编辑推荐：
为提升茜草（Rubia cordifolia L.）次生代谢产物产量，研究人员用纳米粒子处理离体幼苗，发现低浓度 CuO NPs 效果佳，具应用潜力。
在植物的世界里，茜草（Rubia cordifolia L.）可是个 “宝藏植物”。它属于茜草科，是一种多年生的攀爬草本植物，有着细长的红色根，不仅能当作天然染料，为织物染上漂亮的颜色，还在传统医学领域发挥着重要作用，能治疗诸如伤口、溃疡、皮肤病等多种疾病。在过去，人们就常常用它来染头发、烹饪和制作纺织品。如今，随着人们对天然产品的追求日益增加，茜草中的天然染料，像茜素（Alizarin）和紫红素（Purpurin），因其环保、低毒等优点，受到了纺织行业的青睐。
然而，天然染料的生产面临着一个大问题。由于植物资源有限，合成染料在市场上占据了主导地位。虽然合成染料产量大、应用广泛，但它们存在诸多弊端，比如不可降解、毒性大等，对环境和人体健康都有潜在威胁。与此同时，植物组织培养技术不断发展，利用离体培养来生产高价值化合物成为了研究热点。而纳米技术的兴起，更为这一领域带来了新的机遇。研究发现，纳米粒子（NPs）可以作为激发子（elicitor），刺激植物产生更多的次生代谢产物。于是，为了提高茜草离体培养中次生代谢产物的产量，来自南非约翰内斯堡大学激光研究中心、印度圣约瑟夫学院等机构的研究人员开展了一项研究，该研究成果发表在《Plant Cell, Tissue and Organ Culture (PCTOC)》上。
研究人员在实验中运用了多种关键技术方法。首先是纳米粒子的生物合成，他们从茜草的茎提取物中成功合成了生物相容性良好的六边形氧化锌纳米粒子（ZnO NPs）和单斜球形氧化铜纳米粒子（CuO NPs）。接着，通过紫外 - 可见光谱（UV - Vis）、X 射线粉末衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等多种表征技术，对合成的纳米粒子进行了全面分析，确定了它们的结构、形貌和尺寸等特性。在植物培养方面，将茜草的离体幼苗在添加不同浓度纳米粒子的培养基中培养，之后对培养后的植株进行甲醇提取，并运用高效薄层色谱（HPTLC）、高分辨率液相色谱 - 质谱（HR - LCMS）等技术，分析次生代谢产物的变化情况，还通过总酚含量（TPC）、总黄酮含量（TFC）测定以及抗氧化活性（DPPH 和 ABTS 法）检测，评估纳米粒子处理对植株的影响。
研究结果如下：
- 纳米粒子的表征：UV - Vis 光谱显示，ZnO NPs 和 CuO NPs 分别在 370nm 和 285nm 处有最大吸收峰。XRD 分析表明，ZnO NPs 呈六边形结构，CuO NPs 为单斜晶系结构，通过 Debye - Scherrer 公式计算得出，ZnO NPs 和 CuO NPs 的平均粒径分别为 17.9nm 和 28.35nm。FTIR 光谱确认了植物提取物中参与纳米粒子合成的生物分子的功能基团。SEM 和 TEM 图像显示，ZnO NPs 呈四面体形状，部分聚集成簇，CuO NPs 则为不规则球形，也有团聚现象。
- 对离体培养茜草的影响：研究发现，纳米粒子对茜草的生物量和次生代谢产物产生了显著影响。与未处理组相比，处理后的幼苗生物量有所下降，且高浓度的纳米粒子对生物量的影响更为明显。不过，在次生代谢产物方面，CuO NPs 处理组的染料含量比 ZnO NPs 处理组更高。尤其是 0.1mg/L CuO NPs（RCu1）处理组，其紫红素和茜素的含量最高，这表明抑制植物生长可能与高代谢和次生代谢产物的产生相关。
- 对总酚和黄酮含量及抗氧化活性的影响：在总酚和黄酮含量方面，虽然各处理组的总酚含量没有显著差异，但 RCu1 处理组的总黄酮含量相比对照组显著增加。抗氧化活性测试结果显示，除 RCu2 处理组外，其他处理组的 IC50值均显著降低，表明 ZnO NPs 和 CuO NPs 都具有抗氧化性，而 RCu1 处理组的 IC50值最低，抗氧化活性最强。
- 植物化学分析：HR - LCMS 分析发现，RCu1 处理组和对照组的植物化学成分存在差异。一些黄酮类化合物，如（ + ）槐醇、β - 香豆素等，只在处理组中被检测到，而另一些化合物，如莫林达帕文 A、肉桂醛等，在两组中都存在。这表明 0.1mg/L CuO NP 处理对植物的黄酮类化合物等次生代谢产物的产生或积累有明显影响。
- 拉曼光谱分析：拉曼光谱分析显示，RCu1 处理组的根样品中，CuO 被还原为 Cu2O，且紫红素和茜素等蒽醌色素的含量增加。这进一步证明了 CuO NPs 处理对茜草次生代谢产物的促进作用。
研究结论和讨论部分指出，不同浓度的金属纳米粒子对茜草代谢产物的质量和数量有不同影响。低浓度（0.1mg/L 和 1mg/L）的纳米粒子可作为激发子，促进茜草次生代谢产物的合成，其中 CuO NPs 效果最为显著，其处理后的植株含有多种具有高抗氧化潜力的化合物，如黄酮类、生物碱和酚类物质。然而，当纳米粒子浓度升高到 100mg/L 时，对次生代谢产物合成的促进作用减弱。虽然低浓度纳米粒子会使植株生物量降低，但却能使茜素和紫红素的积累增加 2 - 3 倍。该研究结果对于利用茜草提取染料的纺织行业，以及开发植物源抗氧化剂的制药行业具有重要意义，为提高植物次生代谢产物产量提供了新的思路和方法。不过，纳米粒子对生物活性化合物生产的具体影响还需要进一步研究，未来可通过量化茜素和紫红素，以及深入研究次生代谢产物生物合成途径的修饰，更全面地了解纳米粒子对植物的作用机制。
