楊春寧,孫志蓉 ,曲繼旭,劉曉欣,劉文蘭,朱南南,程麗麗
(北京中醫(yī)藥大學(xué)中藥學(xué)院,北京 100102)
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中 藥 研 究
有機(jī)酸對(duì)甘草呼吸代謝及甘草酸積累的影響
楊春寧,孫志蓉*,曲繼旭,劉曉欣,劉文蘭,朱南南,程麗麗
(北京中醫(yī)藥大學(xué)中藥學(xué)院,北京 100102)
目的:研究丙酮酸和琥珀酸兩種有機(jī)酸對(duì)甘草呼吸代謝及甘草酸積累的影響,從生理學(xué)的角度探討呼吸作用與甘草酸積累之間的關(guān)系。方法:采用溶氧法測(cè)定甘草根系呼吸速率;蒽酮比色法測(cè)定可溶性糖和淀粉的含量;2,4-二硝基苯肼顯色法測(cè)定丙酮酸的含量;Elisa試劑盒法測(cè)定乙酰輔酶A的含量;高效液相色譜法測(cè)定甘草酸的含量。結(jié)果:丙酮酸和琥珀酸對(duì)甘草的呼吸代謝具有促進(jìn)作用,其作用大小為:琥珀酸組>丙酮酸組>對(duì)照組;對(duì)呼吸底物可溶性糖和淀粉的影響為琥珀酸組比丙酮酸組和對(duì)照組具有更高的積累,分別是對(duì)照組的1.02倍和1.04倍,是丙酮酸組的1.15倍和1.04倍;對(duì)中間物質(zhì)丙酮酸含量具有極顯著影響(P<0.01),但對(duì)乙酰輔酶A的影響差異不顯著(P>0.05);對(duì)甘草酸含量具有一定影響,丙酮酸組甘草酸含量高于其他兩組,分別為對(duì)照組和琥珀酸組的1.24倍和1.05倍。結(jié)論:有機(jī)酸能夠通過(guò)調(diào)節(jié)甘草根系呼吸作用強(qiáng)弱來(lái)調(diào)節(jié)甘草酸的合成積累。
甘草;呼吸代謝;丙酮酸;琥珀酸;甘草酸
甘草(Glycyrrhiza uralensis Fisch)是常用大宗中藥材,廣泛應(yīng)用于制藥工業(yè)及飲料、調(diào)味品、香煙、糖果等行業(yè),因其需求量不斷增加,野生資源日益減少[1],人工栽培甘草規(guī)模在逐漸擴(kuò)大。但目前多數(shù)人工栽培甘草中甘草酸的含量達(dá)不到《中國(guó)藥典》規(guī)定的大于2%的要求[2]。在人工栽培甘草方面,雖然已經(jīng)完成了甘草由野生到栽培的馴化工作,且人工栽培甘草的技術(shù)和方法也在不斷成熟和完善[3-6],但目前影響甘草酸積累的相關(guān)機(jī)制尚不明確,甘草酸含量低的問(wèn)題還沒(méi)有得到解決。植物的呼吸代謝是物質(zhì)與能量代謝的重要途徑[7],為次生物質(zhì)的生成提供重要的中間物質(zhì)和能量。乙酰輔酶A(CoA)是甘草酸合成的初始供體[8],其主要來(lái)源為呼吸作用中的糖酵解途徑。丙酮酸是細(xì)胞中無(wú)氧呼吸與有氧呼吸的重要中間產(chǎn)物,在有氧條件下,丙酮酸轉(zhuǎn)化為CoA進(jìn)入三羧酸循環(huán)(TCA),生成有機(jī)酸和NADH,丙酮酸還是呼吸作用的潛在調(diào)節(jié)因子,丙酮酸等α-酮酸能夠刺激交替氧化酶(AOX)活性增強(qiáng)[9];琥珀酸是植物體內(nèi)進(jìn)行三羧酸循環(huán)的重要中間產(chǎn)物,有研究表明琥珀酸能夠影響植物體的呼吸速率[10]。目前有機(jī)酸對(duì)甘草根系呼吸作用及甘草酸積累影響方面的研究還未見(jiàn)報(bào)道。本文通過(guò)外源丙酮酸、琥珀酸處理,考察有機(jī)酸對(duì)甘草根系呼吸代謝和甘草酸積累的影響,探討甘草呼吸代謝與甘草酸積累的相關(guān)關(guān)系,為提高人工栽培甘草質(zhì)量提供研究資料。
1.1 試驗(yàn)材料
試驗(yàn)材料為甘草當(dāng)年播種苗。種子由內(nèi)蒙古伊克昭盟杭錦旗甘草公司提供。采用無(wú)土栽培法,高溫滅菌后,按蛭石:珍珠巖體積比為4:1的比例充分混勻,裝于塑料花盆中,盆高16 cm,盆外口直徑為25 cm,內(nèi)口直徑為21 cm。將盆按照隨機(jī)數(shù)字法分好組后放入北京中醫(yī)藥大學(xué)培養(yǎng)室內(nèi),澆透水2天后,播種。當(dāng)?shù)厣喜糠珠L(zhǎng)至20 cm左右時(shí)開(kāi)始間苗,每盆留苗20株。待甘草蘆頭直徑長(zhǎng)至1.0 cm左右時(shí)開(kāi)始進(jìn)行有機(jī)酸處理,分別設(shè)置空白對(duì)照組,丙酮酸組和琥珀酸組3個(gè)處理組,丙酮酸組和琥珀酸組分別施以濃度均為8 mmol/L的丙酮酸鈉和琥珀酸溶液(溶液用鹽酸和NaOH溶液調(diào)pH值至7.5左右),每7天澆1次,每次1800 mL,空白對(duì)照組以等量清水代替。
1.2 試驗(yàn)方法
1.2.1 甘草根系總呼吸強(qiáng)度的測(cè)定
分別在實(shí)驗(yàn)處理后的第1 d、3 d、7 d、14 d和28 d時(shí),人工氣候室內(nèi)光照處理2 h后采集甘草,選擇甘草中上部主根,剪成長(zhǎng)約1 mm左右根段,將其分成三個(gè)不同的對(duì)照組,每組含20個(gè)根段,每組將根段放入Yaxin-1151生物氧測(cè)定儀葉室內(nèi),用0.2 M的Tris填充整個(gè)葉室后,將氧電極插入葉室中開(kāi)始進(jìn)行測(cè)定。每個(gè)樣品測(cè)定4~5 min,每組至少5個(gè)平行。上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程在25℃空調(diào)房中進(jìn)行。
1.2.2 甘草呼吸底物和中間物質(zhì)含量的測(cè)量
可溶性糖和淀粉的含量測(cè)定采用蒽酮比色法[11]加以改進(jìn)。丙酮酸含量測(cè)定采用2,4-二硝基苯肼顯色法[12]加以改進(jìn)。乙酰輔酶A選用植物乙酰輔酶A(A-COA)Elisa 試劑盒進(jìn)行測(cè)定。
1.2.3 甘草酸含量的測(cè)量
采用周香珍[13]的方法加以改進(jìn)。
1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法
采用EXCEL 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入和圖表繪制。采用SPSS20.0軟件進(jìn)行One-way ANOVA方差分析,Kruskal-Wallis H(K)非參數(shù)檢驗(yàn),LSD檢驗(yàn)法進(jìn)行多重比較。
2.1 有機(jī)酸對(duì)甘草總呼吸強(qiáng)度的影響
有機(jī)酸處理后,甘草的根系呼吸產(chǎn)生相應(yīng)的變化,如圖1所示。不同取樣時(shí)間各處理組甘草根系總呼吸差異較明顯,有機(jī)酸溶液處理后第1 d,各組甘草根系總呼吸速率顯著低于其他時(shí)間的測(cè)定值,第3 d時(shí),各組處理組的呼吸速率明顯增大。處理第3 d、7 d、14 d和28 d測(cè)定的各組甘草根系呼吸值差異不大(P>0.05)。相同取樣時(shí)間各處理組間甘草根系總呼吸強(qiáng)度也不同,除第1 d外,各處理組間根系呼吸速率大小為:琥珀酸組>丙酮酸組>對(duì)照組。第1 d時(shí),丙酮酸組>琥珀酸組>對(duì)照組。
圖1 丙酮酸、琥珀酸對(duì)甘草根系總呼吸速率的影響
2.2 有機(jī)酸對(duì)甘草呼吸底物、中間物質(zhì)的影響
2.2.1 有機(jī)酸對(duì)甘草呼吸底物的影響
糖類(lèi)通過(guò)呼吸代謝產(chǎn)生各種有機(jī)酸和能量,是根系呼吸的底物。由表1可見(jiàn),丙酮酸處理組甘草根系的可溶性糖與對(duì)照組相比有所下降,是對(duì)照組的0.89倍;但淀粉含量與對(duì)照的1.08倍;琥珀酸處理組的可溶性糖和淀粉的含量均高于對(duì)照組,分別是是對(duì)照組的1.02倍和1.04倍。琥珀酸組甘草根系的可溶性糖和淀粉的含量分別為丙酮酸組1.15倍和1.04倍。各處理組甘草根系中可溶性糖和淀粉的含量沒(méi)有顯著性差異。
表1 不同處理組甘草呼吸代謝底物的含量及其方差分析±s)
2.2.2 對(duì)呼吸中間產(chǎn)物的影響
丙酮酸可以通過(guò)乙酰輔酶A和三羧酸循環(huán)實(shí)現(xiàn)生物體內(nèi)糖、脂肪和氨基酸間的相互轉(zhuǎn)化。因此丙酮酸和乙酰輔酶A是參與整個(gè)生物體基本代謝的中間物質(zhì)。丙酮酸和琥珀酸對(duì)甘草中間產(chǎn)物的影響如表2所示,不同處理組中丙酮酸和乙酶輔酶A含量有差異。各組間丙酮酸含量影響極顯著(P<0.01),丙酮酸組最高,達(dá)到84.65 μg/g,是對(duì)照組甘草的1.12%;琥珀酸組甘草的丙酮酸含量最低,是空白組和丙酮酸組的90.29%和80.87%。各組間乙酰輔酶A含量差異不顯著(P>0.05),丙酮酸組甘草中乙酶輔酶A含量較低,其含量為0.55 pmol/g,比對(duì)照組低14.54%;琥珀酸組甘草的乙酰輔酶A含量最高,為0.68 pmol/g,比對(duì)照組高0.05 pmol/g。
表2 不同處理組甘草中間產(chǎn)物的含量及其方差分析±s)
2.3 有機(jī)酸對(duì)甘草酸含量的影響
各處理組甘草中甘草酸含量有差異。丙酮酸組甘草酸含量高于其它兩組,分別為對(duì)照組和琥珀酸組的1.24倍和1.05倍。與對(duì)照組相比,琥珀酸組甘草根系中甘草酸含量略低,為0.240%,是對(duì)照組的0.97倍(見(jiàn)表3)。
表3 不同處理組甘草甘草酸含量及其方差分析表±s)
植物在呼吸代謝中能夠產(chǎn)生多種有機(jī)酸,丙酮酸和琥珀酸均是參與三羧酸循環(huán)(TCA)的重要中間物質(zhì),并對(duì)植物體的呼吸具有很強(qiáng)的刺激作用[10]。施加外源丙酮酸和琥珀酸能夠?qū)Ω什莸母岛粑a(chǎn)生促進(jìn)作用:除第1 d外,琥珀酸組甘草的根系總呼吸最強(qiáng),其次為丙酮酸組,對(duì)照組的甘草根呼吸值最小,并且琥珀酸的呼吸作用大于丙酮酸,這與TCA在呼吸作用的所占有較大比例[14]具有一致性。丙酮酸和琥珀酸處理影響了甘草根系總呼吸速率,對(duì)比相同取樣時(shí)間(除第1 d外),各組間差異趨勢(shì)基本一致:琥珀酸組甘草的根系總呼吸最強(qiáng),其次為丙酮酸組,對(duì)照組的甘草根呼吸值最小。說(shuō)明這兩種有機(jī)酸對(duì)甘草根系總呼吸具有促進(jìn)作用。
丙酮酸和琥珀酸可以影響甘草根系的呼吸底物和中間物質(zhì)含量,對(duì)呼吸底物具體的影響為:可溶性糖含量丙酮酸組最低,琥珀酸組含量最高,分別為對(duì)照組的0.89倍和1.02倍;淀粉含量丙酮酸組和琥珀酸組均高于對(duì)照組,分別是對(duì)照組的1.06倍和1.12倍。說(shuō)明加入丙酮酸可以增加可溶性糖的消耗,加入琥珀酸能夠增加糖類(lèi)的積累。丙酮酸處理顯著提高甘草根系中丙酮酸的含量,使乙酶輔酶A含量降低;琥珀酸處理使甘草根系中丙酮酸的含量減少,乙酶輔酶A含量升高。丙酮酸處理組丙酮酸含量差異極顯著(P<0.01),且其含量最多為84.65 μg/g,但乙酰輔酶A的含量卻最低為0.55 μg/g。
有機(jī)酸對(duì)甘草酸含量的影響丙酮酸組甘草酸含量高于其他兩組,分別為對(duì)照組和琥珀酸組的1.24倍和1.05倍。與對(duì)照組相比,琥珀酸組甘草根系中甘草酸含量略低,是對(duì)照組的0.97倍。在有氧條件下,丙酮酸分別經(jīng)丙酮酸脫氫酶復(fù)合體和丙酮酸羧化酶作用下催化形成乙酰輔酶A,乙酰輔酶A與草酰乙酸結(jié)合進(jìn)入三羧酸循環(huán)。本試驗(yàn)結(jié)果顯示,與其他兩組相比,丙酮酸處理組三羧酸循環(huán)增強(qiáng),乙酰輔酶A含量降低,說(shuō)明丙酮酸處理在提高甘草根系中丙酮酸含量的同時(shí)增強(qiáng)了三羧酸循環(huán),乙酰輔酶A消耗加快導(dǎo)致自身含量降低。同時(shí),丙酮酸組甘草酸含量比其他組含量高,說(shuō)明乙酶輔酶A作為甘草酸合成的初始供體,由于處在代謝的“分支點(diǎn)”,其含量高低對(duì)甘草酸積累有影響。
綜上所述,有機(jī)酸可以通過(guò)調(diào)節(jié)甘草的呼吸作用強(qiáng)弱來(lái)調(diào)節(jié)初生物質(zhì)與次生物質(zhì)的代謝。但是有機(jī)酸影響甘草酸積累的機(jī)理目前還不清楚。三羧酸循環(huán)的強(qiáng)弱可以直觀的反映植物的呼吸耗氧,所以我們推測(cè):有機(jī)酸對(duì)甘草酸積累的影響,很可能是通過(guò)影響甘草根系呼吸代謝中的三羧酸循環(huán)產(chǎn)生的。因?yàn)槿人嵫h(huán)一方面可以影響中間物質(zhì)的代謝,另一方面可以影響植物的能量代謝。三羧酸循環(huán)是物質(zhì)與能量的代謝中心,是根系呼吸代謝的重要樞紐,特別對(duì)以根和根莖類(lèi)藥材的中藥活性物質(zhì)的合成具有重要作用,期望通過(guò)進(jìn)一步的試驗(yàn)證實(shí)三羧酸循環(huán)與甘草酸的關(guān)系,為提高人工栽培甘草中甘草酸的含量提供理論依據(jù)。
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國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(No.81573524)
楊春寧(1990-),男,北京中醫(yī)藥大學(xué)2014級(jí)碩士研究生,主要從事中藥材質(zhì)量及調(diào)控機(jī)制研究工作。
孫志蓉*(1967-),女,副教授,碩士研究生導(dǎo)師,主要從事中藥質(zhì)量與開(kāi)發(fā)研究工作。
2016-02-18
R28
A
1002-2406(2016)05-0001-03
修回日期:2016-03-01