何德颖,肖薇依,黎 成,邹峥嵘*

1江西师范大学生命科学学院;2江西省亚热带植物资源保护与利用重点实验室,南昌 330022

蜡梅属(ChimonanthusLindl.)是我国特有的属,根据《中国植物志》该属包括6个种:蜡梅(C.praecox)、山蜡梅(C.nitensOliv)、柳叶蜡梅(C.salicifolius)、西南蜡梅(C.campanulatus)、浙江蜡梅(C.zhejiangensis)和突托蜡梅(C.grammatus)[1]。Chen等[2]将突托蜡梅归属为蜡梅属的变种。蜡梅不仅有较高的观赏性,还有极高的食用与药用价值。山蜡梅叶和柳叶蜡梅叶可制成香风茶,又名石凉茶,具有抑菌抗炎[3]、预防感冒[4]、降血糖[5]和镇咳止喘[6]的作用,其能流行起来,很大程度上是因为它在治疗胃胀、降低血脂、预防中暑和提高免疫力方面的功效[7]。黄酮、生物碱、香豆素、甾体和木质素等类型的化合物是蜡梅属中的非挥发性成分,而精油是挥发性成分,具有独特的香气。蜡梅属植物精油成分复杂,化合物种类主要包括萜类化合物、芳香族化合物和脂肪族化合物等三大类型,其中单萜与倍半萜化合物的含量最为丰富。许多药理研究都表明蜡梅属精油具有抑菌[8]、抗炎[9]、抗氧化[10,11]、抗病毒[12]、镇咳平喘[13]和减脂[14]等活性,对血管性痴呆[15]、急性肺损伤[16]和溃疡性结肠炎[17]等疾病有较好的治疗作用。

近年来,对蜡梅属植物的关注越来越广泛,研究主要聚焦在品种分类、种质资源、分子生物学和病理应用等方面,但是对挥发性成分的综合研究有待深入。本文对新近报道的蜡梅属植物精油成分进行了分类整理,包括蜡梅花、蜡梅叶、蜡梅籽、蜡梅根、蜡梅果皮、突托蜡梅花、山蜡梅花、山蜡梅叶、山蜡梅嫩梢、浙江蜡梅叶、浙江蜡梅花、柳叶蜡梅茎、柳叶蜡梅花和柳叶蜡梅叶等不同种类与不同器官的研究,并概述了它们的药理活性,以期为进一步开发和利用蜡梅属植物的精油资源提供有益参考。

1 蜡梅属植物精油的化学成分

精油是从芳香植物原料中提取的油性芳香液体,是由多种类型化合物组成的混合物。作为次生代谢产物,植物精油可以在,花蕾、叶片、种子、树皮和根茎等不同的器官中进行生物合成[18]。虽然精油的组成成分复杂,但基本的化合物类型主要包括萜类及其含氧衍生物、芳香族和脂肪族及其含氧衍生物等类型。作者查阅近十年来关于蜡梅属植物精油的研究文献,从中筛选出含量大于0.5%的化合物140个,其中萜类占75.0%,是植物精油的主要化合物类型;脂肪族化合物占18.6%,芳香族化合物占6.4%。

1.1 萜类化合物

萜类化合物是天然产物中的一类非常重要的次生代谢产物,在自然界中分布广泛,数量庞大,结构类型多样,大部分都具有重要的生物活性。从化学结构特征看,萜类化合物是异戊二烯的聚合物及其衍生物,根据结构中异戊二烯单元的数目可分为半萜(C5H8)、单萜(C10H16)、倍半萜(C15H24)、二萜(C20H32)等。蜡梅属植物精油的主要组成成分是单萜、倍半萜及其含氧衍生物。

1.1.1 单萜、倍半萜化合物的生物合成途径

单萜与倍半萜的生物合成途径主要由3个阶段组成。第一阶段生成C5的前体异戊烯基二磷酸酯(isopentenyl diphosphate,IPP)及其双键异构体二甲烯丙基焦磷酸(dimethylallyl diphosphate,DMAPP)。它们由两条途径形成,分别是位于细胞质的甲羟戊酸(mevalonic acid,MVA)途径和位于质体的甲基赤藓醇-4-磷酸(methylerythritol phosphate,MEP)途径(见图1)。第二阶段生成直接前体物质焦磷酸香叶酯(geranyl diphosphate,GPP)和焦磷酸金合欢酯(farnesyl diphosphate,FPP)。第三阶段是萜类化合物的生成与修饰,直接前体物质在萜类合成酶(terpene synthases,TPS)催化下分别形成单萜和倍半萜化合物,后经酶的修饰形成结构多样的萜类化合物[19-21]。

图1 单萜、倍半萜化合物的生物合成途径Fig.1 The biosynthesis pathways of monoterpenoid and sesquiterpenoid

在MVA途径中,以2分子的乙酰-CoA(acetyl-CoA)为原料,在乙酰乙酰-CoA硫解酶(acetoacetyl CoA thiolase,AACT)催化下缩合成乙酰乙酰-CoA(acetoacetyl-CoA,AcAc-CoA),而后在3-羟基-3-甲基戊二酰CoA合成酶(3-hydroxy-3-methylglu-taryl CoA synthase,HMGS)作用下与第三个乙酰-CoA缩合形成HMG-CoA,随后在HMG-CoA还原酶(HMG-CoA reductase,HMGR)作用下还原成MVA。接下来MVA依次受甲羟戊酸激酶(mevalonate kinase,MK)、磷酸戊酸激酶(phosphomevalonate kinase,PMK)和焦磷酸甲羟戊酸脱羧酶(mevalonate diphosphate decarboxylase,MVD)的催化作用,转化为5-磷酸甲羟戊酸(mevalonate 5-phosphate,MVAP)、焦磷酸甲羟戊酸(mevalonate diphosphate,MVAPP)和IPP。而IPP可以在异戊烯基二磷酸异构酶(isopentenyl diphosphate isomerase,IDI)的催化下发生可逆反应生成它的同分异构体DMAPP[22,23]。

在MEP途径中,丙酮酸(pyruvate)和甘油醛-3-磷酸(glyceraldehyde-3-phosphate,G3P)在1-脱氧-D-木酮糖合成酶(1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate synthase,DXS)催化下生成1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸(1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate,DXP),而后在1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原酶(DXP reductoisomerase,DXR)作用下还原成MEP。接下来MEP依次受2-C-甲基-D-赤藓醇-4-磷酸胞苷转移酶(2-C-methyl-D-erythritol-4-phosphate cytidyltransferase,MCT)、4-(5′-焦磷酸胞苷)-2-C-甲基-D-赤藓醇激酶(4-(cytidine 5′-diphospho)-2-C-methyl-D-erythritol kinase,CMK)、2-C-甲基-D-赤藓醇-2,4-环焦磷酸合成酶(2-C-methyl-D-erythritol-2,4-cyclodiphosphate synthase,MDS)和羟甲基丁烯酸-4-磷酸合酶(4-hydroxy-3-methylbut-2-enyl diphosphate synthase,HDS)催化作用,转化为4-(5′-焦磷酸胞苷)-2-C-甲基-D-赤藓醇(4-(cytidine 5′-diphospho)-2-C-methyl-D-erythritol,CDP-ME)、4-(5′-焦磷酸胞苷)-2-C-甲基-D-赤藓醇-2-磷酸(4-(cytidine 5′-diphospho)-2-C-methyl-D-erythritol phosphate,CDP-ME2P)、2-C-甲基-D-赤藓醇-2,4-环焦磷酸(2-C-methyl-D-erythritol-2,4-cyclodiphosphate,MEcPP)和羟甲基丁烯基-4-磷酸(4-hydroxy-3-methylbut-2-enyl diphosphate,HMBPP)。最后被羟甲基丁烯基-4-磷酸还原酶(4-hydroxy-3-methylbut-2-enyl diphosphate reductase,HDR)还原为IPP和DMAPP[24,25]。

IPP和DMAPP在短链戊烯基转移酶的催化活性下头尾相接,形成线性戊烯基二磷酸酯,作为所有萜类化合物的中心前体。GPP是所有单萜的前体,焦磷酸橙花酯(neryl diphosphate,NPP)也被证明是规则单萜类化合物的前体[26]。FPP则是倍半萜的前体物质。

1.1.2 单萜

单萜依据碳骨架的特征,可分为链状单萜、环状单萜和变形单萜。在蜡梅属植物精油成分中,暂未发现变形单萜成分。公开报道的单萜类成分有8个链状单萜化合物、10个单环单萜化合物、6个双环单萜化合物和1个三环单萜化合物,具体名称与结构见表1与图2。笔者对相关文献进行认真阅读和整理分析,发现桉叶油醇(eucalyptol,18)、α-蒎烯(α-pinene,19)、莰烯(camphene,21)、樟脑(camphor,22)、龙脑(borneol,23)和乙酸冰片酯(bornyl acetate,24)等化合物在蜡梅属植物精油研究报道中的出现频率较高,在不同蜡梅属植物的器官中都有发现。

表1 蜡梅属中的单萜类化合物

图2 蜡梅属植物中单萜类代表化合物的结构Fig.2 Structures of representative monoterpenoids from Chimonanthus Lindl．

1.1.3 倍半萜

倍半萜依据碳骨架的特征,可分为无环倍半萜、环状倍半萜和薁类衍生物。倍半萜类是高沸点芳香植物精油的主要组成成分,虽然碳骨架只有15个碳原子,但由于生物体内多种酶参与的次生代谢过程产生了许多的基本碳骨架和复杂的衍生物,数量居萜类化合物之首。

在蜡梅属植物精油成分中,暂未发现薁类衍生物,公开报道的倍半萜类成分包括3个无环倍半萜、12个单环倍半萜,48个双环倍半萜和17个三环倍半萜,涉及的基本碳骨架包括金合欢烷、没药烷、蛇麻烷、吉马烷、榄香烷、桉叶烷、杜松烷、愈创烷、石竹烷、柏木烷、广藿香烷、衣兰烷、香木兰烷、荜澄茄烷和长叶烷等[40],结构复杂多样。这些倍半萜化合物多数是在蜡梅属植物的花和叶片的精油中发现;而如顺式-橙花椒醇(cis-nerolidol,28)、β-榄香烯(β-elemene,31)、大根香叶烯D(germacrene D,32)、石竹烯(caryophyllene,43)、γ-杜松烯(γ-cadinene,48)、石竹烯氧化物(caryophyllene oxide,66)、桉油烯醇(spathulenol,69)、杜松醇(cadinol,73)和古巴烯(copaene,91)等则发现于多个器官提取的精油中,其中化合物83～88是从蜡梅叶中新分离纯化得到的。具体化合物名称与结构见表2与图3、4。

表2 蜡梅属中的倍半萜类化合物

图3 蜡梅属中的倍半萜类代表化合物的结构Fig.3 Structures of representative sesquiterpenoids compounds from Chimonanthus Lindl.

图4 蜡梅属中的倍半萜类代表化合物的结构Fig.4 Structures of representative sesquiterpenoids compounds from Chimonanthus Lindl.

1.2 芳香族化合物

芳香族化合物在精油中的分布也十分广泛,在蜡梅属植物精油的文献中整理得到9个芳香族化合物,主要是在蜡梅花精油中发现,此类化合物也是蜡梅植物精油中分布最少的,具体化合物名称与结构见表3与图5。

表3 蜡梅属中的芳香族类化合物

图5 蜡梅属中的芳香族类代表化合物的结构Fig.5 Structures of representative aromatic compounds from Chimonanthus Lindl．

萜类、苯丙类和脂肪族衍生物是观赏性植物的主要花香化合物,不同植物的花这三类化合物的含量也不同[41]。有研究发现苯甲醇(benzyl alcohol,106)、乙酸苯甲酯(benzyl acetate,108)和丁香酚(eugenol,109)是蜡梅花的典型花香化合物[42]。

1.3 脂肪族化合物

植物精油中也存在一些小分子的脂肪族化合物,包括烷烃、烯烃、酸、醛、酮、醇和酯等,从蜡梅属植物精油相关报道中整理得到26个脂肪族化合物,具体名称与结构见表4与图6。

表4 蜡梅属中的脂肪族类化合物

图6 蜡梅属中的脂肪族类代表化合物的结构Fig.6 Structures of representative aliphatic compounds from Chimonanthus Lindl．

2 蜡梅属植物精油成分的药理活性

2.1 抑菌作用

蜡梅属植物精油对病原真菌表现出抑制作用,如禾谷镰刀菌(Fusariumgraminearum)、核盘菌(Sclerotiniasclerotiorum)、胶孢炭疽菌(Colletorichumgloeosporioides)、玉米大斑病菌(Helminthosporiumturcicum)等[35],而不同产地的蜡梅精油表现的抑菌作用存在一定的差异[31]。研究发现萜类化合物是蜡梅属植物精油具有抑菌作用的主要物质。Lou等[43]在蜡梅茎和根中分离纯化得到8个倍半萜化合物,可以抑制金黄色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)、白色念珠菌(Candidaalbicans)、大肠杆菌(Escherichiacoli)和绿脓杆菌(Pseudomonasaeruginosa)的增殖,最小抑制浓度为128～254 μg/mL。此外,蜡梅不同部位精油的抑菌效果也存有差异,Wang等[8]探究了蜡梅根、叶和果皮精油对细菌和真菌的抑制作用,对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(methicillin-resistantStaphylococcusaureus)和人参锈腐(Cylindrocarpondestructans)的抑菌效果:蜡梅根>蜡梅叶>蜡梅果皮。而对小麦根腐病菌(Bipolarissorokinianum)的抑制率则是:蜡梅果皮精油(66.14%)>蜡梅根精油(63.21%)>蜡梅叶精油(55.53%)。

2.2 抗炎

抗炎作用是蜡梅属植物药理活性中研究最多的,多在香豆素、生物碱和黄酮类(如芦丁、槲皮素和山柰酚)化合物等非挥发性成分中发现[44,45],但植物精油也有抗炎活性。Dai等[9]利用足肿胀模型证明了蜡梅花精油具有抗炎作用,能够抑制足部肿胀组织中肿瘤坏死因子-α(TNF-α)和白细胞介素(IL-1β)的增殖。Yuan等[13]通过耳肿胀模型,证明高、中、低剂量的山蜡梅叶精油均能显著抑制小鼠的耳肿胀,抑制率都大于50%,其中高剂量组效果最佳。

2.3 抗氧化

2.4 抗病毒

蜡梅属植物精油具有抗病毒活性。Wu等[12]利用流感病毒侵染传代犬肾细胞(madin-darby canine kidney,MDCK),使其在感染病毒48 h后出现病变效应(CPE),给予山蜡梅挥精油后CPE减弱,正常形态的细胞数量明显增加,病毒抑制率随药物浓度的上升而提高。这表明山蜡梅精油的组分可以穿入细胞,并对病毒基因组的释放、复制或转录等过程产生抑制或干扰作用。

2.5 镇咳平喘

蜡梅属植物的叶片可制成香风茶,因其具有镇咳平喘的活性在民间被广泛应用。Yuan等[13]研究证实山蜡梅叶挥发油的低、中、高剂量组用药均能明显延长小鼠的咳嗽潜伏期,减少小鼠咳嗽次数,而中高剂量的挥发油能显著延长大鼠的平喘潜伏期,其中高剂量效果最佳,延长率达109.54%。

2.6 减脂作用

Chen等[14]研究山蜡梅叶精油对小鼠脂肪的合成有干预作用,且对肌肉和体重无明显影响。其Lee′s指数(反应小鼠肥胖程度的参数)均显著低于正常组,总脂肪指数有下降趋势,并显著降低血清甘油三酯和总胆固醇的含量;山蜡梅挥发油干预脂肪合成的一条途径就是抑制脂肪合酶(fatty acid synthase,FAS)的活性,从而抑制甘油三酯的合成,40mg生药/mL的精油即可抑制50%以上的酶活性。

2.7 其他活性

蜡梅属植物精油对临床上一些疾病的治疗也具有一定的生物活性。Wang等[15]发现山蜡梅叶挥发油可以改善血管性痴呆(vascular dementia,VD)大鼠认知功能障碍。山蜡梅叶挥发油使得大鼠逃避潜伏期缩短、穿越原平台次数增多、垂直得分和水平得分增高,血清指标种超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性升高、丙二醛(malonaldehyde,MDA)含量下降。其机制可能与纠正大鼠脑组织氧化或抗氧化失衡,保护脑组织免于氧化损伤,并减轻海马区损伤有关。Wan等[16]研究证明山蜡梅叶精油对脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)诱导的大鼠急性肺损伤有保护作用,可增加大鼠白细胞计数、降低免疫器官指数以及改善肺组织病理变化。在保护过程中炎症因子IL-1β水平明显降低,同时,精油的保护作用伴随着脂质氧化的减弱和抗氧化酶的升高,表明抗氧化防御的增强与其对肺的保护作用有关。此外,与单纯应用LPS相比,精油与LPS的组合应用可增加丙酸、异丁酸、丁酸和异戊酸而显著增加短链脂肪酸(short-chain fatty acids,SCFAs)的含量。因此,山蜡梅精油可以通过控制异常炎症、纠正氧化还原系统和调节SCFAs来减轻LPS引起的急性肺损伤。He等[17]研究了蜡梅叶精油对葡聚糖硫酸钠(dextran sodium sulfate,DSS)诱导的小鼠溃疡性结肠炎(ulcerative colitis,UC)的保护作用,发现蜡梅叶精油可有效延迟小鼠体重减轻,明显恢复DSS引起的大鼠结肠长度缩短,且组织损伤也显著减少。此外精油剂量组可减轻DSS对结肠上皮细胞的损伤,抑制炎性细胞的浸润,维持肠上皮和腺体的完整性。

3 结语与展望

蜡梅属植物为我国所特有,分布广泛且具有很高的观赏性与药用价值,具有较大的开发潜力;其精油组成丰富,化合物类型多样,具有抑菌、抗炎、抗氧化、抗病毒和止咳平喘等药理活性,对血管性痴呆、急性肺损伤和溃疡性结肠炎等疾病有潜在的治疗作用。但是目前有关蜡梅属植物资源研究与利用深度明显不足,具体表现为:蜡梅属植物的种质资源和系统进化需更加深入,对其种属分类依旧存在争议;其次,当前对蜡梅属精油药理活性的研究大多数都是基于未经分离纯化的精油,化学成分十分复杂,这导致对蜡梅属精油作用靶点及其作用机制等并没有得到很好的阐明;最后,萜类化合物是精油的主要成分,现在有许多研究表明一些植物中的萜类化合物是对抗疾病的有效成分,如倍半萜类的青蒿素可以对抗疟疾,环状倍半萜小白菊内酯可以抗亚马逊利什曼原虫,因此对植物精油中萜类化合物药理作用的探究需要进一步深入,特别是结构复杂多样的倍半萜类化合物,其不同类型碳骨架是否会对应不同的药理活性,这都有待研究人员去发现。深入研究蜡梅属精油的化学组成、生物活性、作用机理和构效关系将有助于更好地开发利用我国丰富的蜡梅属植物资源。