Rapid comparison of metabolic equivalence of standard medicinal parts from medicinal plants and their in vitro-generated adventitious roots using FT-IR spectroscopy

To determine whether metabolite fingerprinting for whole cell extracts based on Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy can be used to discriminate and compare metabolic equivalence, standard medicinal parts from four medicinal plants (Cynanchum wilfordii Hemsley, Atractylodes japonica Koidz, Polygonum multiflorum Thunberg and Astragalus membranaceus Bunge) and their in vitro-produced adventitious roots were analyzed by FT-IR spectroscopy. The principal component analysis (PCA) and partial least square discriminant analysis (PLS-DA) from the FT-IR spectral data showed that the whole metabolic pattern from Cynanchum wilfordii was highly similar to Astragalus membranaceus. However, Atractylodes japonica and Polygonum multiflorum showed significantly different metabolic patterns. Furthermore, adventitious roots from Cynanchum wilfordii and Astragalus membranaceus also showed similar metabolic patterns compared to their standard medicinal parts. These results clearly show that mass proliferation of adventitious roots may be applied to aquire novel supply of standard medicinal parts from medicinal plants. However, the whole metabolic pattern from adventitious roots of Atractylodes japonica and Polygonum multiflorum were not similar to their standard medicinal parts. Furthermore, FT-IR spectroscopy combined with multivariate analyses established in this study may be applied as an alternative tool to discriminate the whole metabolic equivalence from several standard medicinal parts. Thus, we suggest that these metabolic discrimination systems may be applied for metabolic standardization of herbal medicinal resources.

한약자원 품목별 표준시료와 기내 생산 부정근의 FT-IR 스펙트럼 기반 대사체 동등성 신속 비교

본 연구에서는 식물조직배양기법을 통해 생산된 부정근과 이들의 표준 한약자원 약용부위에서 추출된 전세포추출물의 FT-IR스펙트럼 분석을 통해 대사체 수준에서의 동등성을 비교 분석함으로써 보다 안전하고, 균일한 한약자원 약용부위의 대체 공급수단을 개발하고자 하였다. 이를 위해 대표적인 한약자원 품목인 백수오(Cynanchum wilfordii), 백출(Atractylodes japonica), 하수오(Polygonum multiflorum), 그리고 황기(Astragalus membranaceus) 등 4 종류 약용식물의 표준 한약자원 약용부위와 기내에서 생산된 이들의 부정근들을 FT-IR 분석에 사용하였다. FT-IR 스펙트럼 데이터의 PCA (principal component analysis)와 PLS-DA (partial least square discriminant analysis) 분석결과 백수오와 황기의 표준 약용부위 시료들 사이에서 전체 대사체 패턴이 매우 유사함을 알 수 있었다. 특히 이들 한약자원 품목들의 경우 기내생산 부정근 시료들과도 전체 대사체 패턴이 매우 유사함을 알 수 있었다. 본 결과로 미루어볼 때 백수와 황기의 경우 기내에서 대량생산된 부정근이 이들 한약자원 품목의 약용부위에 대한 새로운 공급수단으로 활용이 가능함을 보여주는 결과라 사료된다. 그러나 백출과 하수오의 부정근 시료들의 경우 전체 대사체 패턴이 이들의 표준 약용부위 시료들과 차이를 보였다. 또한 본 연구를 통하여 다양한 한약자원 품목들의 약용부위 시료들로부터 빠르고 간편하게 전체 대사체 수준에서 유사도 비교가 가능함을 알 수 있었다. 따라서 본 연구에서 확립된 FT-IR 스펙트럼기반 다변량통계분석 기술은 다양한 한약자원 약용부위 시료들의 대사체 수준 동등성을 식별하는 수단으로 활용이 가능할 것으로 기대된다. 더 나아가 본 기술이 한약자원품목들의 성분 표준화에 크게 기여할 수 있을 것으로 사료된다.