野生与栽培百里香（Thymus satureioides）根际特性、精油化学组成及生物活性比较研究

《Plants》：Comparison of Wild and Field-Cultivated Thymus satureioides: Effects on Rhizosphere Properties, Essential-Oil Composition, and Biological Activities

　　

Thymus satureioides Coss. 是摩洛哥特有的一种具有高社会经济价值的药用和芳香植物，由于过度采挖以及对野生采集的持续依赖，其生存正日益受到威胁。可持续栽培可以减轻对自然种群的压力，但其对精油（essential oil, EO）化学组成、生物活性及相关微生物多样性的影响仍知之甚少。本研究比较了野生（WT）与栽培（CT）种群的EO得率、化学组成、抗氧化、抗菌和杀线虫活性，以及基于磷脂脂肪酸（PLFA）分析的土壤微生物多样性。气相色谱-质谱联用（GC-MS）分析分别在WT-EO和CT-EO中鉴定出18种和24种化合物。麝香草酚（thymol）和龙脑（endo-borneol）是两种精油的主要成分，其中麝香草酚在CT-EO中的含量（31.83%）高于WT-EO（24.79%），而龙脑分别占15.61%和16.37%。WT-EO还以独有樟脑（camphor, 0.28%）为特征。尽管CT植株的EO得率更高，但WT-EO表现出更强的生物活性。WT-EO表现出显著更高的抗氧化能力，在总抗氧化能力（TAC）（0.01对0.02 mg mL?1）、DPPH（0.30对0.60 mg mL?1）和ABTS（0.03对0.37 mg mL?1）测定中，其IC50值均低于CT-EO。WT-EO还表现出更强的抗菌活性，对大肠杆菌（E. coli）（2.5对3.8 mg mL?1）、铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）（2.5对3.8 mg mL?1）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）（0.04对0.50 mg mL?1）的最低抑菌浓度（MIC）更低。在最低测试浓度（5 μL mL?1）下，WT-EO诱导的杀线虫活性显著高于CT-EO，尽管两种精油在较高浓度下均达到近乎完全的幼蟲死亡率和卵孵化抑制率。WT土壤还支持更高的微生物生物量和与CT土壤不同的基于PLFA的微生物谱（9.53对3.77 μg g?1土壤）。这些发现支持栽培作为一种可持续生产策略，同时强调了保护WT种群作为化学和微生物多样性资源库的重要性。

一、研究背景与问题

唇形科（Lamiaceae）包含众多具有重要食品、化妆品和制药应用价值的芳香与药用植物。其中百里香属（Thymus L.）约有215种草本多年生植物和小灌木，以其芳香特性和多样的次生代谢产物而著称，主要分布于地中海地区。摩洛哥是百里香的重要分布区，报道有21种，其中13种为特有种。Thymus satureioides Coss.，当地称为“Zaater”或“Zaitra”，是主要分布于反阿特拉斯、中阿特拉斯和高阿特拉斯山脉干旱及半干旱地区的特有种，富含麝香草酚、香芹酚和迷迭香酸等生物活性化合物，具有抗氧化、抗炎和抗菌活性。

经济上，百里香在摩洛哥药用植物出口中排名第二，2023年出口额达616万美元，出口量1050公吨。然而，包括T. satureioides在内的多种野生百里香正面临过度采挖的威胁，目前摩洛哥仍有超过90%的芳香和药用植物生产依赖野生采集，对生物多样性保护和资源长期可持续性构成重大风险。栽培被视为减少野生采集依赖的可持续策略，但关于栽培对EO化学组成、生物活性及相关微生物多样性影响的认识仍十分有限。已有研究比较了野生与栽培T. satureioides的EO产量和化学组成差异，但均未考察这些化学和生物学变化背后的土壤环境，尤其是栽培引起的土壤微生物功能群变化、土壤理化特性、EO组成与生物活性之间的关系，且杀线虫活性此前未与抗氧化和抗菌特性一同评估。因此，本研究旨在通过比较野生与栽培种群的EO得率、化学组成、抗氧化、抗菌和杀线虫活性，以及基于PLFA分析的土壤理化性质和微生物群落结构，对栽培效应进行综合评估。

二、研究内容与主要技术方法

研究人员在摩洛哥马拉喀什Sidi Rahal地区（海拔830 m，北纬31°40′7″，西经7°21′54″）选取野生和栽培T. satureioides种群各一个样地，两者海拔差小于50 m，气候生态条件一致。栽培样地种植前至少休耕五年，栽培植株由当地野生插条繁殖，种植密度约6株m^?2，采用滴灌，仅偶尔施用堆肥农家肥，不施合成肥料或农药，采样时栽培植株为两年生。研究采用的主要关键技术方法包括：水蒸气蒸馏法提取精油；气相色谱-质谱联用（GC-MS）分析精油化学组成；磷脂脂肪酸（PLFA）分析测定土壤微生物群落结构；X射线荧光（XRF）分析土壤矿物组成；ABTS、DPPH、FRAP和TAC四种方法评估抗氧化活性；微量肉汤稀释法测定抗菌活性；直接接触法评估杀线虫活性。

三、研究结果

3.1 根际土壤理化性质

栽培土壤（CT-soil）与野生土壤（WT-soil）理化性质差异显著。两种土壤均呈碱性，但CT-soil的有机质（1.31%对0.31%）、石灰含量（41.94%对36.41%）、电导率（113.16对46.06 μs cm^?1）和水分含量（25.82%对6.12%）均显著高于WT-soil。XRF分析显示，CT-soil的SiO₂（25.31%对27.34%）和Na₂O（0.23%对2.60%）含量较低，而CaO（18.38%对14.71%）、Fe₂O₃和Al₂O₃含量较高，总氧化物含量略高（79.57%对77.98%）。

3.2 PLFA微生物群落分析

PLFA分析显示WT-soil的总微生物生物量（9.53 μg g^?1）显著高于CT-soil（3.77 μg g^?1）。WT-soil中革兰氏阴性菌（4.80对1.77 μg g^?1）、革兰氏阳性菌（2.45对1.38 μg g^?1）、丛枝菌根真菌（AMF）（1.57对0.30 μg g^?1）和其他真菌群（0.73对0.34 μg g^?1）的丰度均更高。

3.3 精油得率与化学组成

CT植株的EO得率（1.60 ± 0.09%）高于WT植株（1.00 ± 0.12%）。GC-MS分析在WT-EO中鉴定出18种化合物，在CT-EO中鉴定出24种。两种精油的主要成分均为麝香草酚和龙脑，麝香草酚在CT-EO中含量更高（31.83%对24.79%），龙脑分别占15.61%和16.37%。WT-EO独有樟脑（0.28%），而β-月桂烯、α-松油烯、萜品烯-4-醇和石竹烯仅在CT-EO中检出。

3.4 生物活性

抗氧化活性方面，WT-EO在TAC（IC₅₀ 0.01对0.02 mg mL^?1）、DPPH（0.30对0.60 mg mL^?1）和ABTS（0.03对0.37 mg mL^?1）测定中均表现出显著更强的活性。抗菌活性方面，WT-EO对大肠杆菌（MIC 2.5对3.8 mg mL^?1）、铜绿假单胞菌（2.5对3.8 mg mL^?1）、海氏肠球菌（0.05对0.10 mg mL^?1）和金黄色葡萄球菌（0.04对0.50 mg mL^?1）的MIC值均更低，对尖孢镰刀菌的抗真菌活性也更强（0.155对0.187 mg mL^?1）。杀线虫活性方面，在5 μL mL^?1浓度下WT-EO诱导的爪哇根结线虫（Meloidogyne javanica）幼蟲死亡率和卵孵化抑制率显著高于CT-EO，但在10和15 μL mL^?1浓度下两种精油均达到近乎完全的致死效果。

3.5 热图相关性分析

热图分析显示，WT样品中多种生物活性参数之间存在强正相关（r > 0.90），包括对金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌的抗菌活性、对镰刀菌的抗真菌活性以及DPPH、TAC和FRAP抗氧化测定；CT样品则呈现更异质的相关模式。

四、讨论与结论

讨论部分指出，WT-EO与CT-EO在主要萜类化合物相对丰度上的差异可能部分解释生物活性的差异。麝香草酚作为两种精油的主要成分，在CT-EO中含量更高，但并未对应更强的生物活性，表明EO生物活性取决于整体化学谱及各组分间的相互作用，而非单一主要化合物。WT-EO中含量较高或独有的T-木罗醇、D-柠檬烯和石竹烯氧化物等次要单萜和倍半萜可能通过与主要成分的相互作用增强活性。化学差异源于生物合成和非生物条件，土壤化学组成和养分有效性可影响次生代谢产物生物合成。根据碳-养分平衡假说，养分限制可能促进碳资源向萜烯等次生代谢物分配。此外，野生土壤更高的微生物生物量和功能群信号提示根际微生物可能通过调节植物生长、胁迫响应、养分获取和信号通路影响次生代谢。但研究人员强调，PLFA分析仅提供微生物生物量和功能群信息，热图相关性应视为描述性关联而非因果证据；野生和栽培种群各仅代表一个样地，观察到的差异不能完全归因于栽培本身，未来需开展多点重复研究和微生物操控实验以建立因果关系。

研究结论为：在所调查的特定野生种群和栽培样地条件下，栽培与T. satureioides的EO产量、化学组成、生物活性和基于PLFA的微生物谱变化相关。栽培实践应不仅关注植物生长和产量，还应注重维持可能促进次生代谢物产生的土壤性质和微生物功能。改善土壤管理和减少土壤扰动可能有助于在栽培植物中保持理想的EO特性，同时促进可持续生产并减轻对野生种群的采挖压力。但研究结果仅限于所调查的特定种群和样地，需在不同环境中进一步验证。