本草基因組學研究及應用

傳統(tǒng)草藥在中國的使用歷史超過5000年，為人類的健康做出了巨大貢獻，然而由于傳統(tǒng)研究手段的局限性，絕大多數(shù)中草藥物種的遺傳背景、生物學特性和有效成分的研究基礎還很薄弱。隨著生物技術的發(fā)展，尤其是測序技術的進步，基因組學的研究為揭秘遺傳密碼提供了有力武器。人類基因組計劃公布了人類基因組草圖，為基因組學研究揭開新的一頁。隨著高通量測序成本的下降和傳統(tǒng)草藥研究熱潮的再度興起，陳士林課題組2010年提出并啟動本草基因組計劃。本草基因組計劃（HerbGenomeProgram，HerbGP）是針對具有重要經(jīng)濟價值的藥用植物和代表不同次生代謝途徑的模式藥用植物開展的基因組層面的系列研究計劃，主要內(nèi)容包括全基因組序列的測定、組裝和生物信息學分析，及具有典型次生代謝途徑的模式藥用植物研究平臺的建立和抗病抗逆等優(yōu)良性狀遺傳機制的闡明等后基因組學研究，同時包括利用基因組學信息對藥用植物的品種選育。研究團隊先后通過對中草藥基因組測序、組裝并注釋基因組來分析各基因的功能，以為揭示中草藥的遺傳背景和通過闡釋中草藥有效成分生物合成途徑進行分子育種奠定基礎。目前，靈芝、丹參、人參、紫芝和穿山甲等藥典刊載物種已經(jīng)完成基因組測序并相繼發(fā)表。

2015年科學雜志（Science）專刊以“本草基因組學－揭秘傳統(tǒng)草藥生物學本質(zhì)”為題正式系統(tǒng)介紹了本草基因組學。本草基因組學（Herbgenomics）是研究草藥基因組的組成，組內(nèi)各基因的精確結(jié)構(gòu)、相互關系及表達調(diào)控的科學，是用于概括涉及基因作圖、測序和整個基因組功能分析的遺傳學分支。本草基因組學為復雜草藥成分的化學和生物學解析提供了有效平臺，通過建立基因數(shù)據(jù)庫可被廣泛應用于傳統(tǒng)草藥的品質(zhì)研究、分子鑒定、有效成分的生物合成、道地性研究和分子育種等。

（一）全基因組解析在《自然－通訊》提出首個中藥藥用模式真菌，編著《本草基因組學》奠定學科基礎。

完成赤芝、丹參、紫芝、人參等全基因組圖譜和相關組學研究。提出首個中藥藥用模式真菌－靈芝，成果在《自然－通訊》發(fā)表，突破傳統(tǒng)中藥研究缺乏真菌模式生物的瓶頸，被NatureChina選為中國最佳研究亮點，《今日美國》（USATO-DAY）以“揭秘中國仙草基因組”專題報道?！禢atureCom-mun》以特別圖片（FEATURED IMAGE）評述該研究：“陳士林等完成的靈芝基因組研究表明，靈芝用于真菌類中藥次生代謝途徑及其調(diào)節(jié)研究是令人滿意的模式體系”。相關組學成果發(fā)表在PlantJournal、PlantPhysiology、NewPhytologist等植物學頂級期刊。編著出版《本草基因組學》奠定學科基礎，推動中草藥生物學研究進入組學時代。

（二）國內(nèi)外首創(chuàng)中草藥DNA條形碼物種鑒定技術體系，為中草藥建立“基因身份證”，從基因?qū)用娼鉀Q傳統(tǒng)中草藥千百年來物種真?zhèn)舞b定難題。

國際上首次驗證提出核基因組序列ITS2作為中草藥通用DNA條形碼，完成1.1萬種中藥材及混偽品的4.8萬余份樣品DNA條形碼研究，建立了中藥材DNA條形碼鑒定標準，為中藥鑒定學開拓了新的方法學領域。主編《中國藥典中藥材DNA條形碼標準序列》、《中藥DNA條形碼分子鑒定》等專著，中藥材DNA條形碼鑒定指導原則納入《中國藥典》2010版、2015版。該研究被世界中醫(yī)藥學會聯(lián)合會（WFCMS）等譽為標志著“中藥進入標準化的基因鑒定時代”。美國優(yōu)利基因、日本津村、天士力、奇正藏藥等國際國內(nèi)公司企業(yè)和香港衛(wèi)生署政府中藥檢測中心、中國藥檢和海關檢疫部門等廣泛引入該技術，每年為數(shù)百億中草藥產(chǎn)品提供原料鑒定保障服務，保障了臨床用藥安全，被評為“2016中國十大醫(yī)學進展”。

美國藥典委員會專家到課題組開展合作交流

英國藥典委員會委派專家到課題組進修

建立了全球最大的中藥材DNA條形碼鑒定數(shù)據(jù)庫及專業(yè)鑒定網(wǎng)站，包含100余萬條DNA序列，可實現(xiàn)對中國、美國、日本、歐盟、韓國和印度等國藥典收載草藥進行DNA條形碼物種鑒定。國際著名期刊BiotechAdv發(fā)表“草藥鑒定從形態(tài)到DNA的文藝復興”報道該體系；英國藥典委派專家專程來學習中草藥DNA條形碼鑒定技術，2016年將草藥DNA鑒定納入《英國藥典》。

該成果獲2016年國家科技進步二等獎、2015年國家教育部科學技術進步一等獎，被WFCMS評為“2014年世界中醫(yī)藥十大新聞”。

（三）本草基因組學為復雜草藥成分的化學和生物學解析及分子輔助育種提供了有效平臺。

通過聯(lián)合測序技術完成藥用模式植物丹參基因組草圖組裝，并深入探索了丹參活性物質(zhì)的生源合成機制。通過基因組結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)4對TPS／CYP在丹參的基因組上成簇存在，其中SmCPS1和SmCPS2側(cè)翼序列中均發(fā)現(xiàn)CYP76亞家族的基因序列，分別在丹參的根和葉中參與丹參酮的合成，SmCPS5參與赤霉素的合成。CYP76AH1已被證實催化次丹參酮二烯合成鐵銹醇，而CYP76AH3催化CYP76AH3催化鐵銹醇可以同時合成11－羥基鐵銹醇（11－h(huán)ydroxyferruginol）、柳杉酚（Sugiol）和11－羥基柳杉酚（11－h(huán)ydroxysugiol）。進化關系表明SmCPS1和SmCPS2的基因簇結(jié)構(gòu)起源于CPS／CYP76AH的復制事件。該工作證實CPS／CYPs的簇狀排列參與丹參酮的生物合成。課題組利用高通量測序技術對單倍體靈芝的基因組進行了測序，并利用光學圖譜技術輔助基因組組裝，為靈芝功能基因?qū)W研究和靈芝三萜等次生代謝產(chǎn)物的合成及調(diào)控研究奠定了基礎。基于物理圖譜構(gòu)建了紫芝的12條染色體，首次從組學角度揭示了靈芝中的防御機制。證實靈芝屬次生代謝產(chǎn)物的合成由復雜的遺傳學機制和表觀遺傳學機制調(diào)控。2016年，項目組采用分子輔助育種獲得3個中藥材新品種證書，建立了品種繁育技術平臺，成為典型示范研究。