《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Spectroscopic analysis reveals an opposite pattern between carnosic and rosmarinic acids concentration in rosemary (
Salvia rosmarinus)
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本研究针对迷迭香中两种主要活性成分——鼠尾草酸(CA)和迷迭香酸(RA)含量难以快速无损检测的问题，通过多平台光谱技术(田间冠层、无人机遥感和叶片粉末光谱)系统分析了二者的光谱响应模式。研究发现CA与RA在可见-近红外光谱区呈现稳定的相反响应模式，这种模式与它们的化学结构、组织定位及生理功能差异密切相关，为植物次生代谢物高通量监测提供了新方法。
迷迭香(Rosmarinus officinalis L.)作为一种重要的药用植物，其活性成分鼠尾草酸(carnosic acid, CA)和迷迭香酸(rosmarinic acid, RA)具有显著的抗氧化、抗菌和抗炎活性，在食品、医药和化妆品领域具有广泛应用价值。然而，传统化学分析方法如高效液相色谱(HPLC)虽然准确，但存在破坏样本、成本高、效率低等局限性，难以满足大规模田间监测和品质控制的需求。植物次生代谢物的积累受到基因型、环境和管理措施(G×E×M)相互作用的复杂调控，因此开发快速、无损的检测方法对于迷迭香品质育种和精准栽培具有重要意义。
可见-近红外(Vis-NIR)光谱技术作为一种快速、无损的分析手段，已广泛应用于植物生理参数检测。然而，对于化学结构相似但生理功能各异的次生代谢物，其光谱响应特性及检测可行性尚不明确。特别是CA和RA在迷迭香中分别定位于不同的细胞区室：CA作为脂溶性二萜类化合物主要储存于叶表面的腺毛和叶绿体中，而RA作为水溶性酚酸则主要分布于叶肉细胞的液泡内。这种亚细胞定位的差异可能导致它们在Vis-NIR光谱中表现出不同的响应模式，但这一假设尚未得到系统验证。
为了解决这些问题，研究人员在《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》上发表了一项创新性研究，系统探讨了迷迭香中CA和RA含量的光谱检测特性。该研究通过整合田间冠层光谱、无人机高光谱遥感以及实验室叶片粉末光谱等多平台数据，结合化学计量学方法，首次揭示了CA与RA在Vis-NIR光谱区存在的稳定相反响应模式，为理解植物次生代谢物的光谱特性提供了新的见解。
本研究采用了多项关键技术方法：研究材料来自两个实验点(大学实验站和商业化生产基地)的115个迷迭香基因型，跨2022-2024年多个生长季进行采样。通过高效液相色谱(HPLC)精确测定CA和RA含量作为参考数据。光谱数据采集采用三平台并行策略：田间冠层光谱使用手持地物光谱仪(350-2500 nm)；无人机平台搭载高光谱成像系统(400-1000 nm)；实验室测量干燥粉末样品的光谱(400-2500 nm)。数据分析采用相关性分析、归一化差值光谱指数(NDSI)和偏最小二乘(PLS)回归等多种化学计量学方法，并进行了严格的错误发现率(FDR)校正以控制假阳性。
时序变化揭示CA与RA含量的相反模式
对2022-2024年监测数据的分析显示，迷迭香样品中CA含量始终高于RA，CA/RA比值稳定在4-5倍左右，表明两种酸存在于明显不同的浓度范围内。CA的分布呈右偏态，且变异系数(CV)高于RA，反映了CA作为叶绿体相关抗氧化剂对短期环境变化的响应能力更强。相比之下，RA表现出较低的变异性，与其作为液泡储存防御物质的功能一致。条件累积分布函数(CDF)分析进一步证实，高RA水平伴随着较低CA水平的概率增加，反之亦然，这种相反关系在统计学上显著。
多平台光谱分析一致显示相反光谱响应
单波段相关性分析发现，在可见光区域，CA在主要吸收特征(450 nm和660 nm)处呈现正相关，而RA则显示负相关。这种差异可能与CA在腺毛中的定位有关，腺毛作为光学界面可增强表面散射。而在绿峰区域(550 nm)，CA相关性转为负值，RA转为正值，反映了二者与色素含量的不同关系。在红边区域(720 nm)，相反模式最为明显，CA与反射率负相关，RA正相关。近红外高原区(760-1350 nm)，二者均呈负相关，可能反映了与叶片水合状态的协同变化。
NDSI分析进一步支持了这种相反模式。涉及550 nm波长的指数倾向于与CA负相关、与RA正相关，而与660 nm波段相关的指数则呈现相反趋势。这种模式在田间冠层光谱和叶片粉末光谱中均保持一致，但在粉末样品中更为明显，表明脱水处理后水分吸收干扰减小，化学本质差异更加突出。
PLS回归系数揭示关键光谱特征
通过分析标准化PLS回归系数，研究识别出多个CA与RA呈现相反响应的重要波长区域。在590 nm处(非氢键O-H伸缩五倍频)，CA系数为负，RA为正，反映了RA富含羟基的化学特性。在615 nm处(叶绿素电子跃迁)，由于二阶导数(SD)预处理导致的符号反转，CA系数为正，RA为负，符合CA与光合色素的密切关系。在995 nm(O-H伸缩三倍频)和1030 nm(O-H与C-O组合频)等羟基相关区域，RA均显示正系数，CA为负，与RA的亲水性质一致。而在1180-1195 nm(C-H伸缩二倍频)和1380 nm(C-H伸缩与CH3变形组合)等甲基丰富区域，CA为正，RA为负，反映了CA结构中较多的甲基取代基。
标准品光谱验证结构基础差异
对CA和RA标准品的Vis-NIR反射光谱分析显示，RA在整个光谱范围内反射率均高于CA，这与RA为白色至浅米色晶体、CA为淡黄至深黄色晶体的物理特性一致。一阶导数光谱进一步揭示了二者在C-H和O-H振动区域的明显差异：CA在C-H主导区域(～1180和1680-1750 nm)显示尖锐吸收，而RA在O-H倍频/组合频区域(～1450和1930-2000 nm)呈现宽化吸收，反映了CA的脂溶性骨架和RA的强氢键网络差异。
营养元素关联支持生理功能分化
CA与RA含量与叶片营养元素的相关性分析进一步支持了它们的生理功能差异。CA与碳(C)、氮(N)、镁(Mg)和铜(Cu)呈正相关，这些元素与光合作用和叶绿体功能密切相关，符合CA在光合组织中的定位。相反，RA与这些光合营养元素负相关，但与钙(Ca)、锰(Mn)和锌(Zn)正相关，这些元素参与苯丙烷代谢途径的调控，与RA的防御功能一致。
环境响应揭示相反积累动态
2024年3月5日的采样数据显示了一个重要转变：CA含量显著下降(均值3.2%)，而RA含量上升(均值2.2%)，导致CA/RA比值降至1.8，不足前两年的一半。这种相反变化可能与冬季波动条件引起的氧化应激有关：CA作为活性抗氧化剂被消耗，而RA作为储存型防御物质积累。相应地，光谱响应模式也发生改变，可见光区CA相关性由正转负，红边交点从760 nm蓝移至705 nm，反映了叶绿素含量减少导致的"红化"现象。
研究结论与讨论部分强调，本研究通过多平台光谱分析，首次系统揭示了迷迭香中CA与RA含量存在的稳定相反光谱响应模式。这种相反模式源于二者不同的化学结构、亚细胞定位和生理功能：CA作为脂溶性二萜定位于叶表面腺毛和叶绿体，主要功能为光保护；而RA作为水溶性酚酸储存于液泡，主要起化学防御作用。这种本质差异使得它们在Vis-NIR光谱中表现出可区分的特征。
该研究的意义在于：理论上，深化了对植物次生代谢物光谱特性的理解，揭示了化学结构-组织定位-光谱响应之间的内在联系；方法上，建立了CA和RA的无损检测方法，为高通量植物表型分析提供了技术支持；应用上，为迷迭香品质育种、栽培管理和收获期判断提供了实用工具，对药用植物产业发展具有重要价值。
值得注意的是，这种相反模式在田间冠层、无人机遥感和实验室粉末光谱中均保持一致，且在不同年份和地点间具有稳定性，表明其具有较好的普适性。Vis-NIR光谱技术能够在大规模田间监测中应用，为植物次生代谢物研究提供了新的技术途径。
