干旱区两种豆科植物（Rhynchosia minima与Senna italica）的季节代谢适应与抗氧化防御机制：生态弹性与药用价值的综合研究

本综述系统解析了干旱区豆科植物Rhynchosia minima与Senna italica在不同季节（夏/冬）中的代谢适应机制与抗氧化响应。研究通过GC–MS代谢组学、总酚（TPC）与总黄酮（TFC）含量测定及DPPH自由基清除实验，揭示冬季低温显著促进酚类、黄酮类化合物积累并增强抗氧化活性（如IC50值降低），同时发现物种特异性代谢通路（如谷胱甘肽代谢、泛醌生物合成）的富集。该研究为植物环境适应性机制及药用植物资源开发提供重要理论依据。

　　

引言

药用植物作为植物化学物质的重要来源，其产生的次生代谢物在植物防御病原体和环境胁迫中发挥关键作用，同时也对人类具有抗氧化、抗炎和抗癌等生物活性。其中，酚类物质因其能够中和活性氧（ROS）而被视为抗氧化活性的主要贡献者。本研究聚焦于豆科植物Rhynchosia minima（R. minima）和Senna italica（S. italica），这两种植物广泛分布于非洲和亚洲的干旱与半干旱地区，具有显著的生态韧性与传统药用价值。环境因子的季节性波动（如温度、光照和水分变化）可对植物造成胁迫，往往触发抗氧化剂等次生代谢物的生物合成以维持细胞氧化还原平衡。然而，关于R. minima和S. italica在季节性变化下的代谢谱及抗氧化能力的系统性研究仍较为缺乏。

材料与方法

植物样品采集于阿联酋沙迦大学花园，分别在2021年8月（夏季，最高温45°C）和2022年2月（冬季，最低温7°C）采集健康成熟叶片。样品经蒸馏水清洗、室温风干后研磨成粉，使用乙醇浸提并浓缩得到提取物。总酚含量（TPC）通过Folin–Ciocalteu法测定，以没食子酸当量（GAE）表示；总黄酮含量（TFC）采用铝氯化物比色法测定，以槲皮素当量（QE）表示。抗氧化活性通过DPPH自由基清除实验评估，并计算半数抑制浓度（IC₅₀）。代谢物分析采用气相色谱-质谱联用技术（GC–MS），结合多元统计分析与通路富集分析（使用MetaboAnalyst 6.0平台）。数据统计采用GraphPad Prism软件，进行双向方差分析（ANOVA），显著性水平设定为p < 0.05。

结果

代谢变异具有季节与物种特异性

代谢热图与主成分分析（PCA）显示，R. minima和S. italica的代谢谱存在明显的季节性和物种间差异。冬季R. minima表现出更高的代谢物丰度，聚类明显，表明其对冷胁迫具有更强的代谢适应；S. italica则呈现中等程度的代谢变化。PCA中PC1（65.2%）和PC2（24.4%）有效区分了物种与季节，证实代代谢响应受季节与环境因子的显著影响。

酚类代谢物的比较分析

维恩图显示，S. italica含有7种独特酚类化合物（如顺式白藜芦醇、槲皮素、山奈酚等），而R. minima则有6种独特化合物（如dl-α-生育酚、表没食子儿茶素、6-羟基黄酮-β-D-葡萄糖苷等）。两物种共享5种常见酚类物质（如α-生育酚、β-生育酚等）。热图分析进一步表明，R. minima在冬季具有更丰富的生物活性酚类谱系。

VIP评分分析揭示环境适应中的关键酚类物质

偏最小二乘判别分析（PLS-DA）的变量重要性投影（VIP）评分显示，dl-α-生育酚、α-生育酚、槲皮素和顺式白藜芦醇等是区分样品组别的关键代谢物，突显了生育酚类和黄酮类在植物环境适应中的重要作用。

季节变化影响酚类含量与抗氧化活性

R. minima在冬季的TPC比夏季高4.8%（1.05倍），且冬季TFC增加2.5倍；S. italica的TFC冬季较夏季增加1.57倍，但TPC无显著季节差异。抗氧化活性方面，两物种在冬季均显著增强：S. italica的IC₅₀从夏季144.89 μg/mL降至冬季84.25 μg/mL，R. minima的IC₅₀从98.34 μg/mL降至68.47 μg/mL。冬季特有的酚类物质（如R. minima中的表没食子儿茶素和S. italica中的槲皮素）与抗氧化能力提升密切相关。

黄酮类成分的比较分析

黄酮类含量呈现显著季节性波动，S. italica冬季槲皮素积累显著，R. minima则在冬季富集表没食子儿茶素和6-羟基黄酮-β-D-葡萄糖苷。夏季两物种的黄酮类合成均减少，表明黄酮代谢对低温胁迫的响应具有物种特异性。

冬季特异性代谢通路富集分析

基于冬季特异性代谢物的通路富集分析表明，两物种在冬季均显著激活缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸生物合成，甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢，半乳糖代谢及甘油酯代谢等通路。R. minima高度依赖谷胱甘肽代谢以中和ROS，S. italica则通过泛醌和萜醌生物合成以及α-亚麻酸代谢增强抗氧化调控。

夏季特异性代谢通路分析

夏季代谢适应中，两物种共同富集戊糖和葡萄糖醛酸相互转化、半乳糖代谢及脂肪酸生物合成通路。R. minima侧重不饱和脂肪酸生物合成和α-亚麻酸代谢，S. italica则富集苯丙氨酸代谢和抗坏血酸-谷胱甘肽代谢途径，反映其通过次级代谢产物 biosynthesis 和抗氧化体系应对热胁迫。

讨论

本研究揭示R. minima和S. italica通过季节性代谢重组应对环境胁迫，冬季低温促进酚类和黄酮类化合物积累，并增强抗氧化活性。物种间代谢策略存在差异：R. minima依赖生育酚和谷胱甘肽代谢增强氧化还原平衡，S. italica则通过槲皮素和泛醌类代谢应对冷胁迫。这种代谢灵活性不仅体现植物的生态适应性，也为药用植物资源开发提供依据——冬季采收可能获得更高生物活性的提取物。未来研究需深入探索年际变异、关键代谢物鉴定及其分子调控机制，以更全面理解植物环境适应与药用价值间的联系。

结论

R. minima和S. italica通过物种特异性和季节性的代谢调整增强其在干旱环境中的抗氧化防御能力。冬季代谢适应涉及关键通路（如谷胱甘肽代谢、泛醌生物合成）和生物活性化合物（如生育酚、黄酮类）的富集，直接贡献于植物的生态韧性与药用潜力。该研究为针对季节性优化药用植物采收策略及开发植物源抗氧化剂提供了科学基础。