所选菊科植物皂苷产量差异的初步系统发育分析：对可持续工业利用的启示

《South African Journal of Botany》：Preliminary phylogenetic insight into saponin yield variation among selected Asteraceae species: Implications for sustainable industrial utilization

　　

•本研究对选定的菊科植物进行了整合系统发育分析，揭示了物种皂苷产率与进化亲缘关系之间的有价值见解。
•突出了形态学和分子系统发育学相结合在理解物种间皂苷产量变化的进化关联方面的重要性。
•所选物种表现出不同的皂苷产量含量，表明它们之间存在显著的正向进化关联。
•在选择用于可持续工业皂苷生产的化学和系统发育学理想物种方面具有重要启示意义。

引言
通过进化研究，可以更有效地进行植物选择以探索其生化应用潜力。了解某些植物科属物种间特定植物化学物质产量变化的进化关系，为绿色化学研究与开发提供了有用的工具。这可用于植物选择，以进行面向植物工业应用的预测性植物化学物质定量研究（Mawalagedera等，2019）。植物合成和储存多种化学物质的固有能力，证明了它们作为许多重要化合物天然储库的作用（图1）（Wang等，2019；Yeshi等，2022）。这一过程自发发生，并对生物和非生物胁迫条件作出响应。植物可合成的物质包括皂苷，这是一种具有特征性洗涤剂特性的两亲性糖苷（Timilsena等，2023；Xu等，2020）。皂苷具有广泛的工业应用，包括制药（疫苗生产）、医学（治疗药物和药物递送）、化妆品、食品（乳化剂）、农业（生物农药），甚至在油田中用于提高石油采收率（EOR）（Summi等，2021；Imuetinyan等，2022；Wang等，2024）。它们含有两种主要类型的成分，即通过糖苷键连接在一起的苷元和糖基部分（Moses等，2014）。其糖基部分由各种类型和大小的糖分子以不同构型连接在皂苷元上，这在很大程度上贡献了其多样化的功能（Moses等，2014；Park等，2025）。

鉴于其遍布全球的分布，以及在绿色化学需求日益增长的驱动下，特别是在工业表面活性剂方面，探索菊科植物家族成为必要。菊科也被称为"雏菊"、"菊科"或"向日葵科"，是主要、最大且最具多样性的植物家族之一。它们广泛的生态优势几乎遍及全球所有区域（Kurniawan等，2022；Kaur等，2024）。由于其高度的植物学多样性和丰富的植物化学物质学意义，它们在许多工业应用中具有相当大的价值（Rolnik和Olas，2021；Sharma和Sharma，2023）。菊科植物共享一系列特征，这些特征促成了它们的基本相似性、多样的形态和植物化学物质学意义（Rolnik和Olas，2021；Roeble等，2024）。更有趣的是，该家族的多样形态特征包括：外观各异、广泛的栖息地范围、主要为草本多年生植物、同株异花、花色和结构、叶序、短宽扁叶以及复杂的分枝模式（Kaur等，2024；Waheed和Arshad，2024）。重要的是，菊科物种间的高度多样性不仅反映在它们的生态丰度上，还反映在它们的植物化学物质丰富度上，拥有广泛的次生代谢产物（Borgo等，2024）。皂苷的大量存在使它们在富含皂苷的植物家族中占据良好地位（Kunatsa等，2021）。它们的强生物活性，如抗氧化、抗菌和抗炎作用，已在大多数成员中得到了广泛研究（Michel等，2020；Kurniawan等，2022；Wang等，2024）。作为菊科家族的重要植物化学物质，绿色皂苷已被报告具有各种特性。其日益增长的生物表面活性剂潜力在相关工业领域也具有重要的价值（Imuetinyan等，2022；Ramchuran等，2023）。然而，菊科植物家族物种间的皂苷产量并不均匀。它们不同的皂苷含量水平可能与其进化关系有关。因此，理解物种进化谱系与其皂苷生物合成能力之间的关联，对于更具探索性的应用至关重要。

该家族中某些物种的具体传统利用包括：V. amygdalina、H. annuus、T. officinale和C. endivia的药食两用特性（Guo等，2017；Adeleke和Babalola，2020；Singh等，2022；Ciocarlan等，2024）。其他如C. odorata和A. conyzoides，主要用作传统创伤愈合药物（Chah等，2006；Pandith等，2013；Sukmawan等，2021）。V. amygdalina和V. cinerea也被报告为有用的抗氧化和抗肿瘤剂等（Sonibare等，2016；Ugbogu等，2021；Trang等，2023；Degu等，2024）。虽然大多数菊科植物衍生物已传统上用于多种有价值的用途，但商业化工业利用的方法却最少被开发。尽管向可行、可持续和商业化工业用途转化的比例较低，但少数被用作工业原料的菊科资源的成功率仍然显著很高。这些包括：基于菊苣的无咖啡因饮料生产、青蒿素生产用于青蒿素联合疗法（ACT）抗疟药物（图2），以及向日葵种子用于油料生产（图3）（Kung等，2018；De'Nobili等，2021；Smith等，2023；Hilbert和Rambaud，2025）。因此，探索和开展相关研究，将该植物家族中丰富、有价值的资源开发为商业工业用途，是相当及时的。

系统发育分析是通过表征其重要特征来揭示生物体间进化关系的有力工具之一（Zou等，2024）。分子系统发育学的进展提供了现代技术来生动地检验这种关系。作为一种强大的现代生物学技术，它利用分子序列数据对生物体间的遗传亲缘关系进行前所未有的解析（Hernández-Lara等，2018）。因此，它提供了对不同物种间遗传谱系和祖先距离的深入科学理解（Brown，2002；Keating等，2023；Anjum等，2025）。另一方面，形态系统发育学使用生物体解剖结构中可见的定义特征进行聚类评估（Hernández-Lara等，2018；Lei等，2021）。物理特征在系统发育学上也具有重要性，因为它们作为区分生物体的强大传统分类工具（Lee和Palci，2015；Holvast等，2024）。它们通过对分子数据提供互补分析，提供了与进化相关的推论（Keating等，2023）。分子系统发育工具的高重要性在于分子数据精确和可重复地发现物种间潜在联系的能力，这些联系在物理上不可见（Shipunov等，2021）。因此，在物理特征少、难以区分且高度可变的情况下，它非常关键。通过补充和分析分子和形态数据，可以实现对系统发育关系的更广泛阐释（Hernández-Lara等，2018）。因此，将整合的物种系统发育数据与其皂苷产量定量联系起来，为本研究提供了扩展的对比基础。

关于大多数植物皂苷的生物化学和其他研究不胜枚举，但支撑其产量输出的底层进化联系仍然模糊、有争议且研究不足（Carvalho等，2018；Michel等，2020；Zahra等，2024）。鉴于菊科物种在皂苷偏好方面的大量共有成员，关于其皂苷生物合成能力的进化知识有限。已成功报告了某些植物科属的代谢物含量和相应进化关系的整合筛选（Mawalagedera等，2019；Kusano等，2019）。这尚未在菊科植物的皂苷方面得到充分探索，对于植物产品导向的工业具有巨大潜力。

系统发育分析是通过表征其重要特征来揭示生物体间进化关系的有力工具之一（Zou等，2024）。分子系统发育学的进展提供了现代技术来生动地检验这种关系。作为一种强大的现代生物学技术，它利用分子序列数据对生物体间的遗传亲缘关系进行前所未有的解析（Hernández-Lara等，2018）。因此，它提供了对不同物种间遗传谱系和祖先距离的深入科学理解（Brown，2002；Keating等，2023；Anjum等，2025）。另一方面，形态系统发育学使用生物体解剖结构中可见的定义特征进行聚类评估（Hernández-Lara等，2018；Lei等，2021）。物理特征在系统发育学上也具有重要性，因为它们作为区分生物体的强大传统分类工具（Lee和Palci，2015；Holvast等，2024）。它们通过对分子数据提供互补分析，提供了与进化相关的推论（Keating等，2023）。分子系统发育工具的高重要性在于分子数据精确和可重复地发现物种间潜在联系的能力，这些联系在物理上不可见（Shipunov等，2021）。因此，在物理特征少、难以区分且高度可变的情况下，它非常关键。通过补充和分析分子和形态数据，可以实现对系统发育关系的更广泛阐释（Hernández-Lara等，2018）。因此，将整合的物种系统发育数据与其皂苷产量定量联系起来，为本研究提供了扩展的对比基础。

关于大多数植物皂苷的生物化学和其他研究不胜枚举，但支撑其产量输出的底层进化联系仍然模糊、有争议且研究不足（Carvalho等，2018；Michel等，2020；Zahra等，2024）。鉴于菊科物种在皂苷偏好方面的大量共有成员，关于其皂苷生物合成能力的进化知识有限。已成功报告了某些植物科属的代谢物含量和相应进化关系的整合筛选（Mawalagedera等，2019；Kusano等，2019）。这尚未在菊科植物的皂苷方面得到充分探索，对于植物产品导向的工业具有巨大潜力。

对某些菊科物种在选定地理位置进行的系统发育研究，旨在确定栖息地变迁，已揭示出一些与植物家族内多样化相关的系统发育学意义（Mandel等，2019；White等，2020；Kaur等，2024）。菊科家族内值得注意的进化见解是其某些植物化学档案的趋势，如菊粉、海茴香苷和倍半萜内酯（Rolnik和Olas，2021）。该家族大多数成员含有菊粉，这是一种强效益生元多糖，而它们的海茴香苷和倍半萜几乎相似（Rolnik和Olas，2021）。

虽然植物代谢物合成中基因的存在、多样性和共同环境相互作用已被确立（Forrister等，2022；Yang等，2022；Ogwu等，2025），但植物宿主环境中的某些其他变化因素也被证明在物种间皂苷产量中起着关键作用（Kursar等，2009；Puente-Garza等，2017；Lv等，2025）。然而，本研究探索在接近中性的环境条件下、没有任何已知主观因素（如已知生物和非生物剂处理）时，进化信号对皂苷产量的影响。它专注于以下选定的菊科植物：Vernonia amygdalina1、Vernonia amygdalina2、Vernonia cinerea、Chromolaena odorata、Ageratum conyzoides、Tridax procumbens和Helianthus annuus（图4）。它们代表菊科家族的不同物种，据报道倾向于产生皂苷（Sirinthipaporn等，2017；Singh等，2022；Ciocarlan等，2024；Gubbiveeranna等，2024）。了解这些物种间多样性模式及其皂苷产量的见解，不仅对于进化意义至关重要，而且对于绿色化学研究与开发中可持续皂苷生产的选择和增强方法也必不可少。

因此，本研究旨在弥合皂苷产量与含有菊科植物系统发育亲缘性之间的知识差距。具体研究了物种间的进化距离如何影响其皂苷生产倾向。通过利用形态和分子系统发育学，我们还寻求阐明与植物皂苷产量模式相关的关键进化见解。因此，本研究的主要目标是进行选定菊科植物的初步整合系统发育分析，并调查其皂苷产量与系统发育之间的关联。最终，本研究将为学术知识前沿做出贡献，并为可持续工业皂苷生产提供可行的理由。

章节片段
植物样品的收集与制备
样品收集自尼日利亚联邦首都区（FCT）阿布贾。其形态学鉴定在阿布贾生物技术研究中心（BARC）农业与环境生物技术部门得到确认。

实验室为本研究涉及的样品分配了编码，以便于在各项下游分析中进行标识。这些编码与样品的植物学名相对应：Vernonia amygdalina 1 对应 Va1，Vernonia amygdalina 2 对应 Va2，Vernonia cinerea 对应 Vc。

形态学和分子特征表征的结果，以及皂苷提取与定量分析的结果，列示于下表及图中。

讨论：样品间皂苷产量存在与进化历程相关的较强关联信号。总体结果显示，不同物种间的皂苷产量存在显著差异，且物种的系统发育聚类与其皂苷含量百分比之间呈现显著的正相关关系。该现象在两种定量方法所测得的样品皂苷含量（图12、图14）及其系统发育聚类模式（图8、图10）中均有体现，反映出样品间皂苷产量的差异可能部分源于其进化分支位置。

结论：绿色皂苷在工业领域重要性日益提升，凸显了本研究的实用价值与应用意义。总体而言，研究结果显示所测试样品间的皂苷产量具有正进化关联。这表明，系统发育关系相近的物种很可能在皂苷生物合成机制上共享共同的进化来源，而该机制与其他亲缘关系较远的物种存在明显差异。这进一步提示，尽管皂苷...

资金支持：本研究未获得任何资金支持。

作者贡献声明：
Charles Osuji：撰写原稿、研究方法、数据整理
Blessing Odogwu：审校与编辑、监督指导
Ikechukwu Agbagwa：概念设计、监督指导、验证