《BMC Plant Biology》：Callitriche cophocarpa as a biotechnological resource: optimizing in vitro cultures and elicitation to boost biologically active phenolic acids and phenylethanoid and iridoid glycosides
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本研究针对药用植物活性成分可持续生产难题，通过建立水马齿离体培养体系并施加氮胁迫（?N/0 N）诱导，显著提升了酚酸及糖苷（如verbascoside）积累，证实了其强效抗氧化及抗金黄色葡萄球菌（S. aureus）活性，为植物生物技术开发提供了新策略。
在传统医学与现代药物研发的交叉路口，植物次级代谢产物一直是抗感染与抗氧化活性先导化合物的重要来源。然而，野生植物资源的采集受季节、环境及病虫害限制，且活性成分含量不稳定，难以满足规模化、标准化生产的需求。水生高等植物水马齿（Callitriche cophocarpa Sendtn.）虽在民间医药中应用广泛，但其野生资源利用面临上述共性难题。因此，开发一种可控、高效、可持续的植物材料生产体系，成为解决药用植物资源瓶颈的关键。本研究旨在利用植物生物技术手段，通过优化离体培养条件并结合胁迫诱导策略，将水马齿打造为生产高价值生物活性物质的“细胞工厂”。
为开展本研究，作者主要应用了以下关键技术方法：建立了水马齿离体培养体系（包括静止、振荡及临时浸没式生物反应器培养）；实施了基于氮 deficiency（?N, 0 N）的化学诱导策略；采用植物化学分析技术（定性及定量分析酚酸、苯乙醇苷、环烯醚萜苷）；并通过体外抗氧化实验（如还原能力测定）和抗菌实验（针对标准株、耐药及敏感金黄色葡萄球菌）评估了提取物的生物活性。
背景
水马齿（Callitriche cophocarpa Sendtn.）是广泛分布于全球水生环境的一种高等植物，属于车前科（Plantaginaceae）。在民间医学中，它因能够合成大量具有广谱生物活性的次级代谢产物而被长期应用。然而，野生植物材料存在质量不一、可能受环境污染以及资源可持续性等问题。植物组织培养技术，特别是离体培养，为生产标准化、无病原体的药用植物材料提供了可行路径。此外，利用非生物胁迫（如营养胁迫）进行诱导，是增强植物细胞中特定次级代谢产物积累的有效生物技术策略。氮（N）作为植物生长发育的关键元素，其缺乏已被证明可激活多条与防御反应相关的代谢途径，常导致酚类化合物等次级代谢产物的合成增加。本研究系统评估了不同离体培养体系及氮胁迫对水马齿生长和活性成分积累的影响，并探究了其提取物的生物学功效。
结果
离体培养体系的筛选与优化
研究首先比较了不同组织培养方式对水马齿生长及次级代谢产物积累的影响。定性植物化学分析证实，离体培养的茎段能够合成目标化合物——酚酸、苯乙醇苷（Phenylethanoid glycosides）和环烯醚萜苷（Iridoid glycosides）。在液体培养基中进行的培养（包括静止培养和振荡培养）显示出比临时浸没式生物反应器（Temporary immersion bioreactor）更高的效率，表现为更优的植物生长表现和更高的目标次级代谢产物产量。因此，后续的诱导实验选定在液体培养基（静止与振荡）中进行。
氮胁迫诱导对代谢产物积累的影响
研究通过改变培养基中硝酸盐和铵离子的浓度，设置了不同程度的氮胁迫条件：减量氮（?N）和完全无氮（0 N）。总体而言，与未诱导的对照组相比，氮胁迫显著促进了酚酸、苯乙醇苷和环烯醚萜苷类化合物的积累。然而，代谢响应存在化合物特异性：当培养基中N离子浓度降低时，部分特定次级代谢产物的积累反而减少。这种代谢重编程伴随着植物生理状态的改变，诱导处理组织的鲜重增长受到抑制，表明植物在资源有限条件下，将代谢流从生长转向了防御性化合物的合成。
生物活性评估：抗氧化与抗菌效力
诱导处理不仅改变了代谢谱，更直接提升了提取物的生物活性。由于酚类化合物和苯乙醇苷（如verbascoside）含量增加，诱导后植物提取物的还原能力（抗氧化活性的指标）显著增强。更重要的是，这些提取物对金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）表现出显著的抗菌活性，且这种活性对标准菌株、抗生素敏感菌株以及抗生素耐药菌株均有效。研究揭示了高水平的verbascoside和酚酸与强效杀菌特性之间的正相关关系。
结论与讨论
本研究证实，水马齿的离体培养体系是生产高价值酚酸、苯乙醇苷和环烯醚萜苷的可靠生物技术平台。氮 deficiency 作为一种有效的化学诱导因子，能够激活与酚类化合物和苯乙醇苷合成相关的生化途径，从而显著提升目标产物的积累。尽管高强度胁迫（如0 N）会牺牲部分生物量，但由此带来的活性成分富集及随之增强的抗氧化与广谱抗菌（尤其抗金黄色葡萄球菌）能力，使其在医药与保健品开发中具有巨大潜力。该策略为可持续生产植物源抗菌药物及抗氧化剂提供了绿色解决方案，并展示了植物生物技术在应对抗生素耐药性挑战中的独特价值。
