中药生态农业创新团队发现传统中药材艾叶在植物源除草剂方面新应用

发布时间：2022年02月07日 21:14 作者：来源：中药生态农业创新团队阅读：[] 编辑：陈依

本网讯近日，万博水晶宫中药生态农业创新团队以活性为导向，并结合LC-MS开展定向分离，发现异绿原酸A为艾叶中主要化感活性物质，证实了异绿原酸A的抑草活性具有广谱性，表明艾叶提取物及活性成分可作为绿色除草剂，为绿色环保的除草剂开发提供思考和启示。相关成果“Weed Suppression and Molecular Mechanisms of Isochlorogenic Acid A Isolated from Artemisia argyi Extract via an Activity-Guided Method”发表于农林科学领域Top期刊Journal of Agricultural and Food Chemistry。

在影响农作物产量的有害生物中，杂草位居第一。据统计，杂草在全球范围内造成的农作物产量损失每年达到33%~53%，超过病虫害造成的作物产量损失之和。传统中药材规模化种植中多采用化学除草剂清除杂草，在一定程度上影响了中药材的产量、质量以及临床药效。除此之外，长期大量使用除草剂还会使杂草产生抗药性，使后期除草工作更为艰难。植物化感作用是指高等植物次生代谢产生的化学物质释放到环境中，对其它临近植物或自身产生的不利或有利的作用，是化学生态学领域研究最为活跃的领域之一。化感物质因没有残留或毒性作用，在杂草控制以及可持续发展农业上的应用已经成为备受关注的研究热点。

艾叶为菊科植物艾Artemisia argyi Levl.et Vant.的干燥叶，具有温经止血，散寒止痛，外用祛湿止痒的功效。《诗经》中记载可用艾叶引火，我国第一部医书《黄帝内经》记载用艾叶进行灸疗，最早医学方书《五十二病方》也记载两则艾灸治病疗法。现代药理学表明，艾叶具有抗菌、抗病毒、止血、抗肿瘤、保肝利胆、抗氧化、止咳平喘、镇痛抗炎、降血糖、免疫调节等多种药理作用，酚酸、黄酮、倍半萜等是其主要药效成分。该团队在野外观察时发现，艾叶的群落生态位竞争能力强，为优势群落，周边杂草较少，生物多样性低，表明艾叶可能有较强化感生物效应和生态效应。同时，前期在进行中药材生态种植试验时，设计将艾粉作为肥料撒施菊花、射干、苍术种植基地，偶然发现同空白对照相比，中量和高量艾粉处理对菊花、射干、苍术基地田间杂草种类、数量和生物量均有显著抑制作用。结果暗示艾叶可能具有显著抑草作用和开发为植物源除草剂的潜力，因此对其抑草效应进行了系统评价，并对药效物质基础和作用机制进行了探究。

研究团队首次发现艾叶水提物对单子叶杂草狗尾草（Setaria viridis）、稗草（Echinochloa crusgalli）和双子叶杂草马齿苋（Portulaca oleracea）、反枝苋（Amaranthus retroflexus）具有较强的抑制活性。团队以抑草活性为导向，并结合LC-MS开展定向分离，发现酚酸类化合物异绿原酸A为艾叶中主要化感活性物质，并在艾叶的生长土壤中检测到异绿原酸A，表明艾叶可通过向环境中释放异绿原酸A抑制杂草生长。同时，以对6种不同科属杂草生长的抑制作用证实了异绿原酸A的抑草活性具有广谱性，表明异绿原酸A可作为绿色除草剂，还可能作为先导化合物，为新的除草剂提供思考和启示。

图1 活性导向分离艾叶水提物中的化感活性物质

图2 异绿原酸A的广谱抑草活性评价

生理分析表明，异绿原酸A处理后杂草叶片皱缩、发黄、枯死，光学显微镜和透射电镜观察发现异绿原酸A可造成叶片表皮细胞萎缩，叶脉维管束鞘细胞增大，内部叶绿素下降；细胞膜溶解并脱离细胞壁，细胞器解体等。

图3 异绿原酸A破坏杂草叶片的生理结构

研究团队利用RNA-seq技术阐明了异绿原酸A处理后杂草的转录水平变化，共有716个基因差异表达，其中上调439个，下调277个。GO功能分类发现差异表达基因（DEGs）主要分布在“生物过程”“细胞组分”和“分子功能”。KEGG富集分析表明抑制“二萜类生物合成”途径是异绿原酸A发挥抑草活性的重要作用机制，主要抑制杂草赤霉素和植物抗毒素的生物合成，并通过RT-qPCR和赤霉素含量测定进行了验证。

图4 异绿原酸A抑制杂草二萜类物质生物合成

前期，研究团队发现艾叶水提物可以有效抑制稗草、狗尾草、马齿苋和反枝苋的生长。随后，对艾叶水提物中的化学成分进行定性和定量分析，筛选潜在的抑制杂草生长的化感物质，并对新绿原酸(5-CQA)、绿原酸(3-CQA)、隐绿原酸(4-CQA)和咖啡酸(CA)四种潜在的化感物质进行筛选评价。巧合的是，它们对杂草的化感作用似乎与它们的含量相同，顺序为CA>4-CQA>5-CQA>3-CQA。这些结果表明，咖啡酸可能是艾叶水提物中重要的化感作用化合物。团队据此进一步研究了咖啡酸对狗尾草的化感作用及其分子机制。生理结果表明，咖啡酸显著诱导狗尾草中活性氧(ROS)的产生，导致丙二醛(MDA)的积累，并破坏了叶片中POD、SOD、CAT等酶活性。转录组结果显示，咖啡酸通过下调参与赤霉素(GA)、植物抗毒素生物合成和丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)信号通路的多个基因来抑制杂草的生长。此外，通过实时荧光定量PCR (RT-qPCR)验证了与植物激素生物合成和信号通路相关的差异表达基因(DEGs)。该部分研究“Caffeic Acid, an Allelochemical in Artemisia argyi, Inhibits Weed Growth via Suppression of Mitogen-Activated Protein Kinase Signaling Pathway and the Biosynthesis of Gibberellin and Phytoalexin”于2022年1月发表于植物科学领域Top期刊Frontiers in Plant Science。

图5 艾叶抑草的化感物质筛选及作用机制研究

据悉，团队早在2018年就在国内率先开展植物源除草剂方面系统开发研究工作，最早发现艾叶不同提取物对多种植物的化感作用，尤其是水提物的效果显著。盆栽实验显示，艾叶水提物对白菜、莴苣、水稻、马齿苋、酢浆草和狗尾草等植物种子萌发和生长具有化感抑制作用，提示艾叶对双子叶植物和单子叶植物均有抑制作用，且不仅对种子萌发有抑制作用，对幼苗生长也有抑制作用。此外，田间试验表明，艾叶对菊花田间杂草的生长有显著的抑制作用，对菊花的生长没有不良影响。RNA-Seq分析和关键基因检测分析表明，艾叶通过多途径、多靶点地抑制杂草萌发和生长，而抑制植物叶绿素合成是其关键机制之一。该部分研究“Allelopathic effect of Artemisia argyi on the germination and growth of various weeds”于2021年2月发表于国际综合性期刊Scientific Reports。

图6 艾叶提取物化感抑草作用评价和机制研究

目前，团队系列研究成果已在著名期刊Journal of Agricultural and Food Chemistry (2022, 一区, IF 5.279), Frontiers in Plant Science (2022, 二区, IF 5.753), Scientific Reports (2021, 三区, IF 4.379)上发表，获授权中国发明专利1项 (专利号ZL201910285149.1)。药学院陈乐硕士和李金鑫博士为论文共同第一作者，刘大会教授和杜鸿志副教授为论文共同通讯作者，黄必胜教授、苗玉焕博士和赵婷婷博士亦参与了相关研究。相关研究得到了国家中医药管理局青年岐黄学者支持项目，国家重点研发计划（2017FYC1700704）和现代农业产业技术体系建设专项资金（CARS-21）资助。