利用气相色谱/液相色谱-质谱（GC/LC-MS）代谢组学技术结合化学计量学和生物活性分析方法对无花瓣萝卜（Lepidium apetalum）进行植物化学成分分析

挥发油和非挥发性提取物分析显示莱贝格草（Lepidium apetalum）根、茎、叶、种子及外壳含111种挥发性成分（以硫、氮化合物和萜类为主）及573种非挥发性代谢物（以脂肪酸、酚类和萜类衍生物为主）。化学计量分析（PCA/PLS-DA）揭示不同部位代谢差异显著，关键活性成分包括苯甲基异硫氰酸酯（抗炎活性IC50=1.34 μg/mL）和罗勒烯（抗氧化活性IC50=143.69 μg/mL）。细胞毒性实验表明叶提取物对HL-60细胞抑制率达82.10 μg/mL，而根和外壳挥发油对NO抑制活性最优。相关性分析指出硫氰化物类和酚类物质与抗炎、抗氧化及抗癌活性显著相关，为开发功能性食品和药物提供新依据。

　　
Lepidium apetalum（中国称为“杜香草”）是一种广泛分布于中国北方及西南地区的芥科植物，其根、茎、叶、种子和外壳在传统医学中已被用于治疗关节炎、高血压水肿和结膜炎等疾病。然而，关于该植物不同部位的化学成分及生物活性的系统研究仍较为缺乏。近期，天津理工大学林风科、周群等学者通过整合气相色谱-质谱联用（GC-MS）和超高效液相色谱-四极杆轨道阱高分辨质谱（UPLC-QE-Orbitrap-HRMS）技术，首次全面解析了L. apetalum不同部位的挥发性油（VOs）和非挥发性提取物（NVEs）的化学组成，并评估了其抗炎、细胞毒性和抗氧化活性，为植物功能成分开发提供了新依据。

### 一、研究背景与意义
L. apetalum作为中国传统药用植物，其全草及种子已被用于食品和医药领域。尽管种子部分的研究相对较多，但其他器官（如根、茎、叶、外壳）的化学成分及生物活性仍缺乏系统性研究。此外，现有研究多聚焦于单一提取方法（如溶剂提取或超临界CO?萃取），而通过先进分析技术结合多维度生物活性评价的研究较为罕见。本研究通过GC-MS和LC-MS-HRMS技术，首次同时分析不同植物部位VOs和NVEs的化学组成，并利用化学计量学（PCA和PLS-DA）揭示代谢差异规律，结合体外生物活性实验，为L. apetalum的深度开发提供理论支持。

### 二、研究方法与技术路线
研究采用标准化流程确保数据可靠性：
1. **样品采集与处理**：2024年5月于天津西青区采集L. apetalum植株，按根（LA-R）、茎（LA-St）、叶（LA-L）、种子（LA-S）和外壳（LA-H）分离干燥，过40目筛制得均质粉末。
2. **挥发性油提取**：采用Clevenger式水蒸气蒸馏法，通过超声辅助提取提高效率，测定不同部位VOs含量（0.09%-0.35%）。
3. **非挥发性提取物制备**：甲醇溶剂超声提取三次，离心去沉淀后冷冻干燥，得到高纯度NVEs。
4. **质谱分析**：
- **GC-MS**：使用DB-5 MS毛细管柱分析VOs，覆盖50-310°C梯度，鉴定出111种化合物（主要含氮、硫化合物及萜类）。
- **LC-MS-HRMS**：针对NVEs，采用C18反相柱分离，正负离子双模式扫描，共鉴定583种代谢物（包括脂肪酸、氨基酸、苯丙素等）。
5. **生物活性评价**：
- **抗炎活性**：通过脂多糖（LPS）诱导的RAW264.7巨噬细胞模型，测定NO抑制率及细胞毒性。
- **细胞毒性**：对A549（肺）、HL-60（白血病）、HepG2（肝）、MDA-MB-231（乳腺癌）、SW480（结直肠癌）等五类癌细胞进行MTS法检测。
- **抗氧化活性**：采用DPPH和ABTS自由基清除实验，计算IC50值。

### 三、主要发现与科学突破
#### （一）挥发性油的化学特征
GC-MS分析显示，不同部位VOs的化学组成存在显著差异：
- **根（LA-R）**：以苯甲基异硫氰酸酯（69.62%）、5-甲硫基戊炔腈（11.65%）、羽扇豆醇（7.73%）为主，总氮硫化合物占比达94.04%。
- **种子（LA-S）**：苯甲基异硫氰酸酯（40.85%）、二苯硫醚（16.34%）、5-甲硫基戊炔腈（10.24%）为特征成分。
- **外壳（LA-H）**：苯甲基异硫氰酸酯（4.94%）、羽扇豆醇（44.19%）及二苯硫醚（4.89%）含量突出。
- **茎（LA-St）**：以十六烷酸（42.47%）、植醇（7.43%）和二苯硫醚（4.88%）为主。
- **叶（LA-L）**：富含植醇（18.50%）、β-离子烯（9.25%）、 Carene衍生物（6.89%）等萜类化合物。

**创新点**：
1. **首次系统分析非种子部位VOs**：传统研究多集中于种子，而本研究发现根和外壳的VOs含量（0.35%）显著高于其他部位，且含独特高浓度氮硫化合物。
2. **揭示挥发性油与生物活性的关联**：例如，LA-H的VOs因高浓度羽扇豆醇（44.19%）和苯甲基异硫氰酸酯（4.94%），表现出最强的NO抑制活性（IC50=1.34 μg/mL），较阳性对照L-NMMA（IC50=8.58 μg/mL）更优。

#### （二）非挥发性提取物的代谢多样性
LC-MS-HRMS鉴定出573种代谢物，主要类别包括：
- **脂肪酸及衍生物**：129种（如棕榈酸、油酸、亚油酸等），其中LA-L的亚油酸含量（2.32%）显著高于其他部位。
- **氨基酸及肽类**：78种（如谷氨酸、天冬氨酸、脯氨酸等），LA-L的丝氨酸（27.2%）和色氨酸（18.3%）含量突出。
- **苯丙素类**：65种（如芦丁、山柰酚苷、查耳酮等），LA-L的槲皮素-3-O-葡萄糖苷（IC50=82.10 μg/mL）对HL-60细胞具有显著毒性。
- **萜类及黄酮类**： LA-H的ursolic acid（木犀草苷）和LA-S的ferulic acid（香豆酸）含量居前。

**化学计量学分析**：
- **PCA/PLS-DA模型**：成功区分VOs与NVEs，并揭示根、茎、叶、种子、外壳间的代谢差异（R2X>0.5，Q2>0.5）。
- **关键差异代谢物**：
- **VOs**：十六烷酸（VIP=9.43）、羽扇豆醇（VIP=9.13）、苯甲基异硫氰酸酯（VIP=8.76）。
- **NVEs（正离子模式）**：磷脂酰胆碱（LPC(18:4)）、4-(4'-甲基[2,2'-联吡啶]-4-基)丁酸（VIP=1.77）。
- **NVEs（负离子模式）**：鼠李糖（stachyose）、色氨酸（VIP=1.81）、ursolic acid（VIP=1.68）。

#### （三）生物活性与功能成分关联
1. **抗炎活性**：
- **VOs**：LA-R和LA-H的NO抑制活性最强（IC50=1.34-2.24 μg/mL），较阳性对照L-NMMA（IC50=8.58 μg/mL）更优。
- **NVEs**：LA-H的NVE对NO抑制率达76.1%（IC50=58.92 μg/mL），显著高于其他部位。
- **关键活性成分**：苯甲基异硫氰酸酯（LA-H中含量4.94%）、羽扇豆醇（LA-H中44.19%）与NO抑制活性呈正相关（Pearson's r=0.82-0.91）。

2. **细胞毒性**：
- **NVEs**：LA-L的NVE对HL-60细胞抑制率最高（57.45%），IC50=82.10 μg/mL，较文献报道的L. sativum种子提取物（IC50=110.42 μg/mL）更具活性。
- **活性成分**：苯甲基异硫氰酸酯（LA-S中2.47%）、4-羟基-3-甲氧基苯丙烯酸（ic50=50.19 μg/mL）与细胞毒性显著相关。

3. **抗氧化活性**：
- **VOs**：LA-S和LA-H的DPPH/ABTS清除率均达90%以上，IC50值分别为143.69-874.43 μg/mL。
- **NVEs**：LA-L的NVE对ABTS清除率最高（92.04%），IC50=137.36 μg/mL。
- **关键成分**：ursolic acid（LA-H中含量1.68%）、ferulic acid（LA-S中含量0.65%）与抗氧化活性呈强正相关。

### 四、研究局限与未来方向
1. **样本局限性**：研究仅针对天津某固定地点2024年采集的单一植株，未来需扩大地理和生长周期样本量。
2. **代谢物功能验证不足**：虽通过相关性分析筛选出关键成分（如羽扇豆醇、苯甲基异硫氰酸酯），但需通过结构修饰实验（如敲除/过表达）验证其具体作用机制。
3. **工业化应用挑战**：植物部位间活性差异大，需优化定向提取工艺（如根与外壳的VOs工业化分离技术）。

### 五、应用前景
1. **食品工业**：LA-L的NVE因高浓度抗氧化成分（如ursolic acid）可作为天然防腐剂或营养强化剂。
2. **医药开发**：LA-R和LA-H的VOs因强抗炎活性（IC50<2.5 μg/mL）可能用于关节炎治疗，LA-L的NVE或成为白血病靶向药物。
3. **植物资源保护**：揭示不同部位的代谢特征，为精准采收和可持续利用提供依据。

### 六、总结
本研究通过多组学联用技术（GC-MS+LC-MS-HRMS）结合生物活性评价，系统解析了L. apetalum不同部位的化学特征及功能成分，首次证实其根和外壳的VOs具有卓越的抗炎活性，为开发天然抗炎药物提供了新资源。同时，非挥发性提取物中氨基酸和酚类化合物的细胞毒与抗氧化活性揭示了其作为功能食品的潜力。未来研究可聚焦于活性成分的合成生物学改造及临床前药效验证，推动该植物从传统草药向精准医疗和功能性食品的跨越式发展。