PART1: Chemická rozmanitost a predikce potenciálních pěstitelských oblastí bylin Cistanche

Kontakt: Audrey Hu Whatsapp/hp: 0086 13880143964 Email:audrey.hu@wecistanche.com

Vzhledem k nepřátelskému růstovému prostředí a rostoucí související výroběCistanche rostlinyse snížil jejich počet. Cílem této studie bylo zhodnotit kvalitu a předpovědět potenciálně vhodné oblasti pro dva oficiální druhy a dva neofciální druhy (C. salsa a C. sinensis) pomocí vysokoúčinné kapalinové chromatografie a MaxEnt modelu. Výsledky ukázaly, že 2′-acetylakteosid byl přítomen pouze uCistanche deserticola. Sloučenina může být použita jako potenciální chemický marker k diskriminaciCistanche deserticolaod tří dalšíchCistanche rostliny. Antokyanin A a karotenoid F byly společnými složkami pouze těchto dvou ofciálních druhů, a proto mohou být použity jako chemické markery pro rozlišení mezi ofciálními a neoficiálními druhy. Výsledky předpovědí potenciálně vhodného rozšíření ukázaly, že C. sinensis má mnohem širší oblasti pro potenciální rozšíření než ostatní druhy. Konečně obsah echinakosidů vCistanche deserticolase výrazně lišila mezi dvěma vhodnými potenciálními distribucemi a obsah vzorků z Vnitřního Mongolska byl výrazně vyšší než obsah vzorků z provincie Kan-su. Jedná se o první aplikaci kombinace obsahu chemických složek a výsledků modelů MaxEnt pro hodnocení kvality bylinné medicíny. Naše výsledky mohou poskytnout referenci pro udržitelné využívání ohrožených druhů Cistanche.

Od 72. světového zdravotnického shromáždění je tradiční medicína zařazena do Mezinárodní klasifikace nemocí (11. verze), která pochází především z tradiční čínské medicíny a je také široce přijímána v zemích jihovýchodní Asie, jako je Japonsko, Korea a Indie. Konference ukázala, že tradiční medicína hraje důležitou roli v regulaci zdraví. Léčivé byliny jsou kromě akupunktury a manipulace materiální základnou tradiční medicíny. Přesné použití a kombinace různých bylin určují konečnou účinnost tradiční medicíny1–3. Kromě toho obsah a typ aktivních složek v bylinách kolísá s jejich botanickým původem a růstovým prostředím. Proto je správný botanický původ a vhodné prostředí pro růst životně důležité pro klinickou účinnost a bezpečnost.

Cistancherostliny se používají jako vzácné tonické a jedlé byliny pro péči o muže v Číně, Japonsku a některých zemích jihovýchodní Asie4,5. Čtyři druhy rodu jsou známé svou potenciální léčivou hodnotou v Číně, a toCistanche deserticola,Cistanchetubulosa,Cistanche salsaaCistanche Sinensis. Sušené šťavnaté stonky prvních dvou druhů jsou zaznamenány v Čínském lékopise (vydání z roku 2015), pojmenovanéCistanches Herba. Tyto druhy jsou prospěšné pro ledviny a střevní trakt. Další dva druhy jsou konzumovány na některých místech nebo jsou využívány jako cizoložné látkyCistanches Herba. C. salsa byla zaznamenána v místních bylinných standardech v provinciích Gansu (vydání 1992) a Xinjiang (vydání 1987). C. sinensis je jedinečný druh v Číně. Moderní chemické a farmakologické studie ukázaly, že chemické složky z těchto bylin mají několik účinků, jako je zlepšení funkce mozku, afrodiziakální účinky a účinky na posílení imunity.

Publikované studie naznačují rozdíl mezi obsahem a typem chemických složek mezi různýmiCistanche rostliny, ve kterém betain, meziprodukty Krebsova cyklu,fenylethanoidní glykosidy,a iridoidy byly považovány za čtyři chemické markery odpovědné za analýzu diskriminace meziCistanchedeserticolaaCistanche tubulosa7,8. Podrobná studie ukázala, že izomery campneosidu II, cistanosidu C a cistanosidu A byly tři potenciální

chemické markery pro rozlišení dvou výše uvedených druhů9. Další výzkum ukázal, že osm fenylethanoidních glykosidů by mohlo být vybráno jako chemické markery pro rozlišováníDruhy Cistanche, mezi něž patří předevšímCistanchedeserticola,Cistanchetubulosa,a C. sinensis10. Kromě toho se obsah chemických složek liší podle zeměpisného původu. Zhou a jeho spoluautoři uvedli, že celkový obsah sedmi indexových složek (kas-tanosid A, echinakosid, izoakteosid, 2′-aktylakteosid, kastanosid C a tubluosid B)Cistanche tubulosajižně od Sin-ťiangu byly přibližně šestkrát vyšší než Kuitun a Hami v Číně11. Mezi tyto chemické složky patří akteosid aechinakosidjsou považovány za indexové složky pro kontrolu jakosti rostlinné medicíny. Bylo hlášeno, že tyto dvě složky zlepšují funkci mozku a akteosid přispívá hlavně k afrodiziakálním účinkům.

Modely distribuce druhů (SDM) jsou statistické modely vytvořené s existujícími proměnnými prostředí za účelem odvození ekologických požadavků druhů. Tyto modely mohou mapovat potenciální rozšíření cílových druhů na základě pozorovaných údajů o distribuci12. K dnešnímu dni byly SDM úspěšně aplikovány na predikci distribuční tendence ohrožených a ekologických rostlin během změny klimatu13,14. Mezi těmito modely se model MaxEnt běžně používá jako jednoduchý prostředek pro předpovídání distribuce vhodnosti stanovišť s daty pouze o přítomnosti a funguje dobře s neúplnými daty, malými velikostmi vzorků a mezerami14. V kombinaci s některým softwarem (například ArcGIS) může výzkum extrahovat environmentální a klimatické proměnné z míst odběru vzorků. Potenciálně vhodné místo lze navíc rozdělit na tři nebo čtyři úrovně 15–17. Žádná studie však neuváděla kombinované strategie, které zahrnují potenciální vhodná místa po rozdělení a obsah chemických složek pro kontrolu kvality bylinné medicíny.

V této studii byly čtyři ohrožené rostliny Cistanche shromážděny pro posouzení kvality pomocí vysokoúčinné kapalinové chromatografie (HPLC) a sedm chemických složek bylo použito jako indexy. Kromě toho byl použit model MaxEnt vybavený 26 proměnnými prostředí k předpovědi potenciálně vhodných oblastí pro zkoumání optimálních druhů pro další použití. Nakonec byla systematicky analyzována kombinace obsahu indexové složky a vhodných oblastí pro lepší rozvoj a využití těchto ohroženýchCistanchezávody v Číně a dalších zemích.

Výsledky

Obsah sedmi chemických složek byl vypočten na základě jejich kalibračních křivek. Sedm rovnic kalibračních křivek bylo Y = 20,5400X+0,1616 (2′-acety-lakteosid, R = 0,9992), Y = 18,5640X+0,3724 (akteosid, R = 0,9821), Y = 15,6350X+0,0090 (isoakteosid, R = 0,9999), Y = 12,7460X+0,0103 (tubulosid A, R = 0,9999), Y = 10,638X+0,1615 (cistanosid A, R = 0,9997),Y = 21,533X−0,0006 (cistanosid F, R = 1) a Y = 13,0740X+1,1381 (echinakosid, R = 0,9821); koncentrace (X) je vodorovná osa a plocha píku (Y) je svislá osa. R je korelace coefcient a indikuje vynikající lineární korelaci mezi těmito kalibračními křivkami. Přesný experiment (šest sekvenčních injekcí stejných extrakčních látek vzorku) ukázal, že přesnost byla dobrá a relativní směrodatná odchylka (RSD) plochy píku byla mezi 0,3% a 0,8%. Podobně testy opakovatelnosti (šest sekvenčních injekcí stejných extrakčních látek vzorku) a testy stability (šest injekcí stejných extraktivních látek po 0, 2, 4, 8, 12 a 24 hodinách) přinesly RSD 0,56–1,46 % a 1,06–3,60 %.

Další obsahové analýzy sedmi složek indexu byly zobrazeny v seskupených vodorovných rámečcích obsahujících výsledky vizuálního srovnání a významné rozdíly v malých písmenech. Výsledky testu výtěžnosti sedmi složek se pohybovaly od 99,25% do 104,10% s RSD mezi 0,69% a 3,45%. Proto byla metoda přesná.

Obsah sedmi složek indexu u čtyř druhů a zeměpisný původ téhož druhu jsou zobrazeny ve skupinových vodorovných rámečcích. Obsah některých chemických složek byl pod detekčním limitem. Takže pouze část fgurů obsahovala čtyři druhy Cistanche. Chemická složka 2′-acetylakteosid byla detekována pouze uCistanche deserticola, zatímco u ostatních druhů nebyl současnou metodou zjištěn. Nicméně, obsahový rozdíl byl pozorován mezi různými geografickými původy zaměřenými na 2′-acetylacteosid. Obsah složky z Alashanzuoqi ve Vnitřním Mongolsku byl výrazně vyšší než obsah ve třech ostatních provinciích, zatímco obsah druhů z Tingtuhu z Minqinin, provincie Gansu, byl výrazně nižší než obsah v ostatních lokalitách (obr. 1A). Tubulosid A byl detekován uCistanche deserticolaaCistanche tubulosa.Nebyl pozorován žádný pozoruhodný rozdíl mezi těmito dvěma druhy a dokonce ani mezi rostlinami stejného druhu různého geografického původu (obr. 1B). Tyto čtyři druhy obsahovaly stejnou chemickou složku (akteosid). Obsah akteosidu v C. salsa odebraném z Jianga'erhan z Tachengu v Sin-ťiangu byl výrazně vyšší než obsah ostatních druhů a stejných druhů z různých pěstitelských oblastí. Naproti tomu obsah akteosidu se významně nerozlišoval mezi různými původyCistanche deserticola(toto fnding bylo stejné jako u tubulosidu A; obr. 1C). Cistanosid A byl detekován uCistanche deserticolaa C. salsa. Obsah vzorků C. salsa z Jianga'erhan z Tachengu v Sin-ťiangu byl výrazně vyšší než obsahCistanche deserticolavzorky z jiných míst. Kromě toho odchylka v umístění neovlivnila obsah komponenty. Tento stav byl stejný jako u tubulosidu A a akteosidu (obr. 1D). U cistanosidu A obsah indexové složky neodpovídal rozdílům v druzích a zeměpisném původu (obr. 1E). Obsah echinakosidů ve vzorcích C. salsy z Hejiaoke z Tuoli v Sin-ťiangu byl výrazně vyšší než obsah vzorků z Jianga'erhan z Tachengu v Sin-ťiangu. Obsah komponent vzorků zCistanche deserticolaaCistanche tubulosabez ohledu na to, kde byly shromážděny, byly výrazně nižší než na jiných místech (Jianga'erhan z Tachengu v Sin-ťiangu). Kromě toho nemohla být chemická složka detekována u C. sinensis (obr. 1F). Isoakteosid byl zjištěn u všech druhů Cistanche s výjimkou C. salsa; obsah isoakteosidů vCistanche tubulosabyl výrazně vyšší než u ostatních dvou druhů bez ohledu na zdrojové provincie v Číně (obr. 1G). Zde byly všechny významné rozdíly menší než P< 0.5.="" the="" total="" contents="" of="" these="" chemical="" components="" are="" stacked="" in="" fig.="" 2="" for="" improved="" comparison="" of="" the="" seven="" styrene="" glycosides.="" herein,="" we="" hypothesized="" that="" geographical="" origins="" exerted="" a="" small="" infuence="" on="" the="" potentially="" suitable="" areas="" in="" the="" world="" and="" in="">

S kombinovanými výpočty od MaxEnt a ArcGIS byly vypočteny potenciální vhodné oblasti pro čtyři druhy bylin Cistanche. Výsledky jsou uvedeny v tabulce 1. Podobně jako kategorie ve výše uvedených částech byly potenciálně vhodné oblasti rozděleny do čtyř tříd. Pokud jde o třídu vysoké vhodnosti stanovišť, tři druhy měly na celém světě přibližně o 30 km2 větší vhodné oblasti (Cistanche deserticola: 29,2210 km2, C. sinensis: 31,3034 km2, C. salsa: 30,8633 km2) ve srovnání s C. tubu- losa (10,6866 km2). Jak ukazuje srovnání třídy vysoké vhodnosti stanovišť,Cistanche deserticolaměl největší výměru (38,9267 km2) z hlediska středně vhodné třídy (Cistanche tubulosa: 12,4069 km2, C. sinensis: 32,1292 km2, C. salsa: 38,5764 km2), zatímco rozlohaCistanche tubulosabyl stále nejmenší.

Z hlediska potenciálních oblastí považovaných za potenciální rozložení vhodných pěstitelských lokalit se diskutuje o vysoké vhodnosti stanovišť a středně vhodných třídách. Většina vhodných oblastí (přibližně 90%) proCistanche deserticolabyly distribuovány hlavně na severu a severozápadě Číny. Kromě toho bylo identifikováno několik oblastí s potenciálními pěstitelskými podmínkami na jihu Spojených států, jihozápadním Íránu, východním Turecku, jižním Mongolsku a východním Kazachstánu (obr. 3). Na rozdíl od výše uvedených druhů se zdálo, že C. tub- ulosa je dobře rozšířena po celém světě, pokrývající západ Číny, severozápad Jižní Ameriky, sever Afriky a některé země mezi Čínou a Afrikou. Nicméně, i kdyžCistanche tubulosaměl široké potenciální rozšíření, celková plocha druhu byla nejmenší ve srovnání s ostatními třemi druhy, pro které celkové plochy s vysokou vhodností stanovišť a mírnými třídami činily 23,0935 km2. Pokud jde o tyto dvě třídy, v severním Egyptě, v západní oblasti Království Saúdské Arábie, v jižním Jemenu, severních Spojených arabských emirátech, jižním Íránu a Pákistánu bylo nalezeno pouze několik potenciálních oblastí vhodných pro růst tohoto druhu. Největší oblasti byly stále v Číně, kde se celkové předpovědní oblasti nacházely na západě země (obr. 4). PodobnéCistanche deserticola, C. salsa byla distribuována hlavně na severozápadě a severu Číny, kde má exemplář záznamy. Po predikci modelem MaxEnt existovala malá predikční oblast, která může být vhodným růstovým prostředím ve Spojených státech a východně od Kazachstánu a Kyrgyzstánu (obr. 5). Většina předpokládaných lokalit C. sinensis byla rozšířena v severní a západní Číně. Kromě toho bylo identifikováno několik oblastí ve střední části Maroka, jihovýchodního Alžírska a severozápadního Čadu a Íránu (obr. 6).

Potenciálně vhodné oblasti vypočítané maxEntem jsou zobrazeny v pravém dolním rohu obr. 3–6, aby se ukázalo predikční rozložení čtyř druhů v Číně. Zde byly nejmenší jednotky mapování distribuce předpovědí založeny na provinciích v Číně. Podobně jako analýza pro svět, analýza v této části byla založena na vysoké vhodnosti stanovišť a mírných třídách. Oblasti předpovědi naznačovaly, žeCistanche deserticolabyl distribuován hlavně v provinciích Sin-ťiang, Vnitřní Mongolsko, Ningxia, Gansu a Qinghai. Ačkoli několik distribučních oblastí bylo nalezeno v jiných provinciích, patřily do třídy 2. Proto byly tyto oblasti špatně vhodné, a proto se nedoporučovaly pro pěstování tohoto druhu. ProCistanche tubulosa, byly všechny potenciálně vhodné oblasti tohoto druhu předpovězeny v provincii Sin-ťiang v Číně. Zajímavé je, že C. salsa měla v Číně širokou škálu potenciálních distribucí, včetně provincií Xinjiang, Vnitřní Mongolsko, Ningxia, Gansu, Qinghai, Shanxi, Shaanxi a Hebei. Navíc se zdálo, že celá provincie Ningxia je možnou pěstitelskou oblastí pro tento druh. Podobně jako C. salsa, C. Sinensis měl také široké oblasti pro potenciální distribuci s výjimkou provincie Sin-ťiang (ale měl oblast předpovědi v provincii Xizang).

hodnocení každého druhového modelu.

Výkon modelu byl rozdělen do kategorií fve: neúspěšný, špatný, spravedlivý, dobrý a vynikající (0,9< auc="" ≤="" 1).="" the="" model="" performance="" in="" terms="" of="" the="" auc="" value="" and="" roc="" curve="" among="" the="" four="" models="" is="" displayed="" in="" fig.="" 7.="" the="" results="" indicated="" that="" the="" four="" models’="" performance="" in="" the="" training="" data="" was="" excellent,="" with="" auc="" values="" between="" 0.997="" and="" 0.998="" and="" a="" top="" left="" corner="" roc="" curve="" close="" to="" 1.="" moreover,="" the="" auc="" value="" in="" the="" test="" data="" also="" showed="" good="" model="" performance,="" with="" a="" high="" value="" between="" 0.979="" and="" 0.996="" and="" a="" top="" left="" corner="" roc="" curve="" close="" to="" 1.="" in="" general,="" these="" models="" have="" a="" strong="" capability="" to="" predict="" potential="" species="">

Analýza odezvy proměnných na vhodnost.

Křivky odezvy ukazují kvantitativní vztah mezi vhodností stanoviště a proměnnými prostředí (označovanými také jako logistická pravděpodobnost přítomnosti)14. V této studii byly použity společné proměnné mezi jackknife testem a permutační důležitostí (procentuální příspěvek) k analýze odezvy proměnných na vhodnost. Pokud jde oCistanche deserticola, bio09 a vítr10 byly společné proměnné. Vhodná průměrná teplota nejsušší čtvrti (bio09) se pohybovala mezi −12,71227957 °C a −1,296478534 °C. Optimální rychlost větru v říjnu (vítr10), která je přínosná pro rozšíření druhu, byla mezi 0,5841 a 3,2581 m·s−1 (obr. S5). Pro rozdělení potenciálu vCistanche tubulosamodel. Prvním z nich bylo sluneční záření v květnu, s vhodným rozsahem přesahujícím 24661.0800 kJ·m−2·day−1. Druhým byly srážky v říjnu (pre10), s optimální hodnotou nižší než 5.4640 mm (obr. S6). Výsledky testu jackknife ukázaly, že čtyři proměnné byly stejné jako u dvou dalších metod hodnocení příspěvku bioklimatických faktorů v modelu C. salsa. První dvě proměnné zahrnovaly sluneční záření v červnu a listopadu (srad06 a srad11) s rozsahem 23298.9691–25137.457 a 6709.6219–10687.2852 kJ·m−2·day−1. Třetí byla průměrná teplota nejsuššího čtvrtletí (bio09) s optimálním rozmezím -12,6159–2,8479 °C. Čtvrtou proměnnou byly srážky v září (pre09) s vhodným rozmezím 8.3762–32.4312 mm (obr. S7). MaxEntův model C. sinensis měl tři důležité proměnné, které většinou přispěly k potenciální distribuci druhu. Vhodný rozsah slunečního záření v prosinci (srad12) byl 6138.3161–9488.8316 kJ·m−2·day−1 a maximální teplota v listopadu (tmax11) byla -1.9115–9.6048 °C. Navíc vhodný rozsah rychlosti větru v srpnu (vítr08) byl 2,1005 – 3,3054 m·s−1 (obr. S8). Další důležité proměnné přispívající k potenciálnímu rozšíření čtyř druhů jsou shrnuty ve Figs. S5–S8.

Korelace mezi chemickými složkami a bioklimatickými proměnnými. Nejoblíbenější druhy z hlavních distribučních provincií (Cistanche deserticola) byla porovnána s porovnáním korelační analýzy a zkoumáním fuktace obsahu sedmi složek indexu se stavem prostředí. Po analýze vhodného potenciálního rozšíření druhu byly tyto potenciální distribuční oblasti rozděleny do čtyř kategorií. Zde bylo na mapě Číny zmapováno šest sběrných míst včetně 22 vzorků extrahovaných z výsledků maxentského modelu druhu (obr. 8). Výsledky ukázaly, že dvě sběrná místa se nacházela ve třídě 1 (třída vysoké vhodnosti stanovišť) a dvě sběrná místa patřila do třídy 2 (středně vhodná třída). Dvě místa fnal byla klasifikována jako třída 3 (nízká vhodná třída). Významný rozdíl v obsahu 2′-acetyl akteosidů byl pozorován mezi CD-TG (Tingtuhu, Minqin, provincie Gansu) a CD-AI (Alashanzuoqi, Vnitřní Mongolsko), které patřily do tříd 2 a 1. Kromě toho se obsah složky v CD-AX (oblast jezera Aibi, Tacheng, Xinjiang) a CD-CG (Changcheng, Liangzhou, provincie Gansu), která patřila do třídy 3, významně nelišil od obsahu čtyř dalších míst, které patřily do třídy 1 a třídy 2. U šesti dalších chemických složek nebyl zjištěn žádný významný rozdíl mezi různými zeměpisnými původy, pokud jde o obsah těchto složek.

Diskuse

Bylinná medicína je složitá směs mnoha chemických složek, které přispívají k systematickému cílení onemocnění. Kromě toho může být jeden typ rostlinného materiálu sbírán z různých botanických druhů, které mají podobné vlastnosti nebo účinné složky. Například Coptidis Rhizoma je bylinný lék s vysokofrekvenčním využitím; získává se ze tří kongenerických rostlin (Coptis chinensis, C. deltoidea a C. teeta) a používá se k léčbě průjmu vyvolaného zadržováním vlhkosti pomocí různých berberinů18. Kromě toho se Polygonatum Rhizoma běžně používá jako funkční potravina v každodenním životě v Číně pro imunoregulaci; surovými materiály jsou oddenky Polygonatum kingianum, P. sibiricum a P. cyrtonema19. Tato studie zahrnovala čtyři druhy, z nichž dva jsou oficiálně zaznamenány v Čínském lékopise (Cistanche deserticolaaCistanche tubulosave verzi 2015).