DEEL 1: Chemische diversiteit en voorspelling van potentiële teeltgebieden van cistanchekruiden

Contactpersoon: Audrey Hu Whatsapp/hp: 0086 13880143964 E-mail:audrey.hu@wecistanche.com

Vanwege vijandige groeiomgevingen en toenemende gerelateerde productie,Cistanche plantenzijn in aantal afgenomen. Het doel van de huidige studie was om de kwaliteit te evalueren van en potentieel geschikte regio's te voorspellen voor twee officiële soorten en twee niet-officiële soorten (C. salsa en C. sinensis) door middel van high-performance vloeistofchromatografie en het MaxEnt-model. De resultaten gaven aan dat 2′-acetylacteoside alleen aanwezig was inCistanche deserticola. De verbinding kan worden gebruikt als een potentiële chemische marker om te discriminerenCistanche deserticolavan de drie andereCistanche planten. Anthocyanine A en carotenoïde F waren alleen de gemeenschappelijke bestanddelen van de twee officiële soorten en kunnen dus worden gebruikt als chemische markers om onderscheid te maken tussen officiële en niet-officiële soorten. De voorspellingsresultaten van een potentieel geschikte verspreiding gaven aan dat C. sinensis veel grotere gebieden heeft voor potentiële verspreiding dan de andere soorten. Eindelijk, de echinacoside-inhoud inCistanche deserticolaverschilde aanzienlijk tussen de twee geschikte potentiaalverdelingen, en de inhoud van monsters uit Binnen-Mongolië was aanzienlijk hoger dan die uit de provincie Gansu. Dit is de eerste toepassing van de combinatie van de inhoud van chemische componenten en de resultaten van MaxEnt-modellen voor de kwaliteitsbeoordeling van kruidengeneeskunde. Onze resultaten kunnen een referentie vormen voor het duurzame gebruik van bedreigde Cistanche-soorten.

Sinds de 72e Wereldgezondheidsvergadering is traditionele geneeskunde opgenomen in de International Classification of Diseases (11e versie), die voornamelijk dateert uit de traditionele Chinese geneeskunde en ook algemeen wordt geaccepteerd in Zuidoost-Aziatische landen zoals Japan, Korea en India. De conferentie gaf aan dat de traditionele geneeskunde een belangrijke rol speelt in de gezondheidsregulering. Geneeskrachtige kruiden zijn de materiële basis van de traditionele geneeskunde naast acupunctuur en manipulatie. Het nauwkeurige gebruik en de combinatie van verschillende kruiden bepalen de uiteindelijke werkzaamheid van de traditionele geneeskunde1–3. Bovendien fluctueren de inhoud en het type actieve componenten in kruiden met hun botanische oorsprong en groeiomgeving. Daarom zijn de juiste botanische oorsprong en geschikte groeiomgevingen van vitaal belang voor klinische werkzaamheid en veiligheid.

Cistancheplanten worden gebruikt als kostbare tonic en eetbare kruiden voor de verzorging van mannen in China, Japan en sommige Zuidoost-Aziatische landen4,5. Vier soorten van het geslacht staan ​​bekend om hun potentiële medicinale waarde in China, namelijk:Cistanche deserticola, Cistanchetubulosa, Cistanche salsa, enCistanche Sinensis. De gedroogde sappige stengels van de eerste twee soorten zijn opgenomen in de Chinese Farmacopee (2015 editie), genaamdCistanches Herba. Deze soorten zijn gunstig voor de nieren en het darmkanaal. De andere twee soorten worden op sommige plaatsen geconsumeerd of worden gebruikt als versnijdingsmiddelen vanCistanches Herba. C. salsa werd opgenomen in de lokale kruidennormen in de provincies Gansu (1992) en Xinjiang (1987). C. Sinensis is een unieke soort in China. Moderne chemische en farmacologische studies hebben aangetoond dat chemische componenten van deze kruiden verschillende effecten hebben, zoals verbetering van de hersenfunctie, lustopwekkende effecten en immuunversterkende effecten.

Gepubliceerde onderzoeken geven het verschil in inhoud en type aan van chemische bestanddelen tussen verschillendeCistanche planten, waarbij betaïne, Krebs-cyclustussenproducten,fenylethanoïde glycosiden,en iridoïden werden beschouwd als vier chemische markers die verantwoordelijk zijn voor discriminatieanalyse tussenCistanchedeserticolaenCistanche tubulosa7,8. Een gedetailleerde studie gaf aan dat de isomeren van campneoside II, cistanoside C en cistanoside A drie potentiële

chemische markers om de twee bovengenoemde soorten te onderscheiden9. Verder onderzoek toonde aan dat acht fenylethanoïde glycosiden konden worden gekozen als chemische markers voor het onderscheiden van deCistanche soorten, die voornamelijk bestaan ​​uit:Cistanchedeserticola, Cistanchetubulosa,en C. sinensis10. Bovendien varieert de inhoud van chemische bestanddelen met de geografische oorsprong. Zhou en zijn co-auteurs gaven aan dat de totale inhoud van zeven indexcomponenten (castanoside A, echinacoside, isoacteoside, 2′-actylacteoside, castanoside C en tubluoside B) vanCistanche tubulosauit het zuiden van Xinjiang waren ongeveer zes keer die van Kutun en Hami in China11. Onder deze chemische componenten, acteoside enechinacosideworden beschouwd als indexcomponenten voor de kwaliteitscontrole van kruidengeneesmiddelen. Van de twee componenten is gemeld dat ze de hersenfunctie verbeteren, en acteoside draagt ​​voornamelijk bij aan de lustopwekkende effecten.

Soortenverdelingsmodellen (SDM's) zijn statistische modellen die zijn opgesteld met bestaande omgevingsvariabelen om de ecologische vereisten van soorten af ​​te leiden. Dergelijke modellen kunnen de potentiële verspreiding van een doelsoort in kaart brengen op basis van de waargenomen verspreidingsgegevens12. Tot op heden zijn SDM's met succes toegepast om de verspreidingstendens van bedreigde en ecologische planten tijdens klimaatverandering te voorspellen13,14. Van deze modellen wordt het MaxEnt-model vaak gebruikt als een eenvoudig middel om de geschiktheidsverdeling van de habitat te voorspellen met alleen aanwezigheidsgegevens en presteert het goed met onvolledige gegevens, kleine steekproefomvang en hiaten14. In combinatie met sommige software (zoals ArcGIS) kan onderzoek omgevings- en klimaatvariabelen extraheren van verzamelplaatsen van monsters. Verder kan een potentieel geschikte locatie worden opgedeeld in drie of vier niveaus15–17. Geen enkele studie heeft echter gecombineerde strategieën gerapporteerd die potentieel geschikte locaties na deling en de inhoud van chemische componenten bevatten voor de kwaliteitscontrole van kruidengeneesmiddelen.

In de huidige studie werden vier bedreigde Cistanche-planten verzameld voor kwaliteitsbeoordeling met high-performance vloeistofchromatografie (HPLC), en zeven chemische componenten werden als indices gebruikt. Verder werd een MaxEnt-model met 26 omgevingsvariabelen gebruikt om potentieel geschikte gebieden te voorspellen voor het onderzoeken van optimale soorten voor verder gebruik. Ten slotte werd de combinatie van de inhoud van de indexcomponent en geschikte gebieden systematisch geanalyseerd voor een betere ontwikkeling en benutting van deze bedreigdeCistanchefabrieken in China en andere landen.

Resultaten

De gehalten van de zeven chemische componenten werden berekend op basis van hun kalibratiecurves. De zeven vergelijkingen van de ijkkrommen waren Y {{0}},5400X plus 0,1616 (2′-acety-lacteoside, R {{ 7}}.9992), Y=18.5640X plus 0.3724 (acteoside, R=0.9821), Y=15.635 0X plus 0.0090 (isoacteoside, R=0.9999), Y=12.7460X plus 0,0103 (tubuloside A , R=0.9999), Y=10.638X plus 0.1615 (cistanoside A, R=0.9997), Y=21.533X−0.0006 (cistanoside F, R=1), en Y=13.0740X plus 1.1381 (echinacoside, R=0}.9821); de concentratie (X) is de horizontale as en het piekoppervlak (Y) is de verticale as. R is de correlatiecoëfficiënt en geeft een uitstekende lineaire correlatie tussen deze kalibratiecurven aan. Een precisie-experiment (zes opeenvolgende injecties van dezelfde extractiemonsters) toonde aan dat de precisie goed was en dat de relatieve standaarddeviatie (RSD) van het piekgebied tussen 0,3 procent en 0,8 procent lag. Evenzo leverde de herhaalbaarheid (zes opeenvolgende injecties van dezelfde extractiemonsters) en stabiliteitstests (zes injecties van dezelfde extractiemonsters na 0, 2, 4, 8, 12 en 24 uur) RSD's op van 0,56-1,46 procent en 1,06- 3,60 procent, respectievelijk.

Verdere inhoudsanalyses van de zeven indexbestanddelen werden weergegeven in gegroepeerde horizontale vakken met visuele vergelijkingsresultaten en significante verschillen in kleine letters. De resultaten van de hersteltest van de zeven bestanddelen varieerden van 99,25 procent tot 104,10 procent met RSD's tussen 0,69 procent en 3,45 procent. Daarom was de methode nauwkeurig.

De inhoud van de zeven indexbestanddelen in de vier soorten en de geografische oorsprong van dezelfde soort worden weergegeven in gegroepeerde horizontale vakken. De inhoud van sommige chemische componenten lag onder de detectielimiet. Zo bevatte slechts een deel van de cijfers vier Cistanche-soorten. De chemische component 2′-acetylacteoside werd alleen gedetecteerd inCistanche deserticola, terwijl het met de huidige methode niet werd gedetecteerd in de andere soorten. Er werd echter een inhoudsverschil waargenomen tussen de verschillende geografische oorsprongen gericht op 2′-acetylacteoside. De inhoud van de component uit Alashanzuoqi in Binnen-Mongolië was aanzienlijk hoger dan die in de drie andere provincies, terwijl de inhoud in de soort van Tingtuhu van Minqinin, provincie Gansu, aanzienlijk lager was dan die op de andere locaties (Fig. 1A). Tubuloside A werd gedetecteerd inCistanche deserticolaenCistanche tubulosa.Er werd geen opmerkelijk verschil waargenomen tussen de twee soorten en zelfs tussen planten van dezelfde soort van verschillende geografische oorsprong (Fig. 1B). De vier soorten bevatten dezelfde chemische component (acteoside). Het gehalte aan acteoside in C. salsa verzameld uit Jianga'erhan van Tacheng in Xinjiang was aanzienlijk hoger dan dat van de andere soorten en dezelfde soort uit verschillende teeltgebieden. Daarentegen verschilde het gehalte aan acteoside niet significant tussen de verschillende oorsprongen vanCistanche deserticola(deze bevinding was dezelfde als die voor tubuloside A; Fig. 1C). Cistanoside A werd gedetecteerd inCistanche deserticolaen C. salsa. De inhoud van de C. salsa-monsters uit Jianga'erhan uit Tacheng in Xinjiang was aanzienlijk hoger dan die vanCistanche deserticolamonsters van andere plaatsen. Bovendien had de variatie in de locatie geen invloed op de inhoud van het onderdeel. Deze toestand was dezelfde als die voor tubuloside A en acteoside (Fig. 1D). Voor cistanoside A fluctueerde de inhoud van de indexcomponent niet met de variaties in soorten en geografische oorsprong (figuur 1E). Het echinacoside-gehalte van de C. salsa-monsters van Hejiaoke van Tuoli in Xinjiang was aanzienlijk hoger dan het gehalte van de monsters van Jianga'erhan van Tacheng in Xinjiang. De componentinhoud van de monsters uit:Cistanche deserticolaenCistanche tubulosa, ongeacht waar ze werden verzameld, waren aanzienlijk lager dan op andere locaties (Jianga'erhan van Tacheng in Xinjiang). Bovendien kon de chemische component niet worden gedetecteerd in C. sinensis (Fig. 1F). Isoacteoside werd gedetecteerd in alle Cistanche-soorten behalve C. salsa; het isoacteoside-gehalte inCistanche tubulosawas aanzienlijk hoger dan die in de twee andere soorten, ongeacht de bronprovincies in China (Fig. 1G). Hierin waren alle significante verschillen kleiner dan P < 0.5.="" de="" totale="" inhoud="" van="" deze="" chemische="" componenten="" is="" gestapeld="" in="" fig.="" 2="" voor="" een="" betere="" vergelijking="" van="" de="" zeven="" styreenglycosiden.="" hierin="" veronderstelden="" we="" dat="" geografische="" oorsprong="" een="" kleine="" invloed="" uitoefende="" op="" de="" potentieel="" geschikte="" gebieden="" in="" de="" wereld="" en="" in="">

Met de gecombineerde berekeningen van MaxEnt en ArcGIS zijn de potentieel geschikte gebieden voor de vier Cistanche-kruidensoorten berekend. De resultaten zijn weergegeven in Tabel 1. Net als de categorieën in de bovenstaande paragrafen, werden de potentieel geschikte gebieden onderverdeeld in vier klassen. Met betrekking tot de hoge habitatgeschiktheidsklasse hadden drie soorten wereldwijd ongeveer 30 km2 grotere geschikte gebieden (Cistanche deserticola: 29,2210 km2, C. sinensis: 31,3034 km2, C. salsa: 30,8633 km2) vergeleken met C. tubulosa (10,6866 km2). Zoals blijkt uit de vergelijking van de hoge habitatgeschiktheidsklasse,Cistanche deserticolahet grootste areaal (38.9267 km2) qua matig geschikte klasse (Cistanche tubulosa: 12,4069 km2, C. sinensis: 32,1292 km2, C. salsa: 38,5764 km2), terwijl de oppervlakte vanCistanche tubulosawas nog steeds de kleinste.

Voor wat betreft de potentiële gebieden die als potentiële spreiding van geschikte teeltlocaties worden beschouwd, worden de hoge habitatgeschiktheid en matig geschikte klassen als volgt besproken. De meeste geschikte gebieden (ongeveer 90 procent) voor:Cistanche deserticolawerden voornamelijk verspreid in het noorden en noordwesten van China. Daarnaast werden enkele gebieden met potentiële teeltomstandigheden geïdentificeerd in het zuiden van de Verenigde Staten, het zuidwesten van Iran, het oosten van Turkije, het zuiden van Mongolië en het oosten van Kazachstan (Fig. 3). In tegenstelling tot de bovengenoemde soort, leek C. tubulosa wereldwijd goed verspreid te zijn, waarbij hij het westen van China, het noordwesten van Zuid-Amerika, het noorden van Afrika en enkele landen tussen China en Afrika bestreek. Echter, hoewelCistanche tubulosaeen brede potentiële verspreiding had, was de totale oppervlakte van de soort het kleinst in vergelijking met de andere drie soorten, waarvoor de totale oppervlakten van de hoge habitatgeschiktheid en gematigde klassen 23.0935 km2 bedroegen. Met betrekking tot de twee klassen werden slechts enkele potentiële gebieden gevonden die geschikt zijn voor de groei van de soort in het noorden van Egypte, in de westelijke regio van het Koninkrijk Saoedi-Arabië, het zuiden van Jemen, het noorden van de Verenigde Arabische Emiraten, het zuiden van Iran en Pakistan. De grootste gebieden bevonden zich nog in China, waar de totale voorspellingsgebieden in het westen van het land lagen (Fig. 4). Gelijkwaardig aanCistanche deserticola, C. salsa werd voornamelijk verspreid in het noordwesten en noorden van China, waar het exemplaar records heeft. Na voorspelling door het MaxEnt-model was er een klein voorspellingsgebied dat mogelijk een geschikte groeiomgeving is in de Verenigde Staten en ten oosten van Kazachstan en Kirgizië (Fig. 5). De meeste voorspelde locaties van C. sinensis werden verspreid in Noord- en West-China. Bovendien werden enkele gebieden geïdentificeerd in het midden van Marokko, het zuidoosten van Algerije en het noordwesten van Tsjaad en Iran (Fig. 6).

De potentieel geschikte gebieden berekend door MaxEnt worden weergegeven in de rechterbenedenhoek van Fig. 3-6 om de voorspellingsverdeling van de vier soorten in China te tonen. Hierin waren de kleinste eenheden voor het in kaart brengen van voorspellingsdistributie gebaseerd op de provincies in China. Net als bij de analyse voor de wereld, was de analyse in deze sectie gebaseerd op een hoge habitatgeschiktheid en gematigde klassen. De voorspellingsgebieden gaven aan dat:Cistanche deserticolawerd voornamelijk gedistribueerd in de provincies Xinjiang, Binnen-Mongolië, Ningxia, Gansu en Qinghai. Hoewel er in andere provincies enkele verspreidingsgebieden werden gevonden, behoorden deze tot klasse 2. Deze gebieden waren daarom slecht geschikt en dus niet aan te raden voor de teelt van de soort. VoorCistanche tubulosa, werden alle potentieel geschikte regio's van de soort voorspeld in de provincie Xinjiang in China. Interessant is dat C. salsa een breed scala aan potentiële distributies had in China, waaronder de provincies Xinjiang, Binnen-Mongolië, Ningxia, Gansu, Qinghai, Shanxi, Shaanxi en Hebei. Bovendien leek de hele provincie Ningxia een mogelijk kweekgebied voor de soort. Net als C. salsa, had C. Sinensis ook brede regio's voor potentiële distributie met uitzondering van de provincie Xinjiang (maar het had een voorspellingsgebied in de provincie Xizang)

evaluatie van elk soortmodel.

De prestaties van het model werden onderverdeeld in vijf categorieën: onvoldoende, slecht, redelijk, goed en uitstekend ({{0}},9 < auc="" kleiner="" dan="" of="" gelijk="" aan="" 1).="" de="" prestatie="" van="" het="" model="" in="" termen="" van="" de="" auc-waarde="" en="" roc-curve="" tussen="" de="" vier="" modellen="" wordt="" weergegeven="" in="" fig.="" 7.="" de="" resultaten="" gaven="" aan="" dat="" de="" prestatie="" van="" de="" vier="" modellen="" in="" de="" trainingsgegevens="" uitstekend="" was,="" met="" auc-waarden="" tussen="" 0,997="" en="" 0,998="" en="" een="" roc-curve="" in="" de="" linkerbovenhoek="" dichtbij="" 1.="" bovendien="" vertoonde="" de="" auc-waarde="" in="" de="" testgegevens="" ook="" goede="" modelprestaties,="" met="" een="" hoge="" waarde="" tussen="" 0,979="" en="" 0,996="" en="" een="" linkerbovenhoek="" roc-curve="" dicht="" bij="" 1.="" over="" het="" algemeen="" hebben="" deze="" modellen="" een="" sterk="" vermogen="" om="" potentiële="" soortenverdeling="" te="">

De responsanalyse van variabelen op geschiktheid.

Responscurven tonen de kwantitatieve relatie tussen habitatgeschiktheid en omgevingsvariabelen (ook bekend als de logistieke waarschijnlijkheid van aanwezigheid)14. In de huidige studie werden de gemeenschappelijke variabelen tussen de jackknife-test en permutatiebelang (percentage bijdrage) gebruikt om de respons van de variabelen op geschiktheid te analyseren. Aangaande metCistanche deserticola, bio09 en wind10 waren veelvoorkomende variabelen. De geschikte gemiddelde temperatuur van het droogste kwartier (bio09) lag tussen -12,71227957 graden en 1,296478534 graden. De optimale windsnelheid in oktober (wind10), gunstig voor de verspreiding van de soort, lag tussen 0,5841 en 3,2581 m·s−1 (Fig. S5). Er werden twee veelvoorkomende variabelen geïdentificeerd voor de potentiaalverdeling in deCistanche tubulosamodel. De eerste was zonnestraling in mei, met een geschikt bereik van meer dan 24661.0800 kJ·m−2·day−1. De andere was neerslag in oktober (vóór 10), met een optimale waarde lager dan 5,4640 mm (Fig. S6). Uit de resultaten van de jackknife-test bleek dat vier variabelen gelijk waren aan die van de twee andere evaluatiemethoden voor de bijdrage van de bioklimatologische factoren in het C. salsa-model. De eerste twee variabelen omvatten zonnestraling in juni en november (srad06 en srad11), met bereiken van respectievelijk 23298,9691–25137.457 en 6709,6219–10687,2852 kJ·m−2·day−1. De derde was de gemiddelde temperatuur van het droogste kwartier (bio09), met een optimaal bereik van -12.6159-2.8479 graden. De vierde variabele was neerslag in september (pre09), met een geschikt bereik van 8,3762-32,4312 mm (Fig. S7). Het MaxEnt-model van C. Sinensis had drie belangrijke variabelen die vooral bijdroegen aan de potentiële verspreiding van de soort. Het geschikte bereik van zonnestraling in december (srad12) was 6138,3161-9488,8316 kJ·m−2·dag−1, en die van de maximale temperatuur in november (tmax11) was -1,9115-9,6048 graden. Bovendien was het geschikte bereik van de windsnelheid in augustus (wind08) 2.1005– 3.3054 m·s−1 (Fig. S8). De andere belangrijke variabelen die bijdragen aan de potentiële verspreiding van de vier soorten zijn samengevat in Fig. S5-S8.

Correlatie tussen chemische componenten en bioklimatische variabelen. De meest populaire soorten uit de belangrijkste verspreidingsprovincies (Cistanche deserticola) werd vergeleken om de correlatieanalyse af te ronden en om de inhoudelijke samenhang van zeven indexcomponenten met de omgevingsconditie te onderzoeken. Na analyse van de geschikte potentiële verspreiding van de soort, werden deze potentiële verspreidingsgebieden onderverdeeld in vier categorieën. Hierin werden zes verzamelplaatsen, waaronder 22 monsters, in kaart gebracht op de kaart van China die is geëxtraheerd uit de resultaten van het MaxEnt-model van de soort (Fig. 8). De resultaten gaven aan dat twee opvanglocaties in klasse 1 (hoge habitatgeschiktheidsklasse) lagen en twee opvanglocaties in klasse 2 (matig geschikte klasse). De twee laatste locaties werden geclassificeerd als klasse 3 (lage geschikte klasse). Er werd een significant verschil in het 2′-acetyl-acteosidegehalte waargenomen tussen CD-TG (Tingtuhu, Minqin, provincie Gansu) en CD-AI (Alashanzuoqi, Binnen-Mongolië), die respectievelijk tot klasse 2 en 1 behoorden. Bovendien verschilde de inhoud van de component in CD-AX (Aibi Lake region, Tacheng, Xinjiang) en CD-CG (Changcheng, Liangzhou, Gansu Province), die tot klasse 3 behoorden, niet significant van die van de vier andere sites, die behoorden tot Klasse 1 en Klasse 2. Voor de zes andere chemische componenten werd geen significant verschil vastgesteld tussen de verschillende geografische oorsprongen in termen van de inhoud van deze componenten.

Discussie

Kruidengeneeskunde is een complexe mix van vele chemische componenten die bijdragen aan de systematische bestrijding van ziekten. Bovendien kan één type kruidenmateriaal worden verzameld van verschillende botanische soorten die vergelijkbare kenmerken of effectieve componenten hebben. Coptidis Rhizoma is bijvoorbeeld een kruidengeneesmiddel met hoogfrequent gebruik; het wordt verkregen uit drie verwante planten (Coptis chinensis, C. deltoidea en C. teeta) en gebruikt om diarree veroorzaakt door vochtretentie te genezen met behulp van verschillende berberines18. Bovendien wordt Polygonatum Rhizoma vaak gebruikt als functioneel voedsel in het dagelijks leven in China voor immunoregulatie; de ruwe materialen zijn wortelstokken van Polygonatum kingianum, P. sibiricum en P. cyrtonema19. De huidige studie omvatte vier soorten, waarvan er twee officieel zijn opgenomen in de China Pharmacopoeia (Cistanche deserticolaenCistanche tubulosain de 2015-versie).