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1.2 石韦属植物研究进展
1.2.1 石韦属植物简介
水龙骨科石韦属植物主要分布于亚洲的热带和亚热带地区,全世界的石韦属植物约100 多种,我国现有 30 多种,以中国秦岭以南地区的种类最多,其中贵州的产量最大,高达 60%以上[26]。石韦属中部分植物为常用药用蕨类植物,药用价值较高,中国药典收录了 3 种石韦属植物,分别为有柄石韦、石韦(Pyrrosia lingua)和庐山石韦(Pyrrosia sheareri),该药材植物全年均可采收,除去根茎,晒干或阴干[27]。虽然中国药典只收录三种石韦种类,但其他石韦种类也都有应用[28]。人们将石韦药材分大叶石韦和小叶石韦,石韦、毡毛石韦(Pyrrosia drakeana)和庐山石韦为大叶石韦;有柄石韦、华北石韦(Pyrrosia davidii)和西南石韦(Pyrrosia gralla)属于小叶石韦。
1.2.2 石韦属植物的活性成分与药理作用
目前国内外对石韦药材的活性成分和药理作用的研究颇多,从石韦属植物中已分离鉴定的化学成分主要有多糖类、黄酮类、酚类、三萜类、挥发油和芳香有机酸类等[29, 30]。从石韦属植物中分离出的黄酮类化合物近 40 种,主要有黄酮、黄酮醇、二氢黄酮及苷元类,有柄石韦中已报道的黄酮类单体化合物有芒果苷、异芒果苷、芦丁、槲皮素、异槲皮素、柚皮苷、木犀草素、山柰酚等多种具有黄酮骨架的化合物[31-33]。其中,芒果苷和异芒果苷是目前石韦药材研究中较常见的黄酮类物质,是石韦药材中起抗气管炎作用的活性成分[34]。黄酮类物质的种类丰富多样,具有较好的研究利用价值,是石韦药材的重要药理活性成分[35]。植物的酚类物质及其衍生物对其抗氧化能力具有决定性作用,对预防各种与氧化应激相关疾病具有可靠效果[36, 37]。目前从石韦分离得到的酚类物质主要有香草酸、咖啡酸、儿茶酸、原儿茶醛、绿原酸、新绿原酸、异绿原酸、隐绿原酸和阿魏酸等[38]。其中绿原酸是《中华人民共和国药典》指定的石韦药材的指标成分,是石韦药材研究中常见的活性成分。有药理研究表明绿原酸具有明显抗氧化[39]、抑菌、抗炎[40]和抗病毒等作用。作为绿原酸的同分异构体,新绿原酸也具有抗炎、抗氧化和增强免疫等作用[41, 42]。李开通[43]测定了不同产地和品种石韦中绿原酸和芒果苷的含量,为石韦药材及饮片的质量标准制定奠定了基础。高贝[44]采用 HPLC 测定有柄石韦及华北石韦中绿原酸和木犀草素的含量,为石韦药材的质量控制提供了科学依据。陈贵[45]测定了 3 种不同来源石韦及其2 种复方制剂中绿原酸、新绿原酸和隐绿原酸的含量,为不同来源石韦、复方石韦胶囊和复方石韦片的质量控制提供了测定方法。
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2 材料与方法
2.1 材料与试剂
2.1.1 试验材料
2018 年 9 月至 2019 年 8 月,采集贵州省安顺市镇宁县黄果树镇(105°41′6′′N,26°2′7′′E)的有柄石韦。选择湿度较大、向阳且石块较多的林下,采用随机取样法取样。所有材料经广西中医药大学黄荣韶教授鉴定为水龙骨科石韦属植物有柄石韦(Pyrrosia petiolosa)。具体采集时间见表 2-1,采集的植株种植在模拟有柄石韦生境设置的广西大学网室大棚(30%透光率)中适应培养,试验时挖掘无病虫害和生长状态一致的有柄石韦植株(见图 2-1),然后选择茎长 5 cm,带丰富假根和 4~5 片营养叶的植株片段作为遮荫试验材料,用 1000 倍多菌灵溶液杀菌后备用。
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2.2 试验设计
2.2.1 采集样品的研究设计
将每月采集的有柄石韦除去根茎和杂质,60℃烘干至恒重。将干样分为叶片和叶柄,叶片按照孢子囊群的有无分为营养叶和孢子叶,共 3 个部位,分别进行如下研究:
(1)营养叶:用 70%乙醇溶液和 90℃纯水提取,制备乙醇提取物和水提取物,提取物称重计算提取得率,再测定总黄酮、总酚、绿原酸和新绿原酸的含量,并进行抗氧化活性测定。
(2)孢子叶:同上。
(3)叶柄:同上。 通过以上测定,研究不同采收期有柄石韦活性成分和抗氧化活性的季节变化规律,以确定有柄石韦的最佳采收期。
2.2.2 遮荫试验研究设计
本实验在广西大学农学院网室大棚进行,于 2019 年 8 月搭建长 300 cm、宽 100 cm、高 160 cm 的不锈钢框架 2 个,地面面积为 6 m2,用遮阳网密封。据报道,当光照强度低于 800 或高于 40000 Lux 时,有柄石韦的生长受到抑制[72]。为了轻度遮荫棚的光照强度不高于 40000 Lux,重度遮荫棚的光照强度不低于 800 Lux,轻度遮荫和重度遮荫处理分别选择 50%透光率和 10%透光率的遮阳网。在试验期内每隔一个月测量同一时间遮荫棚和自然环境的光照强度,测得两个遮荫棚的光照强度平均值;每隔 1 h 记录试验环境中遮荫棚和自然环境的温度和湿度,取平均值,结果见表 2-3。每个遮荫棚分别放置 40个营养钵,全光照下放置 20 个营养钵,规格为口径 15 cm,托盘 14 cm,高 11.5 cm;每个营养钵基部先铺一层 3 cm 厚的碎石块,再在碎石上铺一层约 5 cm 厚的基质,基质构成为园土:河沙:松针土:蛭石:树皮= 1: 2: 1: 2: 2(V: V),每个营养钵种植生长基本一致的有柄石韦带根植株 5 株。日常护理统一参照常规方法,70 d 后待新芽萌发且能正常生长时开始遮荫处理,全光照下的有柄石韦植株在 90 d 后基本死亡,不做后续指标的测定。本试验采取“交叉适应培养法”设计,设计 4 个试验组,即每个遮荫棚分成固定组和移动组 2 组,其中固定组种植至试验结束,移动组遮荫处理 180 d 后,移至另一遮荫棚种植至试验结束。这 4 个试验组的设计见表 2-4。
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3 结果与分析 ....................................... 16
3.1 采收期对有柄石韦活性成分含量的影响 .................................... 16
3.1.1 提取物得率 ............................... 16
3.1.2 总黄酮含量 .......................................... 17
3.1.3 总酚含量 .............................. 17
4 讨论 ................................ 38
4.1 有柄石韦活性成分含量及其抗氧化活性的季节性变化 ................................. 38
4.2 遮荫对有柄石韦生长和光合特性的影响 ............................... 40
4.3 遮荫对有柄石韦活性成分含量的影响 ....................... 41
5 结论与展望 ............................... 43
5.1 结论 .................................................. 43
5.2 研究创新点 ............................ 43
4 讨论
4.1 有柄石韦活性成分含量及其抗氧化活性的季节性变化
黄酮类化合物是药用植物中重要的代谢产物,广泛存在于蕨类植物中,常以糖苷或游离态的形式存在[81]。药用蕨类植物的黄酮类含量与季节密切相关,因此本研究对一年中不同月份采集的贵州有柄石韦不同部位的总黄酮和总酚含量进行了测定,结果发现有柄石韦各部位的总黄酮含量在 37.42~161.78 mg/g 范围之间,测得含量最高的是 3 月的有柄石韦营养叶,其中营养叶和孢子叶的总黄酮含量均高于 91.3 mg/g。刘燕芳[68]研究13 个产地的有柄石韦叶片的总黄酮含量在 28.13~86.79 mg/g 范围内,李晓丹[82]通过 5 种药用石韦总黄酮的提取,测得有柄石韦的含量为 73.96 mg/g,Cao 等[83]研究发现 15 种蕨类植物中有柄石韦的总黄酮含量为 80.6 mg/g,仅次于伏石蕨。不同采收期有柄石韦不同部位的总酚含量也存在较大差异,总酚含量在 16.44~61.31 mg/g 范围之间,最高的是 4月的营养叶。程丹丹[84]测得胶东地区的有柄石韦总多酚的含量为 21.47 mg/g。这表明贵州有柄石韦含有丰富的黄酮类和酚类化合物。
石韦属植物含有多种单体化学物质,如绿原酸、新绿原酸、芒果苷、咖啡酸、芦丁等。本研究通过查找文献对已报道的 15 种有柄石韦化学成分进行筛选,根据紫外吸收光谱图的定性和定量结果选择有柄石韦中含量较高的绿原酸和新绿原酸作为本研究监测有柄石韦质量的指标物质。本研究中,有柄石韦各部位的绿原酸含量从 12 月开始增加至 4 月出现最高值,5 月到 7 月基本稳定,再从 7 月开始逐渐下降到 11 月最低。本研究与 Tan 等[85]研究结果相同,春天采收的茵陈绿原酸含量比其他季节高。本研究中除了叶柄外,每个月采集的营养叶和孢子叶的绿原酸含量均高于 0.20%,已达到药典要求,绿原酸常作为有柄石韦质量控制的指标成分[86],同时作为其活性成分中含量最高的成分,含量远远高于有柄石韦中的新绿原酸,这可能是有柄石韦醇提物中总酚含量较水提物高的主要原因。
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5 结论与展望
5.1 结论
(1)有柄石韦的活性成分含量和抗氧化活性具有明显的季节性变化特点。研究表明有柄石韦的总黄酮、总酚和绿原酸均是从冬季 12 月开始增加至次年春季 3 月~4 月达到最高值,夏季 7 月缓慢下降至秋季 11 月的活性成分含量最低。春季采收的有柄石韦的活性成分含量最高,但春季是有柄石韦叶片萌发旺盛期,而夏季采收的有柄石韦的绿原酸和新绿原酸的含量较高,且抗氧化能力也比秋冬季的高。因此,综合考虑药材产量和质量,建议将夏季作为有柄石韦的最佳采收季节。
(2)有柄石韦不同部位的活性成分含量和抗氧化活性存在显著差异。本研究中,营养叶和孢子叶的活性成分含量远高于叶柄,其中营养叶的绿原酸和新绿原酸含量最高,其次是孢子叶,叶柄最低;且营养叶醇提物的抗氧化能力较强。因此,建议将营养叶作为主要采收部位。
(3)有柄石韦对弱光具有较强的适应能力,但适宜的强光照能促进叶片生长。研究表明,不同遮荫下有柄石韦的 Fv/Fm 值变化小,叶绿素含量和净光合速率无显著性差异,表明有柄石韦适应的光照范围较广。轻度遮荫(50%透光率)环境比重度遮荫(10%透光率)环境更适合有柄石韦的生长,当植株从重度遮荫环境移至轻度遮荫时,植株生长指标有所增加,当植株从轻度遮荫移至重度遮荫时,叶片生长受到抑制。
(4)轻度遮荫有利于有柄石韦总黄酮成分的累积和提取物抗氧化活性的增强。轻度遮荫有柄石韦的总黄酮含量和抗氧化活性均高于重度遮荫。当植株从轻度遮荫环境转移至重度遮荫环境时,有柄石韦的总黄酮含量降低,抗氧化活性减弱;反之增加。因此,轻度遮荫环境更适合栽培有柄石韦。
参考文献(略)