姜黄根茎中姜黄素类成分含量的产地差异及其与环境因子的CCA分析

杨 旭，杨志玲，刘若楠，王 洁

(中国林业科学研究院亚热带林业研究所，浙江 富阳 311400)

姜黄(Curcuma longa L.)为姜科(Zingiberaceae)植物，其干燥根茎具有行气破血、消积止痛、清心解郁的功效；其中的主要有效成分为姜黄素类化合物，包括姜黄素 (curcumin，Cur)、去甲氧基姜黄素(demethoxycurcumin，DMC)和双去甲氧基姜黄素(bisdemethoxycurcumin，BDMC)［1］。现代药理实验结果表明：姜黄素类化合物是有效的脏器损伤保护剂，对肝、肺、胃损伤具有良好的修复作用［2-4］，可用于治疗肝炎、肺炎、胰腺炎等多种急慢性炎症［5］；还能抑制癌细胞增生和抗艾滋病，有很高的开发潜力［6-7］。

姜黄主产台湾、福建、广东、广西、云南及西藏等省区，在东亚和东南亚也广泛栽培［8］。目前规模较大的种植地在四川崇州和犍为一带，广东、广西及云南等地也有零星种植。近年来，由于姜黄的收购价格连年下滑，造成其栽培面积急剧缩小。广泛存在的药材混乱流通现象导致不同产地的姜黄出现成分和活性的差异，而相关标准［9］对姜黄中姜黄素类成分的含量没有明确要求，不能对姜黄的质量进行有效控制。因此，已有研究者对姜黄中姜黄素类成分的产地差异进行了比较分析［10-13］，但多侧重于含量测定方法的探讨，对不同产地姜黄素类成分的含量仅作描述，且基本未涉及药材品质与环境因子相互关系的研究，只孤立地对化学成分含量的差异进行比较。

作者研究了不同产地姜黄根茎中姜黄素类成分的含量差异，并运用典范对应分析(canonical correspondence analysis，CCA)方法探讨其与气候和土壤因子的相关性，旨在为姜黄生产提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 材料

分别于2009年1月和2010年1月姜黄的收获季节采集姜黄的新鲜根茎，采样地点包括国产姜黄的主要产地。其中，来源于广西博白和云南马关的姜黄根茎采于2009年，来源于广西金秀的姜黄根茎采于2010年，来源于其他产地的姜黄根茎均分别采集于2009年和2010年。采集的姜黄根茎由中国林业科学研究院亚热带林业研究所杨志玲副研究员鉴定。产地气候条件数据来源于中国自然资源数据库，采集地自然概况见表1和表2。

1.2 方法

1.2.1 标准曲线绘制 分别取BDMC、DMC和Cur标准品适量，精密称定后加无水乙醇配制成质量浓度200 mg·L-1的对照品储备液。精密量取对照品储备液适量，用无水乙醇配制成质量浓度分别为0.000、4.000、8.000、12.000、16.000、20.000和40.000 μg·L-1的对照品溶液。使用W2695(Alliance系统)高效液相色谱仪(美国Waters公司)进行HPLC分析。色谱条件参照文献［9］。分别精密吸取不同质量浓度的对照品溶液5μL进样，于波长430 nm处检测。以对照品溶液的质量浓度为自变量x、峰面积为因变量y，绘制标准曲线。BDMC的线性回归方程为：y1= 13 060x1-4 391.3，r=0.999 1；DMC的线性回归方程为：y2=45 946x2-16 358，r=0.999 6；Cur的线性回归方程为：y3=28 472x3-9 583.2，r=0.999 5。各标准品的线性范围均为0～40μg·mL-1。

表1 姜黄采样地的地理坐标和海拔Table 1 Geographic coordinate and altitude of sample plots of Curcuma longa L.

表2 姜黄产地的气候概况Table 2 Climatic status of locations of Curcuma longa L.

1.2.2 样品溶液制备及测定 姜黄根茎于60℃低温烘干，粉碎后过100目筛、备用。准确称取粉末样品0.2 g，每一采样地称取3份，分别加入甲醇50 mL，混匀后于70℃水浴加热回流提取30 min，冷却后过滤，滤液用甲醇定容至100 mL。分别取5 mL样品溶液，于12 000 r·min-1离心10min，取上清液待测。按照标准曲线的测定方法进行HPLC分析，采用外标一点法［9］计算样品中BDMC、DMC和Cur的含量。

1.2.3 方法学考察 精密吸取上述混合对照品溶液5μL，按照上述色谱条件进行HPLC分析，连续进样6次。BDMC、DMC和Cur的RSD值分别为0.7％、0.7％和0.3％，表明仪器精密度良好。

分别精密称取同一供试样品溶液5μL，按照上述色谱条件于0、2、4、6、8、12和24 h进样测定，BDMC、DMC和Cur的 RSD值分别为0.58％、0.76％ 和0.54％，表明供试样品溶液在24 h内基本稳定。

取同一产地姜黄样品6份，分别按照样品溶液的制备方法及上述色谱条件进行测定，BDMC、DMC和Cur的平均含量分别为0.98％、0.27％和1.31％，RSD值分别为2.00％、0.95％和1.38％，表明该方法重复性良好。

称定BDMC、DMC和Cur含量已知的姜黄粉末样品5份，精密加入一定量的对照品，按样品溶液的制备方法及上述色谱条件进行测定。BDMC、DMC和Cur的平均回收率分别为95.8％、96.8％和97.1％，RSD值分别为1.7％、2.2％和1.8％。

1.2.4 姜黄根际土壤营养元素测定 分别按照中华人民共和国林业行业标准LY/T 1238—1999［14］114-115、LY/T 1228—1999［14］75-78、LY/T 1232—1999［14］88-90、LY/T 1234—1999［14］96-98和LY/T 1237—1999［14］106-108测定土壤的pH值及土壤中全N、全P、全K和有机质的含量。

1.3 数据分析

采用SPSS12.0软件对不同产地姜黄中姜黄素类成分的含量进行方差分析，运用Canoco 4.5软件对不同产地姜黄中姜黄素类成分含量与产地的地理-气候、土壤因子进行典范对应分析。

2 结果和分析

2.1 不同产地姜黄根际土壤中养分含量的比较

不同产地姜黄根际土壤中有机质、全N、全P、全K含量以及土壤pH值的分析结果见表3。由表3可知：姜黄多生长在中性偏酸性的土壤中，土壤水肥性能良好，土壤养分含量高于李隆云等［15］划分的适宜或较适宜于姜黄生长土壤的标准。

不同产地姜黄根际土壤的性质差异较明显。有机质含量为14.03～32.79 g·kg-1，其中，广西博白和玉林的土壤有机质含量均在32 g·kg-1以上，且显著高于其他产地(P＜0.05)；广东四会的土壤有机质含量最低，仅为14.03 g·kg-1。全N含量为0.39～0.92 g·kg-1，其中，广西博白和玉林及广东四会的土壤全N含量较高，四川崇州和犍为的土壤全N含量较低。全P含量为0.56～1.55 g·kg-1，其中，四川崇州和犍为的土壤全P含量较高，显著高于其他产地；而广东四会的土壤全P含量最低。全K含量为2.29～9.23 g·kg-1，其中，四川崇州的土壤全K含量最高，且显著高于其他产地；广西玉林和云南马关的土壤全K含量较低，并显著低于其他产地。

2.2 不同产地姜黄根茎中姜黄素类成分含量的比较

姜黄素类成分含量是姜黄质量的主要评价指标。

对不同产地姜黄根茎中姜黄素类成分的含量进行分析，结果见表4。

表3 不同产地姜黄根际土壤养分因子的比较(±SD)1)Table 3 Com parison of nutrient factors in rhizosphere soil of different locations of Curcuma longa L.(±SD)1)

表3 不同产地姜黄根际土壤养分因子的比较(±SD)1)Table 3 Com parison of nutrient factors in rhizosphere soil of different locations of Curcuma longa L.(±SD)1)

1)同列中不同的小写字母表示差异显著(P＜0.05)Different small letters in the same column indicate the significant difference(P＜0.05).

产地Location pH值pH value含量/g·kg-1 Content有机质 Organicmatter 全N TN 全P TP 全K TK四川崇州Chongzhou of Sichuan 7.40±0.20a 21.56±1.82b c 0.39±0.07b 1.49±0.10a 9.23±0.42a四川犍为Qianwei of Sichuan 6.67±0.16b 23.94±3.49b 0.46±0.13b 1.55±0.17a 7.49±0.34b广东四会Sihui of Guangdong 5.84±0.11c 14.03±0.93d 0.79±0.16a 0.56±0.13c 4.05±0.89c广西玉林Yulin of Guangxi 7.55±0.13a 32.67±3.76a 0.80±0.17a 0.95±0.22b 2.29±0.25d广西博白Bobai of Guangxi 5.47±0.28d 32.79±7.59a 0.92±0.12a 0.78±0.11bc 4.42±0.41c广西金秀Jinxiu of Guangxi 5.83±0.19c 17.80±2.04cd 0.65±0.14ab 0.86±0.13bc 4.14±0.27c云南马关Maguan of Yunnan 5.26±0.04d 22.85±1.59bc 0.67±0.06ab 0.73±0.03bc 2.91±0.23d平均Average 6.29 23.66 0.67 0.99 4.93

表4 不同产地姜黄根茎中姜黄素类成分含量的比较(±SD)1)Table 4 Com parison of curcum inoids content in rhizome of Curcuma longa L.from different locations(±SD)1)

表4 不同产地姜黄根茎中姜黄素类成分含量的比较(±SD)1)Table 4 Com parison of curcum inoids content in rhizome of Curcuma longa L.from different locations(±SD)1)

1)Cur：姜黄素Curcumin；DMC：去甲氧基姜黄素Demethoxycurcumin；BDMC：双去甲氧基姜黄素Bisdemethoxycurcumin.同列中不同的小写字母表示差异显著(P＜0.05)Different small letters in the same column indicate the significant difference(P＜0.05).

产地Location含量/％ Content Cur DMC BDMC Total四川崇州Chongzhou of Sichuan 1.08±0.08d 0.20±0.03d 0.76±0.05b 2.04±0.15d四川犍为Qianwei of Sichuan 1.31±0.08c 0.27±0.04c 0.98±0.08a 2.56±0.13c广东四会Sihui of Guangdong 0.91±0.06e 0.20±0.03d 0.62±0.00c 1.73±0.06e广西玉林Yulin of Guangxi 2.26±0.07b 0.64±0.08b 0.45±0.05d 3.33±0.12b广西博白Bobai of Guangxi 2.93±0.04a 1.08±0.05a 0.27±0.05e 4.29±0.06a广西金秀Jinxiu of Guangxi 1.11±0.07d 0.26±0.03c 0.63±0.06c 2.00±0.16d云南马关Maguan of Yunnan 1.11±0.07d 0.28±0.01c 0.96±0.00a 2.35±0.11c平均Average 1.53 0.42 0.67 2.61

由表4可知：不同产地姜黄根茎中姜黄素(Cur)的平均含量为1.53％。其中，产自广西博白的样品中Cur的平均含量最高，达到2.93％，显著高于其他产地(P＜0.05)，但该产地的供试样品仅为2010年采集；来源于广西玉林的2009年采集的样品中Cur含量为3.07％，而2010年采集的样品中Cur含量仅为1.45％，变异较大；来源于广东四会的样品中Cur含量最低，仅为0.91％，显著低于其他产地。

不同产地姜黄根茎中去甲氧基姜黄素(DMC)的平均含量为0.42％。其中，产自广西博白的样品中DMC含量最高(1.08％)，显著高于其他产地；产自广西玉林的样品中DMC含量也较高(0.64％)；而来源于四川崇州和广东四会的样品中DMC含量最低(0.20％)。

不同产地姜黄根茎中双去甲氧基姜黄素(BDMC)的平均含量为0.67％。其中，来源于四川犍为和云南马关的样品中BDMC含量较高，显著高于其他产地；而来源于广西博白的样品中BDMC含量最低，仅为0.27％，显著低于其他产地。

不同产地姜黄根茎中姜黄素类成分的总含量平均为2.61％，以产自广西博白的样品最高，达到4.29％，显著高于其他产地；来源于广西玉林的2009年采集的样品中姜黄素类成分的总含量为4.49％，而2010年采集的样品仅为2.16％，说明该产地姜黄根茎中姜黄素类成分的总含量存在不稳定性；而来源于道地产地四川崇州和犍为的样品中姜黄素类成分的总含量居中，2009年和2010年各成分含量极接近，质量较为稳定；来源于广东四会的样品中姜黄素类成分的总含量最低，仅为1.73％，显著低于其他产地。

2.3 环境因子对姜黄根茎中姜黄素类成分含量的影响

典范对应分析(CCA)是基于对应分析发展而来的一种排序方法，该方法将对应分析与多元回归分析相结合，可直观地给出多变量间的相互作用关系。对不同产地姜黄根茎中姜黄素类成分含量-环境因子矩阵(包括地理-气候因子及根际土壤养分因子)进行CCA排序，分析姜黄根茎中姜黄素类成分含量与环境因子的关系，结果见表5和表6；不同产地姜黄根茎中姜黄素类成分含量与地理-气候因子以及根际土壤养分因子的双轴排序图见图1和图2。

地理-气候因子前2个排序轴的特征值分别占总特征值的96.4％和1.8％，姜黄根茎中姜黄素类成分含量与地理-气候因子前2个排序轴的相关系数分别为0.999和0.961(表5)，姜黄根茎中姜黄素类成分含量的前2个排序轴的相关系数为0.005，地理-气候因子前2个排序轴的相关系数为0.000。2个排序轴与地理-气候因子的线性结合程度较好，反映了姜黄根茎中姜黄素类成分含量与地理-气候因子间的关系，排序结果具有可靠性［16］。

由表5可以看出：年均气温和极端最低温与第1排序轴呈极显著正相关(P＜0.01)，纬度、年降水量、日照时数及无霜期与第1排序轴呈显著正相关(P＜0.05)，而经度和海拔与第1排序轴呈显著负相关，极端最高温与第1排序轴呈不显著的正相关。海拔、年降水量及日照时数与第2排序轴呈正相关，而其他地理-气候因子与第2排序轴均呈不显著的负相关。

表5 不同产地姜黄根茎中姜黄素类成分含量与地理－气候因子的CCA分析结果1)Table 5 Result of CCA analysis of curcum inoids content in rhizome of Curcuma longa L.from different locations w ith geography-climate factors1)

表6 不同产地姜黄根茎中姜黄素类成分含量与根际土壤养分因子的CAA分析结果1)Table 6 Result of CCA analysis of curcum inoids content in rhizome of Curcuma longa L.from different locations w ith nutrient factors in rhizosphere soil1)

根际土壤养分因子与前2个排序轴的特征值分别占总特征值的89.1％和1.8％，姜黄根茎中姜黄素类成分含量与根际土壤养分因子前2个排序轴的相关系数分别为0.944和0.828(表6)，姜黄根茎中姜黄素类成分含量的前2个排序轴的相关系数为0.008，根际土壤养分因子的前2个排序轴的相关系数为0.000。2个排序轴与根际土壤养分因子的线性结合程度较好，反应了姜黄根茎中姜黄素类成分含量与根际土壤养分因子间的关系，排序结果可靠［16］。

由表6可以看出：土壤有机质含量与第1排序轴呈极显著正相关，土壤全N含量与第1排序轴呈不显著的正相关，而土壤pH值、全P和全K含量与第1排序轴呈不显著的负相关；土壤pH值与第2排序轴呈显著正相关，土壤有机质、全P和全K含量与第2排序轴呈不显著的正相关，而土壤全N含量与第2排序轴呈不显著的负相关。

从图1可以看出：第1排序轴与年均气温、极端最低温的相关性较大，与第1排序轴显著相关的因子有经度、纬度、海拔、年降水量、无霜期和日照时数等；而第2排序轴与各地理-气候因子均无显著的相关关系。从图2可以看出：第1排序轴与土壤有机质含量呈极显著的正相关，第2排序轴与土壤pH值呈极显著正相关。因此，基于第1排序轴特征贡献率极高，年均气温和极端最低温是影响姜黄根茎中姜黄素类成分含量的主要地理-气候因子，而有机质含量是影响其含量的主要土壤养分因子。

3 讨 论

图1 不同产地姜黄根茎中姜黄素类成分含量与地理－气候因子的双轴排序图Fig.1 Ordination biplot diagram of curcum inoids content in rhizome of Curcuma longa L.from different locationswith geography-climate factors

图2 不同产地姜黄根茎中姜黄素类成分含量与根际土壤养分因子的双轴排序图Fig.2 Ordination bip lot diagram of curcum inoids content in rhizome of Curcuma longa L.from different locationswith nutrient factors in rhizosphere soil

姜黄根茎中姜黄素类成分为多基因控制的数量性状，极易受自然条件的影响。由于长期适应原产地的气候特点，原产地不同的姜黄形成了各自固有的遗传性(基因型)［17］。历史上姜黄的道地产区在四川的崇州、双流及犍为一带，但本研究结果则显示产自四川崇州和犍为的姜黄根茎中姜黄素类成分含量并不是最高，推测其原因可能是长期连作造成的种质退化或土壤地力衰竭。由文献［10-13］可见：广西产姜黄中有效成分含量的分析结果存在较大的差异，说明该产地姜黄中姜黄素类成分较不稳定；而作者在本研究中对来源于广西玉林采自2009年和2010年的姜黄根茎中姜黄素类成分含量进行了分析，也得出相似的结果。在广西玉林，姜黄多为农户零星种植，缺少大面积、有规模的计划种植，且姜黄栽培以种质保存为主要目的、姜黄生长的土壤条件存在较大差异，均导致姜黄类成分含量的不稳定。

典范对应分析(CCA)将植物种类和样方的排序与多个环境因子变量的作用以多元回归的方式一一对应，使植物分布特性与环境因子的关系更为直观地表现在排序图中，目前这一方法不仅广泛应用于生态学研究，在中药资源生态学的研究中也得到一定的应用［18］。因而，作者应用CCA方法，对影响姜黄中姜黄素类成分含量的环境因子进行分析，结果表明：年均气温、极端最低温和土壤有机质含量是影响姜黄根茎中姜黄素类化合物含量的主要环境因子。

次生代谢产物对生长环境的依赖性非常强，川贝母(Fritillaria cirrhosa D.Don)适应冷凉的高海拔气候，鳞茎中总生物碱含量随气温的升高而降低［19］。泽泻(Alisma plantago-aquatica L.)生长于温和气候环境中，在平均温度18℃～24℃的条件下2，3-乙酰泽泻醇含量最高［20］。姜黄长期生长在低海拔地区，适应炎热的气候条件，因此温度成为其体内次生代谢产物合成的关键环境因子；姜黄素类成分含量与年均气温呈极显著正相关，即随气温的升高而增加。

大量研究结果表明：环境胁迫会造成植物体内次生代谢产物含量的变化，这种变化的诱导机制还不明确，但轻度胁迫能促进植物体内次生代谢产物的积累。高温和 K胁迫能导致苍术〔Atractylodes lancea (Thunb.)DC.〕体内苍术素含量的增加［21］；而在整个生长过程中，轻度干旱胁迫可使苍术根茎挥发油中5种主要成分的含量提高［22］。轻度水分胁迫能提高万寿菊(Tagetes erecta L.)中酚类成分的含量［23］；遮阳处理对银杏(Ginkgo biloba L.)槲皮素含量的提高有促进作用［24］；感染真菌病害后，苜蓿(Medicago sativa L.)体内的异黄酮类成分显著增加［25］。姜黄根茎中姜黄素类成分含量与极端最低温呈极显著正相关，低温逆境的胁迫可能是造成其含量增加的重要因素。但若环境胁迫影响植物生长和存活时，植物则只能以生长为目的而相应减少次生代谢产物的合成［26］。

姜黄根茎中姜黄素类成分的含量与土壤中有机质含量呈极显著正相关。土壤有机质是植物养分的主要来源，有机质含量可影响植物有效成分的含量［27-28］，因此，在保持土壤养分均衡的条件下，增施有机肥、改善土壤品质，对于确保药材姜黄的品质具有重要意义。

致谢：本实验室硕士研究生甘光标和舒枭参与了采样工作，特此致谢!

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