类黄酮效率优化的绿色和红色的形式的白苏子通过环境控制技术在植物工厂

文摘

白苏子在亚洲(唇形科)是一种主要食物。它是一种来源丰富的类黄酮生物活性有利于人类健康和健身。当前流行的植物性消费受到生物活性营养的健康的好处,和生物活性制剂的浓度植物原料是评价食品质量的一个重要因素。测试生产力促进类黄酮的可行性紫苏属植物通过环境处理,植物工厂的技术应用紫苏属植物栽培。芹黄素(AG)和木樨草素(LT)是两种最有效的抗癌的类黄酮紫苏属,这些是还发现,在许多蔬菜和水果。定量分析AG)和LT的9个环境下进行植物种植形式的治疗由三个层次的光强度(100、200和300µ摩尔·米⁻²·年代⁻¹)结合三个水平的营养液浓度(1.0,2.0,和3.0 d·m⁻¹溶液培养。AG)在绿色和红色的内容紫苏属工厂增加了高营养液在同样的光强度水平。在绿色紫苏属最高的AG浓度(8.50µg·g⁻¹)是获得接受治疗的最高水平的营养液(3.0 d·m⁻¹)和200µ摩尔·米⁻²·年代⁻¹光的强度,而在红色紫苏属最高的AG浓度(6.38µg·g⁻¹)是实现这两种形式的最高水平的治疗(300µ摩尔·米⁻²·年代⁻¹和3.0 d·m⁻¹)。AG含量的增加/植物之间的最低和最高水平的记录是绿色和红色的6.4倍和8.6倍紫苏属,分别。绿色和红色之间的LT浓度不同的行为形式的紫苏属。LT浓度用红色紫苏属加强了营养缺乏(1.0 d·米⁻¹)和受光强度的影响。不同的反应观察积累的AG)和LT在红色和绿色紫苏属在治疗期间,这种现象是生物合成途径的角度讨论涉及糖类的表达式和花青素。类黄酮的总收益率(AG)和LT)改进与优化的形式的治疗,最好的总收益:33.9毫克·植物⁻¹在绿色紫苏属;10.0 mg·植物⁻¹用红色紫苏属,4.9倍和5.4倍增加绿色和红色的记录紫苏属,分别。这项研究显示,黄酮生物合成和积累紫苏属植物可以通过环境控制技术优化,这种方法可以适用于绿叶蔬菜营养和生物活性产生一个稳定的工业类黄酮含量高的供应。

1。介绍

次生代谢物(SMs)在植物食品营养的一个重要组成部分,其内容可以用来确定食品质量。短信包括萜类化合物、糖类、黄酮类化合物和生物碱是必不可少的食品配料,确定味道,颜色和味道的谷物、蔬菜和水果(1]。此外,由于对人类健康有益的生物活性的化合物,如抗氧化剂已成为众所周知的,许多短信都被认为是有药用作用对人类身体和精神(2,3]。

最近,摄入富含生物活性SMs的食物在世界范围内越来越受欢迎。然而,维持稳定的供应植物原料,可用于生产营养价值高的食物仍有问题,由于缺乏一种有效的方法来控制SM的内容在植物种植。生产和积累的短信都是敏感的环境条件(4,5]。一般来说,植物生长迅速在紧张的环境和生物产生更好的产量。另一方面,生物和非生物因素的压力诱导形成的短信,如酚类化合物(6]。同时,已经做了一些努力来评估质量的植物生长在不同环境下详细的稳定表达二次新陈代谢和生物活性的浓度短信,预计将包括在植物性食物作为额外的促进健康组件(7]。

植物工厂是一个食品生产系统,能提供稳定的植物材料全年从气候变化没有影响8),这已经被证明是有效的为药用植物生产由于环境条件可以完全控制。由于高水平的细菌和昆虫的控制,不需要杀虫剂的植物生产的这些系统。因此,植物工厂可以生产安全食品与所需的质量水平的最佳环境条件可以确定为特定的作物。调节环境因素如光、温度和水对植物产生重大影响代谢和合成路径,增强SM的内容。众所周知,浓度的短信在植物不同的生长条件。植物提供高压力的环境可以促进SMs的积累;然而,更高的压力通常同时导致更低的收益率。在工厂实际生产工厂,是极大的重要生物质产量和SMs浓度之间保持一个平衡的经济效益最大化。因此,量化最优压力从单一环境因素或多个环境因素的交互变得至关重要的药用植物在一个商业工厂实际生产工厂。与工厂生产户外条件,植物工厂可以精确地调整其环境因素如光强度、光谱、营养液水平,温度、空气流量、没有地点限制等。 If the treatments and their effects on SMs synthesis are quantified, this technique can be directly applied into commercial plant factories all over the world not only theoretically but also practically.

白苏子(唇形科)被广泛用作烹饪药草在亚洲,尤其是日本。的颜色和味道紫苏属熟悉部分传统的日本料理。在日本,提取的紫苏属用于添加颜色和风味泡菜和日本的李子。在日本,韩国,印度,人们普遍使用紫苏属叶子的准备生鱼减少气味和鲜贝,它被添加到添加风味烤红肉(9]。作为原油的草药药物的提取紫苏属用于临床应用,在日本被列入药典[10),韩国(11),在中华人民共和国(12]。

芹黄素(AG)和木樨草素(LT)是主要的黄酮类化合物存在于紫苏属也包含在许多蔬菜和水果:芹菜,香菜,AG)和洋葱;红辣椒、生菜、浆果、中尉AG)和洋葱,LT被称为抗氧化,抗炎,和抗癌的药物,因此,他们吸引了研究人员的注意,由于其潜在的为chemopreventive代理(1,13- - - - - -15]。因此,AG和LT的候选化合物从植物的饮食代理许多药品或保健品的发展新疗法(1,13- - - - - -15]。供医疗使用,然而,它必须指出,许多黄酮类化合物包括AG)和LT密封的效果,有可能使它们有毒,所以剂量调整是必要的实现安全性和有效性(15]。因此,浓度AG)和LT的植物性食物是很重要的,必须由会议控制技术的挑战能供应这些原材料质量好。

在先前的研究中,我们发现rosmarinic酸(RA)、唇形科的草本植物的一个主要phenylpropanoid复合家庭,高度增加p . frutescens种植吸收压力由nutrient-limited条件下结合光强度高(李连杰饰)在植物工厂,同时保持一个常数浓度perillaldehyde (PA),一个主要萜类化合物中发现紫苏属精油(16]。鉴于萜类和糖类之间存在的差异对生物合成途径和积累,有可能没有同步增加的PA和风湿性关节炎。然而,由于黄酮类化合物的生物合成途径分享从花色的糖类,目前尚不清楚类黄酮可能如何应对环境影响糖类的生产。这应该澄清为了建立质量控制植物原料根据化合物的浓度是营养丰富的食物来源。因此,在目前的研究中,我们调查了黄酮类化合物的定量生产紫苏属植物通过逐步引入应力相比,种植和常见的定量表达式AG)和中尉与人工照明在植物工厂,紫苏属植物被种植在九个不同级别的治疗创造了环境光强度和营养浓度在水培法。通过液相色谱-光谱法定量化学分析(质)进行测量AG)和LT作为两个主要的类黄酮的浓度紫苏属植物在不同生长条件下生长。

2。材料和方法

2.1。紫苏属材料和生长条件

绿色紫苏属(p . frutescensvar。crispa f .冬青牧野,Takii种子有限公司,日本京都)和红色紫苏属(p . frutescens(l)布里顿。var。acuta荣誉f . crispa牧野,0657 - 79 t,国家生物医学研究所的创新,日本大阪)种子播种在石棉立方体(125厘米³)培养的房间。李被设置为150µ摩尔·米⁻²·年代⁻¹(单位µ摩尔·米⁻²·年代⁻¹代表光合光量子通量密度栽培容器)表面的光周期16 h每天提供凉爽的白色荧光灯(FHF32 EX-N-H,松下,有限公司,有限公司,日本),和植物灌溉与营养液(大冢水培组成、燕麦阿格有限公司,东京,日本)(大冢公式描述陆et al。16])。电导率(EC)和营养液的pH值调整到1.2 d·m⁻¹和6.0,分别。空气温度、相对湿度和有限公司₂浓度设置为25/20°C(光/暗周期),60 - 80%,和400年µ摩尔·摩尔⁻¹,分别。

2.2。治疗

三周后播种,红色紫苏属和绿色紫苏属幼苗被移植到一个大类型植物工厂(2.9米×2.0米×2.3米LWH)和李受到三个水平(100、200和300µ摩尔·米⁻²·年代⁻¹)的光周期16 h每天由凉爽的白色荧光灯和三个电子商务水平(1.0,2.0,和3.0 d·m⁻¹五个星期。李是测量表面的石棉立方体使用照度计(LI - 250;Li-Cor Inc .林肯,美国东北)之前将植物。实验是建立在一个3×3的阶乘与李裂区设计为主要情节和EC含量作为次要情节,和每个治疗包含18个植物。三种营养液坦克(EC的1.0,2.0,和3.0 d·m⁻¹为每个)准备在培养系统。植物灌溉每2天从底部从每个柜使用新鲜营养解决方案。溢出营养液是每个立方体石棉饱和后丢弃。空气温度、相对湿度和有限公司₂浓度是设定在23/20°C(光/暗周期),60 - 80%,和1000年µ摩尔·摩尔⁻¹,分别。

2.3。提取

提取从紫苏属叶子是根据日本药典[10在前一篇文章[描述]和方法16]。树叶在30°C采样和干两周。干紫苏属树叶粉和筛子过滤。10.00 - -10.50毫克样本重量准确,转移到1.5毫升管。甲醇(1毫升)补充说,混合10分钟在2000 rpm和15°C使用埃普多夫全能料理机(德国汉堡),和离心5分钟。残留物,甲醇(1毫升×2)补充道,和相同的提取方式进行两次。提取(大约3毫升)结合,转移到5毫升容量瓶稀释和甲醇5毫升总量。解决方案是透过安捷伦0.2µ米尼龙注射器过滤器(安捷伦科技公司,帕洛阿尔托、钙、美国)准备样品为质。

2.4。AG)和内容

质分析AG)和LT是根据所描述的方法进行西村et al。17)做了一些调整。一个日本岛津公司LC-20A突出系统(高效液相色谱)与SIL-20AC autosampler质谱(MS)和lcms - 2020配备了一个电喷雾电离(ESI)源操作在负模式被用于识别和量化AG)和LT的色谱数据处理使用LabSolutions软件(日本岛津公司,京都,日本)。AG)的高效液相色谱条件和LT XBridge本·C18柱(3.5µ米,2.1×150毫米,水域,妈,美国);温度、40°C;流量、0.2毫升/分钟;运行时,15分钟;流动相乙腈30% / 0.1%甲酸;和注射体积,1µl .洗脱液通过电喷雾源。3.5 kV的毛细管电压在负离子模式下使用。氮作为干燥气体的流量15 L·分钟⁻¹和喷洒气体流量为1.5 L·分钟⁻¹。反溶剂线温度设定在250°C。离子阱是在全扫描模式下操作m / z50到1000和selected-ion监测(SIM)模式m / z269分子离子(mh)⁻AG)和m / z285分子离子(mh)⁻中尉AG)和LT的标准被溶解在少量四氢呋喃,然后用甲醇稀释准备的标准解决方案使用前识别和量化。AG)和LT内容/叶片干重(以下,AG)和LT)浓度估计AG)和LT内容样本除以样本的重量。

2.5。化学物质

甲醇(质等级)和水(质等级)和光纯化学从富士胶片购买kouichi公司(日本大阪)。AG)和肝移植标准得到从东京化工有限公司有限公司(日本东京)。乙腈(高效液相色谱级)从Sigma-Aldrich获得日本(日本东京)。甲酸是购自关东大化工有限公司公司(日本东京)。

2.6。统计分析

所有测量每个样品重复三次。从每个处理5到6植物采样来确定浓度。的治疗数据进行方差分析进行比较,通过图基的测试使用SPSS统计软件(IBM SPSS统计,25.0版。位于纽约阿蒙克市:IBM公司)。一个值< 0.05被认为是显著的。

3所示。结果与讨论

3.1。浓度的AG)和LT绿色和红色紫苏属

用绿色的浓度AG)和LT紫苏属如数据所示1(一)和1 (b)分别为内容的单位叶片干重。AG)的浓度降低1.0的EC下dS·m⁻¹使用相同的李,它倾向于增加与EC在LIs的增加100和200µ摩尔·米⁻²·年代⁻¹(图1(一))。AG)的浓度(2.95是最低的µg·g⁻¹)在一个电子商务1.0 d·m⁻¹和李200µ摩尔·米⁻²·年代⁻¹,但这是增加到最高水平(8.50µg·g⁻¹)的浓度(增加2.9倍)下3.0的EC dS·m⁻¹200年,李µ摩尔·米⁻²·年代⁻¹。李没有影响AG浓度相同的EC,除了LIs 200年和300年之间的比较µ摩尔·米⁻²·年代⁻¹3.0的EC下dS·m⁻¹。合成LT浓度没有显著差异的治疗和影响由LI和EC(图1 (b))。

浓度AG)和LT的红色紫苏属如数据所示1 (c)和1 (d)分别为内容的单位叶片干重。AG)的浓度会降低与减少在EC下相同,但李当EC治疗没有变化的影响不大。最低的值(3.43µg·g⁻¹)获得的最低水平下EC和李,和最高的值(6.38µg·g⁻¹)获得的最高水平下EC和李(增加1.9倍)。LT浓度显示治疗后微小的差异,指出除了治疗100年和200年之间µ摩尔·米⁻²·年代⁻¹1.0的EC下dS·m⁻¹。LT倾向于增加与减少EC和浓度显著增加EC的最低水平(1.0 d·m⁻¹)的李200µ摩尔·米⁻²·年代⁻¹。LT的浓度(5.92是最低的µg·g⁻¹)在一个电子商务3.0 d·m⁻¹200年,李µ摩尔·米⁻²·年代⁻¹,但这是增加到最高水平(11.9µg·g⁻¹)的浓度(增加2.0倍)下1.0的EC dS·m⁻¹200年,李µ摩尔·米⁻²·年代⁻¹。

3.2。AG)和LT在绿色和红色内容/工厂紫苏属

AG)和LT的内容每用绿色植物紫苏属如数据所示2(一个)和2 (b),分别。最高的EC (3.0 d·m⁻¹)取得了更高的AG)和LT内容/李植物在相同。AG)和LT内容的最低水平/工厂记录下1.0的EC dS·m⁻¹200年,李µ摩尔·米⁻²·年代⁻¹,但这些水平增加到最高水平(6.4倍和3.7倍的增加AG)和LT,分别)在1.0的EC dS·m⁻¹200年,李µ摩尔·米⁻²·年代⁻¹。AG)和LT内容/植物依靠生长条件,由李EC低或低水平。

AG)和LT的内容在红/工厂紫苏属如数据所示2 (c)和2 (d),分别。与绿色紫苏属植物、李(300年最高µ摩尔·米⁻²·年代⁻¹)取得了更高的AG)内容/植物在相同EC红紫苏属。每个植物得到更高层次的AG)内容在一个电子商务水平的2.0或3.0 d·m⁻¹加上李(300年最高µ摩尔·米⁻²·年代⁻¹)。所有其他治疗方法获得AG)的含量明显低于内容/植物相比,上述治疗方法。每个工厂的AG含量最低(0.57µg·植物⁻¹1.0)下获得一个电子商务水平的dS·m⁻¹300年,李µ摩尔·米⁻²·年代⁻¹提高到最高(4.90吗µg·植物⁻¹每个工厂)AG)内容(增加8.6倍)3.0 dS的EC·m⁻¹300年,李µ摩尔·米⁻²·年代⁻¹。LT内容/工厂倾向于增加水平下增加李EC的2.0和3.0 d·m⁻¹。LT内容/工厂最低(1.30µg·植物⁻¹)在一个电子商务1.0 d·m⁻¹100年,李µ摩尔·米⁻²·年代⁻¹(5.19,最高的价值µg·植物⁻¹)得到(增加4.0倍)下3.0的EC dS·m⁻¹300年李µ摩尔·米⁻²·年代⁻¹。

3.3。类黄酮生产绿色和红色紫苏属

类黄酮生物合成已被广泛的研究在不同的植物物种18]。AG和LT黄酮的化学结构和酶作为生物催化剂合成关键核心结构的黄酮类化合物,如黄酮、黄酮醇、黄烷酮、花青素。类风湿性关节炎是一种酯两种C6-C3分子称为phenylpropanoid,参与风湿性关节炎的生物合成和酶也被发现锦紫苏blumeil . (19]。最近,基因表达p . frutescens与类黄酮的生物合成途径和糖类被发现在研究利用转录组分析(20.]。因此,根据上面的知识,我们提出了RA的生物合成途径相关,AG)和LT存在紫苏属,如图3。黄酮的通路,AG)和LT,包括糖类的一般生物合成来自l苯丙氨酸生产4-coumaroyl-CoA,这是一个至关重要的前体黄酮的生物合成和风湿性关节炎19]。衬底4-coumaroyl-CoA是两种用于酯化、它与4-hydroxyphenyllactic酸反应中风湿性关节炎的生物合成中重要的一步。这一事实表明,产生分子AG)、LT, RA需要使用一个相当于4-coumaroyl-CoA分子生物合成的前体,也表明需要激活酶参与phenylpropanoid通路。

我们的结果表明,电子商务水平的影响的积累AG)和LT是截然不同的。AG)的浓度是最高的电子商务3.0 d·m⁻¹LT是最高的,而1.0的EC dS·m⁻¹。此外,AG浓度是最低下的电子商务1.0 d·m⁻¹LT是最低的,而3.0的EC dS·m⁻¹。这些反对派AG)之间的反应和LT可能反映了柚苷配基的分享他们的竞争关系,它驻留在之间的连接通路AG)和花青素(图3)。在我们以前的报告,RA的浓度是最高的1.0 nutrient-limited条件下(EC dS·m⁻¹)和减少EC (EC水平最高的3.0 d·m⁻¹在绿色和红色)紫苏属(16]。有趣的是,类似的反应之间的LT和RA中观察到红色紫苏属,LT集中在红色的增强紫苏属下nutrient-limited压力。

欧共体在LT积累的影响绿色和红色之间的不同紫苏属。在绿色紫苏属LT浓度的结果显示,变化和趋势,但每个植物LT内容广泛的数据取决于环境。LT被提拔的收益率在高水平的EC和李依照生物质产量(数字1 (b)和2 (b))。用红色紫苏属然而,LT是增强的浓度下1.0的EC dS·m⁻¹站在反对生物质趋势(数据1 (d)和2 (d))。这表明,红色的LT的新陈代谢紫苏属克服了EC在增长的负面影响,当李达到至少200µ摩尔·米⁻²·年代⁻¹,导致增加LT产量与生物量减少产量,但只有在这个级别的。100年和300年与李的值µ摩尔·米⁻²·年代⁻¹LT的产量表现出明显的依赖生物质产量。

我们比较AG)和LT积累在绿色和红色紫苏属(数据4和5)。用红色紫苏属,LT积累总是高于AG),而在绿色紫苏属AG)高于LT除了三个治疗(图4)。LT分子3′位置的羟基黄酮骨架,和一种至关重要的酶,这种酶介绍了3′羟基组对应的前体已被确认为黄酮3′-羟化酶(F3′H)(图3)。因为红色紫苏属植物明显高表达水平的基因编码F3′H与水平表达的绿色植物,因为F3′H是其中最重要的催化剂在花青素合成在拟南芥20.),LT的积累高于AG)在红色紫苏子,可能更高的转换活动造成的F3′H在红色的花青素生物合成植物相比,在绿色植物。澄清这种交互,我们试图跟踪生物合成的前体:柚苷配基查耳酮,柚苷配基、山柰酚、槲皮素,使用质和圣草酚的定量分析,但没有一个人发现提取的紫苏属干树叶。这意味着这些分子没有积累足够的侦探水平相对路径。然后,我们虽然这些前体转变迅速用于AG)的生物合成,LT和花青素。

用绿色AG)和LT的总浓度紫苏属是200年的最低下李吗µ摩尔·米⁻²·年代⁻¹和1.0的EC dS·m⁻¹,但是这些增加的最高水平(增加2.2倍)浓度下李200µ摩尔·米⁻²·年代⁻¹和3.0的EC dS·m⁻¹(图5(一个))。用红色紫苏属然而,浓度下李最低的200人µ摩尔·米⁻²·年代⁻¹和3.0的EC dS·m⁻¹和增加到最高水平300年李(增加1.4倍)µ摩尔·米⁻²·年代⁻¹和1.0的EC dS·m⁻¹(图5 (c))。换句话说,总浓度的范围窄的红色植物与绿色植物相比,这表明红色植物黄酮积累能够承受更大的环境的影响,这可能会导致更大的统一的食品质量。用绿色的总收益率AG)和LT紫苏属是200年的最低下李吗µ摩尔·米⁻²·年代⁻¹和1.0的EC dS·m⁻¹和最高产量增加(增加4.9倍)李200年µ摩尔·米⁻²·年代⁻¹和3.0的EC dS·m⁻¹(图5 (b))。为红色紫苏属的总收率AG)和LT是李在最低的100年µ摩尔·米⁻²·年代⁻¹和1.0的EC dS·m⁻¹和最高产量增加(增加5.4倍)李300年µ摩尔·米⁻²·年代⁻¹和3.0的EC dS·m⁻¹(图5 (d))。因为绿色植物获得较大的比红色的植物生物质产量,他们有最好的总收率AG)和LT (33.9 mg·植物⁻¹;李:200µ摩尔·米⁻²·年代⁻¹;电子商务:3.0·d·m⁻¹)三倍以上的红色植物(10.0 mg·植物⁻¹;李:300µ摩尔·米⁻²·年代⁻¹;电子商务:3.0 d·m⁻¹)在应用程序(数据最好的治疗5 (b)和5 (d)),AG)和LT的总浓度在绿色和红色植物几乎是一样的,14.6µg·g⁻¹和13.3µg·g⁻¹分别(图5(一个)和5 (c))。

4所示。结论

我们检查了生物活性黄酮类化合物,在绿色和红色的形式出现紫苏属植物。结果表明,李和EC是影响最大的因素,类黄酮生产率芹黄素和木樨草素的浓度和产量。因此,环境治疗了受这些因素显著影响黄酮生物合成和积累,和他们的使用,提出了一种有效的方法培养的绿色和红色紫苏属植物。这些发现可能适用的优化栽培控制生产的食物组成的绿叶蔬菜含有生物活性的化合物。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是支持的日本食品化学研究基金会和植物化学的植物分子科学,千叶大学。我们感谢女士Chayanit Tippayadarapanich (Kasetsart大学)在种植技术援助。我们还要感谢齐藤一辉博士和麻美山崎(千叶大学)为鼓励我们检查黄酮紫苏属。

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