驯化与蒸馏副产物增值对西班牙香薄荷（Satureja montana）精油及纯露提取物的杀线虫、杀蜱及昆虫拒食活性的影响：化学成分、生物活性与细胞毒性评价

《Agronomy》：Biocidal Valorization of Essential Oils and Hydrolate-Derived Extracts from a Domesticated Spanish Satureja montana: Chemical Composition, Nematicidal, Ixodicidal and Insect Antifeedant Activities

　　

芳香植物的驯化以及蒸馏副产物的增值利用，为开发可持续的植物源农药提供了有前景的策略。本研究评估了从西班牙种质资源中筛选出的母本群体（CMSAMO1）和驯化群体（SAMO1）的香薄荷（Satureja montana）所获得的精油（essential oils, EOs）及纯露提取物的化学成分和杀生物活性。通过气相色谱-质谱联用（GC-MS）进行的化学表征显示，香芹酚（carvacrol）和百里香酚（thymol）是EOs和二氯甲烷萃取纯露有机组分（WRD）中的主要成分，而活性炭吸附纯露提取物（WRC）则富含百里醌（thymoquinone）。研究人员评估了这些提取物对根结线虫 Meloidogyne javanica、蜱虫 Hyalomma lusitanicum 以及农业害虫 Spodoptera littoralis 和 Myzus persicae 的生物活性。所有提取物均表现出强烈的杀线虫活性，半数致死浓度（LD50）范围为0.079至0.323 μg μL?1，并在温室条件下显著降低了番茄植株上的线虫繁殖量。与EOs相比，纯露衍生的组分显示出持续的卵孵化抑制效果。针对 H. lusitanicum，来自驯化群体的提取物比来自母本植物的提取物更具活性，其中WRD组分表现出最高的杀蜱活性和持久的驱避性。拒食实验表明，提取物对 M. persicae 的效果强于对 S. littoralis 的效果，尤其是纯露衍生组分。香芹酚、百里香酚和百里醌被确定为主要生物活性代谢物，主成分分析（principal component analysis, PCA）证实了它们与生物活性的关联。细胞毒性实验表明，香芹酚和百里香酚对蜱虫细胞具有良好的选择性。这些发现表明，香薄荷的驯化和纯露增值能够增强化学性质稳定、具有生物活性的提取物的生产，使其适用于循环经济框架下的可持续生物农药开发。

研究背景与科学问题

植物源农药因其环境友好和不易产生抗药性等优点，成为替代合成农药的重要方向。香薄荷（Satureja montana L.）作为一种传统药用和香料植物，其精油（essential oil, EO）富含酚类单萜（如香芹酚carvacrol和百里香酚thymol），展现出广泛的抗菌、杀虫和杀线虫活性。然而，野生香薄荷精油的化学成分受遗传、地理和环境因素影响巨大，这种变异性严重制约了标准化植物源产品的商业化开发。此外，精油蒸馏过程中会产生大量被称为纯露（hydrolate）的水相副产物，通常被视为低价值废弃物。因此，如何通过驯化获得化学成分稳定的优良种质，并对蒸馏副产物进行高值化利用，成为推动香薄荷基生物农药可持续发展的关键科学问题。本研究旨在探究驯化对香薄荷化学成分和生物活性的影响，并评估从纯露中回收活性代谢物的潜力，以期为开发标准化、高效且经济的植物源农药提供新策略。

研究方法概述

研究人员从西班牙预驯化种质（SAMO 0）出发，通过选择育种培育出驯化群体（SAMO1），并以母本群体（CMSAMO1）作为对照。研究采用水蒸馏法和水蒸气蒸馏法分别制备实验室级和放大规模的精油，并通过二氯甲烷萃取和活性炭吸附两种方式从纯露中回收有机组分（WRD和WRC）。利用气相色谱-质谱联用（GC-MS）技术对所有提取物的化学成分进行鉴定与分析。在生物活性方面，研究人员系统评估了各提取物及其主要单体化合物对南方根结线虫（Meloidogyne javanica）的杀线虫活性（包括体外杀幼虫、卵孵化抑制及盆栽试验）、对蜱虫（Hyalomma lusitanicum）的杀蜱和驱避活性，以及对斜纹夜蛾（Spodoptera littoralis）和桃蚜（Myzus persicae）的拒食活性。同时，通过人肺成纤维细胞（LC5）和蓖子硬蜱细胞系（IRE/CTVM20）进行细胞毒性实验，评估活性化合物的选择性指数。最后，运用主成分分析（principal component analysis, PCA）探讨化学成分与生物活性之间的关联。

研究结果

3.1 精油与纯露提取物的化学成分

所有提取物均以酚类单萜为主，主要是香芹酚和百里香酚。水蒸馏得到的母本精油（CMSAMO1HD）呈现典型的香芹酚化学型（含58.3%香芹酚）。与母本群体相比，驯化群体（SAMO1）的蒸汽蒸馏精油中百里香酚和反式石竹烯含量升高。二氯甲烷萃取的纯露有机组分（WRD）高度富集酚类物质，而活性炭吸附的纯露提取物（WRC）则呈现出独特的化学成分谱，富含百里醌（thymoquinone, 24.4%）。聚类分析表明，提取方法对化学成分的影响大于植物来源。

3.2 生物活性

3.2.1 对南方根结线虫的致死活性

所有提取物均表现出强大的杀线虫活性，对二龄幼虫（J2）的半致死浓度（LD₅₀）介于0.079至0.323 μg μL^?1之间。其中，母本水蒸馏精油（CMSAMO1HD）活性最强。在纯化合物中，百里香酚和香芹酚是最有效的杀线虫成分。

3.2.2 对蜱虫的致死活性

驯化群体的提取物对蜱幼虫的杀灭活性一致地高于母本群体。其中，驯化群体的二氯甲烷纯露组分（SAMO1WRD）活性最高（LD₅₀=0.14 μg mg^?1）。在纯化合物中，百里醌杀蜱活性最强（LD₅₀=0.22 μg mg^?1），其次为香芹酚（LD₅₀=0.31 μg mg^?1）。

3.2.3 对昆虫的拒食活性

桃蚜对提取物的敏感性普遍高于斜纹夜蛾。驯化群体的纯露组分（SAMO1WRC和SAMO1WRD）表现出最强的拒食效果。在纯化合物中，百里醌和百里香酚对斜纹夜蛾活性最高，而百里香酚和香芹酚对桃蚜最有效。主成分分析（PCA）证实香芹酚、百里香酚和百里醌是生物活性的主要贡献者。

3.2.4 对线虫卵孵化的影响

所有处理均显著抑制了线虫卵的孵化。精油在短期内（5天）表现出最强的抑制效果（高达98%），但其抑制作用随时间推移逐渐减弱。相比之下，纯露衍生的组分表现出更持久且稳定的抑制效果，在28天后仍维持79%-87%的高抑制率。

3.2.5 对线虫种群繁殖的体内效应

在盆栽实验中，所有处理均显著降低了线虫的繁殖参数。精油处理使卵块数和产卵量减少超过90%，而纯露组分的抑制率也达到88%-92%。未观察到植物毒害现象。

3.2.6 对成虫蜱的驱避活性

所有提取物均表现出驱避活性，但纯露衍生组分（特别是SAMO1WRD）的驱避效果最为稳定且持续时间最长（可达4小时），而精油的驱避效果随时间波动较大。

3.2.7 细胞毒性

香芹酚和百里香酚对蜱虫细胞（IRE/CTVM20）的毒性远高于对人肺成纤维细胞（LC5），表现出极高的选择性指数（CSI分别为15.3和13.8）。相比之下，阳性对照Acibelte对哺乳动物细胞的毒性更高，选择性不佳。

讨论与结论

研究表明，驯化不仅保持了香薄荷原有的香芹酚化学型，还促进了百里香酚和反式石竹烯等成分的积累，从而增强了提取物的杀蜱活性，证明了通过选育获得化学性质稳定且生物活性更强的种质的可行性。更重要的是，该研究成功实现了纯露副产物的高值化利用。与作用迅速但持效期短的精油不同，纯露提取物在线虫卵孵化和蜱虫驱避方面展现出更持久的活性，这归因于其化学成分在极性和挥发性上的差异。特别是通过活性炭吸附获得的WRC组分，富集了百里醌这一在其他组分中几乎不存在的活性成分，为获取百里醌提供了一种简便的新途径。

研究结论：总体而言，本研究证实并扩展了关于香薄荷杀生物潜力的现有证据。西班牙香薄荷的驯化产生了适合生物农药生产的化学性质稳定的植物材料。此外，蒸馏后纯露的增值利用获得了富含香芹酚、百里香酚和百里醌的生物活性组分。结果表明，驯化群体是富含香芹酚、百里香酚和百里醌提取物的稳定来源，这些提取物对南方根结线虫和蜱虫均具有强效活性。昆虫生物测定证实，香薄荷的生物活性不仅限于线虫和蜱虫，还扩展至重要的农业害虫。观察到的对咀嚼式口器昆虫（斜纹夜蛾）和刺吸式口器蚜虫（桃蚜）的广谱活性表明，这些提取物可能通过多种生理靶点发挥作用，增强了其作为植物源作物保护产品的潜在价值。此外，纯露组分的成功增值将一个低价值副产品转化为生物活性成分的来源，支持了循环经济方法，并提高了精油生产的可持续性。将香芹酚、百里香酚和百里醌确定为与生物活性最密切相关的代谢物，为未来提取物标准化、配方优化以及用于商业生物农药开发的优良化学型选择奠定了基础。