红蓝光质调控薄荷精油单萜与倍半萜生物合成的代谢工程研究及其对品质提升的意义

《Food and Chemical Toxicology》：Influence of red- and blue-dominant light spectra on the biosynthesis of mono- and sesquiterpenes in mint ( Mentha × piperita) essential oil

本研究针对温室栽培中光谱调控对薄荷精油品质的影响，利用LED光源精准调控红蓝光质比，发现红光主导光谱（600–700 nm）可显著降低肝毒性成分pulegone（≤30%）和menthofuran（10%），同时提升高价值成分menthone（58%）和menthol（45%）含量，为可控环境农业中精油代谢工程提供了重要策略。

　　

随着气候变化导致户外种植条件日益不稳定，温室栽培药用植物逐渐成为保障药材品质的重要方式。薄荷（Mentha × piperita）作为食品和制药行业的关键经济作物，其精油中的单萜和倍半萜类成分具有抗菌、抗氧化和抗炎等多种生物活性。然而，薄荷精油中的pulegone和menthofuran等成分具有潜在肝毒性，其含量受到欧洲药典严格限制（pulegone <3%，menthofuran 1%–8%）。传统栽培中，干旱、高温和重金属胁迫等因素会诱导menthofuran合成酶（MFS）活性上升，导致有毒成分积累。因此，如何通过环境调控手段降低毒性成分、提升有效成分含量，成为薄荷品质调控的核心问题。

在这一背景下，波恩大学食品化学研究所团队在《Food and Chemical Toxicology》发表研究，通过LED光源精确调控光质，探究红光（600–700 nm）与蓝光（400–500 nm）主导光谱对薄荷精油成分生物合成的影响，为可控环境农业中的代谢工程提供了新思路。

本研究主要采用水培深液流栽培系统（Deep-Water Culture），在气候室中控制光周期为16 h/8 h（昼/夜），温度22°C/16°C，相对湿度65%。使用Secret Jardin-Agomoon LED灯条分别提供蓝光主导（COL4065，PPFD=119 μmol/m2/s）、红光主导（COL40BL，PPFD=108 μmol/m2/s）和全光谱对照光源。通过气相色谱-飞行时间质谱（GC×GC-TOF-MS）分析精油成分，并利用数字显微镜（VHX 700）统计腺毛密度。样本包括三种基因型：'Multimentha'（MM）、'Fr?nkische Blaue'（FB）和'White Peppermint Spearmint'（WPS），均来源于波恩大学Campus Klein-Altendorf种质资源库。

3.1. 形态与精油产量

蓝光处理下植株矮化、精油产量最低（561±75 μL），而红光处理下植株较高，精油产量（688±22 μL）与对照无显著差异。红光促进植株伸长，但蓝光抑制光敏色素效应，导致紧凑型生长，有利于提升空间利用效率。

3.2. 腺毛密度

腺毛主要分布于叶片背面（abaxial），密度约为正面（adaxial）的4倍。红光处理使MM腺毛密度显著增加（较对照提升2/3），而FB基因型则呈现相反趋势，表明光质响应具有基因型特异性。

3.3. 精油成分分析

GC×GC-TOF-MS鉴定出13种单萜和3种倍半萜。红光处理使pulegone含量降低31%，menthofuran降低10%，同时menthone和menthol分别增加58%和45%。这表明红光激活pulegone reductase（PR），促进pulegone向menthone转化，并抑制menthofuran synthase（MFS）活性。蓝光处理则导致menthofuran含量最高。

3.4. 品种间差异

不同基因型对光响应差异显著：MM在红光下腺毛密度最高，而FB则降低；日本薄荷（Mentha canadensis）在红光下pulegone和menthofuran含量反而上升，说明光调控机制具有种属和品种特异性。

3.5. 感官评价

三角测试表明，尽管红光处理显著改变精油成分比例，但感官上无法区分处理组与对照组，说明成分变化未显著影响香气特征。

本研究通过光质调控成功实现了薄荷精油成分的定向优化，红光光谱显著促进pulegone向menthone的转化，抑制毒性成分积累，为可控环境农业中的代谢工程提供了实用策略。未来需进一步探究光信号如何调控PR、MFS等关键酶的基因表达，以及水力栽培系统和采收后处理对成分转化的影响。该研究不仅提升了薄荷精油的商业价值，也为其他药用植物的光调控栽培提供了理论依据。