基于多维组学与深度学习的不同来源川贝母质量评价与产地溯源研究

《Frontiers in Plant Science》：Multidimensional quality evaluation and traceability study of Fritillariae Cirrhosae Bulbus from different sources

本研究整合非靶向代谢组学(UPLC-MS/MS)、生物碱靶向定量、矿物营养元素分析(ICP-MS)及高光谱成像技术，系统揭示不同来源川贝母(Fritillariae Cirrhosae Bulbus, FCB)的代谢与成分差异，并构建基于残差网络(ResNet)的深度学习溯源模型，为中药材多维质量评价和精准溯源提供创新方法学框架。

　　

引言

川贝母(Fritillariae Cirrhosae Bulbus, FCB)作为百合科贝母属植物的干燥鳞茎，具有2000多年的药用历史，被广泛应用于止咳化痰、抗炎抗癌等210余种中成药。由于野生资源再生能力弱且受环境破坏影响，所有野生FCB源植物均被列为国家二级保护植物，人工栽培品种已成为主要供应来源。不同产地的生态环境和栽培方式显著影响FCB的质量与功效，因此建立多维质量评价体系和精准溯源技术对保障中药材质量一致性至关重要。

材料与方法

研究收集了90份来自四川省不同产区的FCB样本（包括川主寺镇野生样本CZS-FC、安宏乡人工栽培AH-AC、亦姆乡人工栽培YM-AC、八美镇组织培养BM-TC和色卡乡镇野生样本SK-FC），从代谢组学、生物碱定量、元素分析和光谱技术四个维度开展分析：

1. 1.

   采用超高效液相色谱-串联质谱(UPLC-MS/MS)进行非靶向代谢组学分析，通过Compound Discoverer 3.1软件处理数据，KEGG数据库进行通路富集分析

2. 2.

   使用TSQ-Fortis三重四极杆质谱仪对4种主要甾体生物碱（贝母辛peimisine、帝贝灵imperialine、贝母素乙peiminine、贝母素甲peimine）进行靶向定量

3. 3.

   通过微波消解-电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)技术测定8种矿物营养元素（K、Na、Mn、Fe、Al、Cu、Mg、Zn）含量

4. 4.

   运用手持式HY-6010高光谱成像仪（400-1000 nm）采集光谱数据，并基于MATLAB生成三维相关光谱(3DCOS)图像

5. 5.

   分别构建偏最小二乘判别分析(PLS-DA)模型和12层ResNet深度学习模型进行产地判别分析

结果与讨论

非靶向代谢组学分析发现不同来源FCB存在8652个共有代谢物，其中脂质和脂样分子占比最高（30.25%）。PLS-DA模型能有效区分CZS-FC、AH-AC和BM-TC样本，但难以区分同属甘孜州道孚县的SK-FC和YM-AC样本。KEGG通路富集显示差异代谢物主要富集在23条通路，包括精氨酸和脯氨酸代谢、萜类和聚酮类生物碱生物合成等关键代谢途径。

靶向生物碱定量分析揭示显著的地域分布特征：色卡乡镇野生样本(SK-FC)积累较高水平的贝母辛（120.69-197.36 μg/g）、帝贝灵（64.71-253.62 μg/g）和贝母素乙（1.53-17.17 μg/g），而八美镇组织培养样本(BM-TC)独特富含贝母素甲（64.13-107.42 μg/g）。这表明地理环境和栽培方式调控着生物碱的生物合成途径，组织培养技术可能通过培养基碳源类型和浓度调节贝母素甲的生物合成。

矿物元素分析显示BM-TC样本元素积累最高，可能与营养丰富的培养基有关；CZS-FC样本优先积累Al/Fe/Mn/Na元素（Al:43.85-52.94 mg/kg；Fe:70.30-115.85 mg/kg），AH-AC样本则富含K/Mg/Zn/Cu元素（K:7239.18-13342.10 mg/kg）。相关性分析发现大多数元素与贝母素乙和贝母素甲呈正相关，而与贝母辛和帝贝灵呈负相关，为元素介导的次生代谢调控机制研究提供了新方向。

高光谱分析显示所有样本在750、800、840和970 nm处存在特征吸收峰，分别对应有机化合物C-H振动、黄酮成分、糖类化合物O-H振动和水分含量。组织培养样本(BM-TC)在460-750 nm范围内整体值较低，可能与生长周期较短导致的化学成分积累差异有关。

溯源模型构建中，传统PLS-DA模型出现大量重叠区域，而基于3DCOS图像构建的ResNet模型在测试集达到100%准确率，外部验证集准确率达86.67%（15个样本中13个正确分类）。误分类样本主要发生在地理邻近或化学成分相似的样本间，表明模型对微观化学指纹具有高度识别能力。

结论

本研究通过"代谢-成分-环境"多维分析框架，揭示了地理起源和栽培方式对FCB质量特征的显著影响，证实了土壤养分、气候变量和栽培实践等因素共同塑造了FCB的化学异质性。所建立的3DCOS-ResNet溯源模型为中药材产地识别提供了高效方法，为FCB资源的进一步开发和利用提供了理论基础和技术支持。未来研究应着重开展跨区域验证、整合环境协变量与农艺指标构建三方决策模型，并将该多维分析框架推广至其他地理敏感性药材的质量溯源研究。