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A importância de materiais medicinais genuínos tem sido reconhecida há muito tempo na região específica de origem para a produção de medicamentos fitoterápicos chineses de excelente qualidade [8]. A alta qualidade é um atributo essencial dos materiais medicinais genuínos e o habitat é um fator importante que afeta a qualidade desses materiais. Desde que o YCH começou a ser usado como medicamento, há muito que é dominado pelo YCH selvagem. Após a introdução e domesticação bem-sucedida do YCH em Ningxia na década de 1980, a fonte de materiais medicinais de Yinchaihu mudou gradualmente do YCH selvagem para o YCH cultivado. De acordo com uma investigação anterior sobre fontes YCH [9] e na investigação de campo do nosso grupo de pesquisa, existem diferenças significativas nas áreas de distribuição dos materiais medicinais cultivados e silvestres. O YCH selvagem é distribuído principalmente na Região Autônoma de Ningxia Hui, na província de Shaanxi, adjacente à zona árida da Mongólia Interior e ao centro de Ningxia. Em particular, a estepe desértica nestas áreas é o habitat mais adequado para o crescimento do YCH. Em contraste, o YCH cultivado é distribuído principalmente ao sul da área de distribuição selvagem, como o condado de Tongxin (cultivado I) e áreas adjacentes, que se tornou a maior base de cultivo e produção na China, e o condado de Pengyang (cultivado II) , que está localizada numa zona mais a sul e é outra área produtora de YCH cultivada. Além disso, os habitats das duas áreas cultivadas acima não são estepes desérticas. Portanto, além do modo de produção, também existem diferenças significativas no habitat do YCH selvagem e cultivado. O habitat é um fator importante que afeta a qualidade dos materiais medicinais fitoterápicos. Diferentes habitats afetarão a formação e acumulação de metabólitos secundários nas plantas, afetando assim a qualidade dos medicamentos [10,11]. Portanto, as diferenças significativas no conteúdo de flavonóides totais e esteróis totais e na expressão dos 53 metabólitos que encontramos neste estudo podem ser o resultado do manejo de campo e de diferenças de habitat.

Uma das principais formas pelas quais o ambiente influencia a qualidade dos materiais medicinais é exercendo estresse nas plantas de origem. O estresse ambiental moderado tende a estimular o acúmulo de metabólitos secundários [12,13]. A hipótese do equilíbrio de crescimento/diferenciação afirma que, quando os nutrientes são suficientes, as plantas crescem principalmente, enquanto que quando os nutrientes são deficientes, as plantas diferenciam-se principalmente e produzem mais metabólitos secundários.14]. O estresse hídrico causado pela deficiência de água é o principal estresse ambiental enfrentado pelas plantas em áreas áridas. Neste estudo, a condição da água do YCH cultivado é mais abundante, com níveis de precipitação anuais significativamente mais elevados do que aqueles para o YCH selvagem (o abastecimento de água para o Cultivado I foi cerca de 2 vezes maior que o do Selvagem; o Cultivado II foi cerca de 3,5 vezes maior que o do Selvagem ). Além disso, o solo no ambiente selvagem é arenoso, mas o solo nas terras agrícolas é argiloso. Comparado com o solo argiloso, o solo arenoso tem uma fraca capacidade de retenção de água e é mais susceptível de agravar o stress hídrico. Ao mesmo tempo, o processo de cultivo era frequentemente acompanhado de rega, pelo que o grau de stress hídrico era baixo. O YCH selvagem cresce em habitats naturais áridos e, portanto, pode sofrer estresse hídrico mais sério.

A osmorregulação é um importante mecanismo fisiológico pelo qual as plantas lidam com o estresse hídrico, e os alcalóides são importantes reguladores osmóticos nas plantas superiores.15]. As betaínas são compostos alcalóides de amônio quaternário solúveis em água e podem atuar como osmoprotetores. O estresse hídrico pode reduzir o potencial osmótico das células, enquanto os osmoprotetores preservam e mantêm a estrutura e a integridade das macromoléculas biológicas e aliviam efetivamente os danos causados ​​pelo estresse hídrico às plantas.16]. Por exemplo, sob estresse hídrico, o teor de betaína da beterraba sacarina e do Lycium barbarum aumentou significativamente [17,18]. A trigonelina é um regulador do crescimento celular e, sob estresse hídrico, pode prolongar a duração do ciclo celular da planta, inibir o crescimento celular e levar à redução do volume celular. O aumento relativo na concentração de soluto na célula permite que a planta alcance a regulação osmótica e aumente sua capacidade de resistir ao estresse hídrico.19]. JIA X [20] descobriram que, com o aumento do stress hídrico, o Astragalus membranaceus (uma fonte da medicina tradicional chinesa) produzia mais trigonelina, que actua para regular o potencial osmótico e melhorar a capacidade de resistir ao stress hídrico. Os flavonóides também demonstraram desempenhar um papel importante na resistência das plantas ao estresse hídrico.21,22]. Um grande número de estudos confirmou que o estresse hídrico moderado conduzia ao acúmulo de flavonóides. Lang Duo-Yong et al. [23] compararam os efeitos do estresse hídrico no YCH controlando a capacidade de retenção de água no campo. Verificou-se que o estresse hídrico inibiu o crescimento das raízes até certo ponto, mas no estresse hídrico moderado e severo (40% da capacidade de retenção de água do campo), o conteúdo total de flavonóides no YCH aumentou. Enquanto isso, sob estresse hídrico, os fitoesteróis podem atuar regulando a fluidez e a permeabilidade da membrana celular, inibindo a perda de água e melhorando a resistência ao estresse.24,25]. Portanto, o aumento do acúmulo de flavonóides totais, esteróis totais, betaína, trigonelina e outros metabólitos secundários no YCH selvagem pode estar relacionado ao estresse hídrico de alta intensidade.

Neste estudo, a análise de enriquecimento da via KEGG foi realizada nos metabólitos que foram significativamente diferentes entre o YCH selvagem e cultivado. Os metabólitos enriquecidos incluíram aqueles envolvidos nas vias do metabolismo do ascorbato e aldarato, biossíntese de aminoacil-tRNA, metabolismo da histidina e metabolismo da beta-alanina. Essas vias metabólicas estão intimamente relacionadas aos mecanismos de resistência ao estresse das plantas. Entre eles, o metabolismo do ascorbato desempenha um papel importante na produção de antioxidantes nas plantas, no metabolismo do carbono e do nitrogênio, na resistência ao estresse e em outras funções fisiológicas.26]; A biossíntese de aminoacil-tRNA é uma via importante para a formação de proteínas [27,28], que está envolvido na síntese de proteínas resistentes ao estresse. Ambas as vias da histidina e da β-alanina podem aumentar a tolerância das plantas ao estresse ambiental [29,30]. Isto indica ainda que as diferenças nos metabolitos entre o YCH selvagem e cultivado estavam intimamente relacionadas com os processos de resistência ao stress.

O solo é a base material para o crescimento e desenvolvimento das plantas medicinais. Nitrogênio (N), fósforo (P) e potássio (K) no solo são elementos nutrientes importantes para o crescimento e desenvolvimento das plantas. A matéria orgânica do solo também contém N, P, K, Zn, Ca, Mg e outros macroelementos e oligoelementos necessários para plantas medicinais. Nutrientes excessivos ou deficientes, ou proporções de nutrientes desequilibradas, afetarão o crescimento e o desenvolvimento e a qualidade dos materiais medicinais, e diferentes plantas têm diferentes necessidades nutricionais [31,32,33]. Por exemplo, um baixo estresse de N promoveu a síntese de alcalóides em Isatis indigotica e foi benéfico para o acúmulo de flavonóides em plantas como Tetrastigma hemsleyanum, Crataegus pinnatifida Bunge e Dichondra repens Forst. Em contraste, muito N inibiu o acúmulo de flavonóides em espécies como Erigeron breviscapus, Abrus cantoniensis e Ginkgo biloba, e afetou a qualidade dos materiais medicinais.34]. A aplicação de fertilizante fosfatado foi eficaz no aumento do teor de ácido glicirrízico e diidroacetona no alcaçuz Ural [35]. Quando a quantidade de aplicação excedeu 0,12 kg·m−2, o conteúdo total de flavonóides em Tussilago farfara diminuiu [36]. A aplicação de um fertilizante fosfatado teve um efeito negativo no conteúdo de polissacarídeos no rizoma polygonati da medicina tradicional chinesa [37], mas um fertilizante K foi eficaz em aumentar seu teor de saponinas [38]. A aplicação de 450 kg·hm−2 de fertilizante K foi o melhor para o crescimento e acúmulo de saponina de Panax notoginseng de dois anos de idade [39]. Na proporção N:P:K = 2:2:1, as quantidades totais de extrato hidrotérmico, harpagide e harpagoside foram as maiores [40]. A elevada proporção de N, P e K foi benéfica para promover o crescimento de Pogostemon cablin e aumentar o teor de óleo volátil. Uma baixa proporção de N, P e K aumentou o conteúdo dos principais componentes eficazes do óleo de folha do caule de Pogostemon cablin [41]. YCH é uma planta tolerante ao solo estéril e pode ter requisitos específicos para nutrientes como N, P e K. Neste estudo, em comparação com o YCH cultivado, o solo das plantas selvagens de YCH era relativamente estéril: o conteúdo do solo da matéria orgânica, N total, P total e K total foram cerca de 1/10, 1/2, 1/3 e 1/3 das plantas cultivadas, respectivamente. Portanto, as diferenças nos nutrientes do solo podem ser outra razão para as diferenças entre os metabólitos detectados no YCH cultivado e selvagem. Weibao Ma et al. [42] descobriram que a aplicação de uma certa quantidade de fertilizante N e fertilizante P melhorou significativamente o rendimento e a qualidade das sementes. No entanto, o efeito dos elementos nutrientes na qualidade do YCH não é claro, e as medidas de fertilização para melhorar a qualidade dos materiais medicinais necessitam de mais estudos.

Os medicamentos fitoterápicos chineses têm as características de “Habitats favoráveis ​​promovem a produção e habitats desfavoráveis ​​melhoram a qualidade” [43]. No processo de uma mudança gradual de YCH selvagem para cultivado, o habitat das plantas mudou da estepe árida e árida do deserto para terras agrícolas férteis com água mais abundante. O habitat do YCH cultivado é superior e o rendimento é maior, o que ajuda a atender a demanda do mercado. No entanto, este habitat superior levou a alterações significativas nos metabolitos do YCH; se isto conduz à melhoria da qualidade do YCH e como alcançar uma produção de YCH de alta qualidade através de medidas de cultivo baseadas na ciência, exigirá mais investigação.

O cultivo simulado de habitat é um método de simulação do habitat e das condições ambientais de plantas medicinais silvestres, baseado no conhecimento da adaptação a longo prazo das plantas a estresses ambientais específicos.43]. Ao simular vários factores ambientais que afectam as plantas selvagens, especialmente o habitat original das plantas utilizadas como fontes de materiais medicinais autênticos, a abordagem utiliza design científico e intervenção humana inovadora para equilibrar o crescimento e o metabolismo secundário das plantas medicinais chinesas [43]. Os métodos visam alcançar os arranjos ideais para o desenvolvimento de materiais medicinais de alta qualidade. O cultivo simulado de habitat deve fornecer uma forma eficaz para a produção de YCH de alta qualidade, mesmo quando a base farmacodinâmica, os marcadores de qualidade e os mecanismos de resposta aos fatores ambientais não são claros. Assim, sugerimos que o desenho científico e as medidas de gestão de campo no cultivo e produção de YCH sejam realizadas com referência às características ambientais do YCH selvagem, tais como condições de solo áridas, estéreis e arenosas. Ao mesmo tempo, espera-se também que os pesquisadores conduzam pesquisas mais aprofundadas sobre a base do material funcional e os marcadores de qualidade do YCH. Estes estudos podem fornecer critérios de avaliação mais eficazes para YCH e promover a produção de alta qualidade e o desenvolvimento sustentável da indústria.