香樟化学型及精油积累研究

2021-01-16张北红肖祖飞王颜波张海燕程慧娟金志农

广西林业科学 2020年4期

张北红，肖祖飞，王颜波，张海燕，李凤，程慧娟，金志农

（1.南昌工程学院水利与生态工程学院,江西南昌 330099；2.江西省樟树繁育与开发利用工程研究中心，江西南昌 330099；3.江西农业大学林学院，江西南昌 330045）

香樟（Cinnamomum camphora）为樟科（Lauraceae）樟属植物，又名樟、芳樟、樟木、栳樟、臭樟、乌樟和瑶人柴等[1]，属于国家二级保护植物，主要分布于亚洲的热带和亚热带地区，在中国、印度[2]、老挝、越南[3]、日本[4]和古巴[5]等地均有分布，其他国家也有引种分布。在中国，香樟主要分布于福建、江西、广东、广西、湖南、湖北、四川、重庆、云南、贵州、浙江和台湾等地[6-7]。香樟是我国亚热带常绿阔叶林的主要建群种或优势种，树冠为广卵形，树形高大，树干通直优美，是良好的园林绿化及珍贵用材树种；属于深根性树种，萌芽力强，抗性强，是护岸抗洪的理想水保树种；其根、茎、枝、叶和果中均富含精油[8-9]，被誉为庞大的“化学化工宝库”。香樟油含有多种化学成分，具有广阔的市场需求和经济价值。关于香樟精油的研究很多，精油主要化学成分的分析、化学型的划分、精油代谢的规律及影响因素、精油提取方法的优化、生物活性等方面均有涉及。其中精油提取分离[10-11]、主要化学成分[12-13]和生物活性[14-15]等方面已有相关综述，本文选择香樟的化学型及精油代谢规律方面的研究进行梳理，以期为香樟精油的深入研究提供可参考的依据。

1 香樟化学型

1.1 香樟的化学型命名

香樟存在种内分化，其精油的化学成分十分多样，有芳樟醇、柠檬醛、龙脑、桉叶油素、黄樟素、甲基丁香酚、松油醇和樟脑等，这些化学成分在香精香料[16-17]、食品加工[18-19]、医药化工[20-21]、杀虫趋避[22-23]和抗菌[24-26]等领域应用前景广阔。香樟存在种内分化现象，仅依据外部形态进行植物分类已不能满足研究和生产的需求，所以植物分类学者打破了由传统的仅参照植物外在形态特征（叶、花和果实等）进行分类的局限，将香樟精油作为划分香樟不同化学型或生化类型的重要依据[1,27]。

关于香樟化学型的命名，乃至樟属植物化学型的命名尚没有统一的方法。目前，有两种常用的命名方法，一种是以精油主要化学成分或其气味特征命名，如将左旋芳樟醇型的香樟称为“芳樟”，左旋及右旋龙脑型的香樟均称为“龙脑樟”，柠檬醛型的香樟和黄樟（C.parthenoxylon）均称为“姜樟”[28]；另一种是学名法，如将左旋芳樟醇型的香樟命名为C.camphoravar.linaloolifera，将樟脑型的香樟（又称“本樟”或“栳樟”）命名为C. camphoravar.nominale[29-30]，桉叶油素型的香樟命名为桉油樟（C.camphoravar.cineoliferum）[31-32]。

1.2 香樟化学型划分

《中国植物志》[1]中，将香樟划分为本樟型（主含樟脑）、芳樟醇型（主含芳樟醇）和油樟型（主含松油醇）3 个化学型，各省也进行了香樟化学型的划分研究。石皖阳等[27]对164 株香樟363 个精油样品进行分析，将江西省的香樟主要分为芳樟醇型（主含芳樟醇）、樟脑型（主含樟脑）、桉油素型（主含桉油素）、龙脑型（主含龙脑）和异橙花叔醇型（主含异橙花叔醇）5 个化学型；Luo 等[33]也对江西省的香樟进行化学型划分，得出了相同的结论；张国防[34]对329个香樟精油样品进行分析，将福建省的香樟主要分为芳樟醇型、脑樟型、桉樟型、黄樟型（主含黄樟油素）和杂樟型（无明显主成分）5 个化学型；黄艳等[35]对64个香樟精油样品进行分析，将广西的香樟主要为芳樟醇型、橙花叔醇型、桉叶油素型、樟脑型和蒎烯-萜烯醇型（主含α-蒎烯和4-萜烯醇）5 个化学型。随着研究的深入，越来越多的新化学型被发现，如柠檬醛型[36]。目前，已报道的香樟的化学型主要有9 个，即樟脑型、1,8-桉叶油素型、芳樟醇型、龙脑型、柠檬醛型、异橙花叔醇型、黄樟油素型、Sepuiterpene型和Sesquiterpenealcohol型[37-38]。

1.3 化学型分化机制

香樟的无性繁殖后代能较好地保持母本的化学型特性，但有性繁殖后代的叶精油出现了与母本化学型分离的特性。这种化学型分化的现象引起了研究人员的关注。香樟为异花授粉植物，其有性繁殖后代的化学型性状分离程度与周围香樟的化学型有直接关系[27]，化学型性状分离的直接原因是不同化学型的香樟花粉杂交或其本身变异。有性繁殖后代的化学型性状分离程度还可能与母株的主要化学成分类别及其分子结构密切相关[37]。母株的主要化学成分为直链单萜类或倍半萜类，则其有性繁殖后代保持母本化学型性状的比例较低，芳樟醇型、香叶醇型和金合欢醇型香樟的有性繁殖后代只有50%～70%保持母本化学型性状；母株的主要化学成分为环萜类的香樟，如1,8-桉叶油素型、樟脑型和黄樟素型等，其有性繁殖后代保持母本化学型性状的比例较高。母本植株叶精油中主要化学成分的相对含量与有性繁殖后代叶精油的化学型分化有一定关系[34]。母株主要化学成分芳樟醇的相对含量为93.20%时，60%的有性繁殖后代保持母本性状；母株主要化学成分樟脑的相对含量为88.67%时，60%的有性繁殖后代保持母本性状；母株主要化学成分黄樟素的相对含量为42.25%时，只有30%的有性繁殖后代保持母本性状；母株主要化学成分桉叶油素的相对含量为49.57%时，45%的有性繁殖后代保持母本性状。还有学者认为有性繁殖后代的化学型性状分离是由于多基因控制的遗传效应和环境效应的作用，控制的酶不同，不同化学成分的积累也不同；也可能是由于个体发育的差异性或微生物等内环境的差异[39]。

2 香樟精油积累及影响因素

精油属于植物次生代谢产物，与植物本身的新陈代谢活动息息相关。精油的形成和积累受生理变化（器官和叶片的位置）、环境条件、地理变化和遗传因素等多重因素的影响[40]，在多重因素的长期共同作用下，精油代谢呈现出一定的积累规律。

2.1 香樟精油随时间积累的研究

叶精油的含量与植物代谢活动密切相关。总体来说，叶精油主要化学成分在生长季节含量较高，非生长季节含量较低，但不同化学型香樟的叶精油主要化学成分含量变化规律不同（表1）。精油产量受主要化学成分相对含量与精油含量共同影响，通常综合考虑这两个因素最终确定精油收获时间。一天当中精油的含量也有一定的变化规律，桉叶油素型香樟叶片的含油率在傍晚最高，早晨最低，这是由于光照和温度综合作用的结果[41]。实际生产中，应遵循所培育的化学型的叶精油时间积累规律，制定相应的收割和精油提取方案。

表1 几种常见化学型香樟主要化学成分相对含量变化规律Tab.1 Changes of relative contents of main chemical compounds in several common chemotypes of C.camphora

2.2 香樟精油随空间积累的研究

植物在生长发育过程中，为了更好地适应环境，会把有限的资源进行合理地分配和转移，以顺利完成生长、发育和繁殖，这是植物本身的内在进化因素和外在环境因素长期共同作用的结果。胡文杰[43]比较了桉叶油素型香樟、樟脑型香樟和异橙花叔醇型香樟3种不同化学型香樟的叶、当年生枝、老枝、干、主根和侧根6个部位精油的出油率及主要化学成分，结果显示，3 种化学型香樟的出油率均为主根和侧根最高，其次是叶。于程伟[46]研究香樟不同器官的精油含量发现，叶油含量为1.41%，枝油含量为0.45%，种子油含量为1.72%。覃子海等[47]研究表明香樟鲜叶的出油率明显高于枝干，鲜叶是提取天然芳樟的主要组织器官。吴学文等[48]提取香樟花、嫩叶和根的精油，并进行体外抗氧化试验，研究表明清除自由基及过氧化物的效果为根皮＞嫩叶＞香樟花。脑樟的各部位精油组成不同，在空间各部位中，精油成分分布呈现一定的规律，樟脑、1,8-桉叶油素和黄樟油素的相对含量呈两端（叶和根）少、中间（树干）高的趋势[49]。可见，香樟精油成分组成在空间上具有一定的规律及特征，空间分布规律可为精油成分的形成和转送机制的深入研究提供参考。

2.3 香樟精油随子代变化的研究

香樟有性繁殖后代叶精油代谢差异较大，无性繁殖后代则能较好地保持母本的特性[34]。研究表明，芳樟醇型香樟60%左右的有性繁殖后代植株保持了母本的特性（化学型为芳樟型）[50]；龙脑型香樟60%左右的有性繁殖后代植株保持了母本的特性（化学型为龙脑型）[39]；异橙花叔醇型香樟50%以上的有性繁殖后代植株保持了母本的特性（化学型为异橙花叔醇型）[34]。可根据香樟子代叶精油的变化规律，对不同子代资源进行开发与利用。对香樟进行无性繁殖，建立不同化学型香料原料植物培育林，实现油用香樟定向繁殖和矮林培育，是油用香樟规模化开发利用的有效途径。有性繁殖后代发生了化学型性状分离，进行有性繁殖是香樟维持生物多样性的理想途径。

2.4 生长期及发育阶段对香樟精油积累的影响

不同生长期或发育阶段对香樟精油的积累有一定影响。龙脑型香樟3个月的实生幼苗共包含黄樟油素型和丁香酚甲醚型两种化学型，生长至12个月时，精油的主要化学成分发生变化，分化为龙脑型、樟脑型、桉叶油素型和异橙花叔醇型等[39]。生长期和发育阶段对精油积累的影响，在其他植物中也存在。细毛樟（C. tenuipile）有性繁殖后代1年生幼苗主要化学成分不显著，2年生幼苗主要化学成分显著，分化为明确的化学型[34]；玫瑰（Rosa rugosa）花精油出油率在初花期和末花期较高，盛花期相对较低[51]。不同生长期或不同发育阶段对香樟精油积累的影响可能是由于叶片生长发育过程中叶面积、叶厚和角质层等叶片结构发生变化，使得叶片吸收营养物质的能力、光合速率和代谢速率发生改变，叶精油作为香樟的次生代谢产物，与香樟的代谢活动紧密相关。

2.5 立地条件对香樟精油积累的影响

立地条件对香樟精油的形成和贮存有直接或间接的影响。张国防[34]将福建省按照不同的地理经纬度进行分区，研究各区香樟精油的主要化学成分，研究表明精油主要化学成分及其相对含量在地理分布上有一定差异，优良的芳樟醇型、桉叶油素型、樟脑型和黄樟油素型香樟存在于不同交叉区域内，根据各优良化学型的主要分布区域，确定出福建省各化学型香樟的优株筛选重点区域。张雷[52]研究不同种源香樟的精油含量，发现不同种源香樟的叶精油成分不同，精油含量存在较大差异，其中，湖南种源的出油率最高，广东种源的出油率最低。段博莉[42]对香樟主要分布区内43 个种源的香樟叶片精油性状进行分析，结果显示香樟叶片精油的各性状均与地理气候因素有一定的相关性，但地理聚集性不明显。还有研究表明，生长在阳坡的香樟较阴坡的出油率更高[34]，香樟精油的形成属于次生代谢过程，代谢活动受温度和光照等综合因素影响，适宜的光照和温度更有利于精油的形成和积累[53]，香樟的光合作用在低温的11— 12月和高温的6— 8月受到抑制，影响了精油的合成，9 — 10月出油率较高[44,47]。

2.6 微生物对香樟精油积累的影响

植物的内生菌在特定的环境和生理条件下，能将植物体内和外源的化学物质进行转化，产生另一类化合物[54]。陈美兰[39]分离和培养了5个化学型香樟的内生菌，提取内生菌精油并分析其主要化学成分，发现在不同化学型中存在特异内生真菌，其中“吉12”精油化学成分含量达到12.91%，内生菌可能影响龙脑型香樟精油的积累，但还有待于进一步研究。

2.7 人工经营措施对香樟精油积累的影响

研究表明[34]，不同密度对芳樟醇型香樟的叶精油得率及主要化学成分芳樟醇的形成和积累影响不显著，但单位面积经济效益受精油得率、主要化学成分和单位面积生物量的影响，在人工经营培育中，应以单位面积生物量为出发点，寻求最佳种植密度。不同施肥处理对精油积累影响显著，于静波等[55]研究芳樟醇型香樟叶精油对不同施肥处理的响应，发现不同施肥处理对芳樟醇型香樟叶精油的产量和含量影响显著，氮对精油含量影响极显著，钾和磷的影响分别为显著和不显著。陈晓明等[56]通过盆栽试验研究氮、磷和钾肥对芳樟醇型香樟枝叶产量和出油率的影响，结果表明氮有利于枝叶产量提高，钾有利于含油率的增加，氮、磷和钾最佳的施肥配比为1∶0.29∶1.15。香樟矮林培育中，伐桩涂抹植物生长调节剂6-BA，对萌条和高生长等有一定促进作用，浓度为150 mg/L 时，单株叶片生物量最大，通过6-BA 调节叶生物量，可间接提高香樟矮林的精油产量[57]。

2.8 遗传因素对香樟精油积累的影响

香樟精油的形成和积累是遗传因素与环境因素等综合长期作用的结果。江香梅等[58]采用Illumina Hi Seq™2000高通量测序技术，对樟脑型、芳樟醇型、桉叶油素型、异橙花叔醇型和龙脑型5种化学型香樟叶片的转录组进行测序，与其他核酸和蛋白数据库的Blast 进行比对，共有55 955 条Unigene 获得了基因注释，其中参与单萜、二萜、倍半萜和萜类骨架合成的Unigene 有424个，在单萜合成的代谢通路中，有9条Unigene可能编码芳樟醇合成酶基因。

3 香樟精油的主要特点

3.1 多样性

香樟精油具有丰富的多样性，其出油率存在个体差异，主要化学成分多样（表2），含有橙花叔醇、芳樟醇、1,8-桉叶油素、樟脑、吉马酮、龙脑、α-蒎烯、4-萜烯醇、乙酸愈创醇酯、柠檬醛、对伞花烃、黄樟油素、6-芹子烯-4 醇和异丁香酚甲醚等多种化学成分[16]。这可能是由于遗传因素、树种年龄、种源、种植地立地条件、环境条件、精油提取时间和提取方法等条件不同造成的，种内化学型多样性在香樟中比较常见，这也是人们研究香樟的主要原因之一。

表2 香樟叶精油常见的主要化学成分及相对含量Tab.2 Main chemical compounds and relative contents of essential oil from C.camphora leaves

3.2 个体差异性

同一树种相同化学型的叶片精油主要化学成分含量存在差异。香樟中的主要化学成分为芳樟醇的个体，其相对含量各不相同（表3）。江西省芳樟醇型香樟已报道的芳樟醇含量高的达90%以上[62]，低的仅为32.40%[63]；即使是同一母株的扦插后代，其精油得率及主要化学成分的相对含量差异虽不显著，但也不完全一致[34]。说明在香樟的种内变异过程中，会趋同于几个大的方向（几大类化学型），但个体变异并不完全一致。由于种内个体的差异性，在研究和实际生产当中，优良单株的选择和良种选育尤为重要。

表3 芳樟醇型香樟中化学成分的相对含量Tab.3 Relative chemical content of chemical compounds in C.camphora of linalool chemotype

3.3 精油成分具有普遍性

香樟经常与其他木本和草本植物含有同一种主要化学成分，很少有某一种主要化学成分是专属于香樟的。芳樟醇存在于香樟、油樟（C.longepaniculatum）、黄樟[74]和细毛樟（C.tenuipilum）[37]等多个树种的叶精油中。柠檬醛存在于樟、山苍子（Litsea cubeba）、柠檬草（Cymbopogon citratus）、马鞭草（Verbena officinalis）和柑橘（Citrus reticulata）等植物中[16]。这可能是在光合代谢过程中，不同树种（植物）选择了相同的代谢途径，产生了相同的次生代谢产物。

3.4 精油含量具有波动性

叶精油的含量和成分与植物代谢活动密切相关，同一株香樟叶精油的出油率及主要化学成分含量在不同时期会发生变化。总体来说，叶精油出油率及主要化学成分在生长季节含量较高，非生长季节含量较低。不同化学型香樟叶精油含量变化规律不同，在研究和生产中，掌握不同化学型香樟叶精油的变化规律十分重要。

3.5 精油化学成分间的关系

香樟精油中包含多种化学成分，化学成分间存在转换关系，如α-pinene可向龙脑转换，而氧化后的龙脑可以在脱氢酶的作用下转化为樟脑[75]。精油中化学成分的结构复杂程度也有差别，黄樟油素、樟脑、桉油素和菲兰烃等化学成分结构复杂且较为“古老”，醛酮等结构比较简单的化学成分则较“年轻”[76]。“古老”的化学成分可能是在较古老的历史条件下形成的，“年轻”的则是在较近代的历史条件下形成的，可以根据这一特性，推测各化学型的演化关系。