金彥磊

摘 要：藥用植物中的有效成分是藥用植物在應(yīng)用過程中的核心物質(zhì)，目前各個領(lǐng)域的發(fā)展都非常迅速的，生物工程技術(shù)和先進科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，對藥用植物有效成分的合成起到了促進作用，對于藥用植物的合理利用和有效成分的高效生產(chǎn)提供了新的途徑和方法，同時對藥用植物的可持續(xù)利用有著非常重要的作用。進而，本文對藥用植物中功能基因的研究方法，主要功能和實際應(yīng)用等方面進行了探究。

關(guān)鍵詞：藥用植物；有效成分；生物合成；功能基因

一、目標候選基因的篩選

1、時空表達分析獲得有效候選基因

藥用植物中的有效成分在生物生長的不同階段，存在的形式是不同的，許多要藥用植物的有效成分只存在于特定的組織細胞中，在進行有效有效基因篩選的過程中，可以利用有效成分在不同時期和不同部位的基因累積，來完候選基因的篩選。

2、誘導(dǎo)共表達獲得有效候選基因

藥用植物的有效成分的產(chǎn)生主要是由于植物與外界因素相互作用而產(chǎn)生代謝物，植物可以利用這些代謝物質(zhì)來提升抗病性和抗病蟲害能力，這些代謝物質(zhì)可以受到誘導(dǎo)子的影響而積累在一起，所以利用這種方法對植物中有效成分進行篩選，根據(jù)植物的不同表現(xiàn)形式選擇候選基因，并對其進行功能上的分析和研究。誘導(dǎo)子的主要來源有兩種，一種是生物中的誘導(dǎo)子，另一種是非生物的。

3、組學(xué)數(shù)據(jù)系統(tǒng)整合分析獲得候選基因

植物代謝組學(xué)通過對生物體內(nèi)所有小分子代謝物進行非靶向輪廓分析、靶向定量分析等策略，尋找小分子代謝物與植物生理變化的相對關(guān)系，反推尋找差異代謝物形成的功能基因。通過植物代謝組學(xué)分析，可將獲得的次生代謝差異化合物進行通路分析，鎖定其所在的生物學(xué)途徑，與轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)結(jié)合，推測差異表達基因或蛋白質(zhì)，根據(jù)基因表達和代謝物合成的相關(guān)性建立全面的系統(tǒng)生物學(xué)網(wǎng)絡(luò)。

4、其他獲得候選基因的方法

除了以上集中獲取候選基因主要方法以外，還有其他的候選方法。相關(guān)技術(shù)人員可以對農(nóng)業(yè)作物的生產(chǎn)技術(shù)進行研究，將合適的技術(shù)應(yīng)用在要用植物的生產(chǎn)中，以此來對植物中的有效成分進行研究。不同植物的生長代謝情況是不同的，可以根據(jù)植物的實際代謝情況，在原有節(jié)篩選技術(shù)基礎(chǔ)上進行創(chuàng)新，將類似的基因提取出來。目前社會中技術(shù)的發(fā)展非常迅速，可以將規(guī)模性植物和農(nóng)作物應(yīng)用的高新技術(shù)應(yīng)用在藥用植物的研究中，對要用要用植物中有效成本的合成有著極大的作用。

二、目標基因功能驗證

藥用植物有效成分中的候選基因篩選是的主要應(yīng)用功能研究基礎(chǔ)，在對功能基因進行研究的過程中，可以有效提高功能基因的研究效率，從而獲得有藥用植物中的有效基因。

1、體外功能研究

體外基因功能主要是利用植物體外的物質(zhì)和酶作用來進行植物催化功能的分析。主要利用的外界物質(zhì)有：大腸桿菌、酵母、枯草芽孢桿菌、酵母、昆蟲細胞和哺乳動物細胞等。這些表達系統(tǒng)在體外基因功能研究的過程中，應(yīng)用的比較廣泛的是大腸桿菌和酵母分別作為宿主細胞的原核和真核的表達。

酵母作為一種單細胞低等真核生物，具有與大腸桿菌相似的生長特性，對外源基因表達的蛋白具有一定的翻譯后加工能力，可對外源蛋白進行一定程度的糖基化修飾，使蛋白表達更穩(wěn)定，常用于真核生物基因的表達及功能驗證。酵母表達系統(tǒng)在研究植物蛋白互作和功能基因方面有廣泛應(yīng)用，特別適用于P450基因的功能研究。芐基異喹啉類生物堿及萜類化合物等生物合成途徑中的P450基因的體外催化功能研究均使用了酵母表達系統(tǒng)。

2、體內(nèi)功能驗證

體外功能研究方便快捷，適用于大多數(shù)功能基因研究。對于遺傳轉(zhuǎn)化體系成熟的物種，還應(yīng)通過體內(nèi)功能驗證來進一步確認功能基因在植物體內(nèi)的生物學(xué)功能。目前植物功能基因體內(nèi)驗證的方法包括過表達用以上調(diào)基因表達，RNA干擾或病毒誘導(dǎo)的基因沉默等下調(diào)基因表達以及新興的TALEN、CRISPR-Cas9等基因定點敲除和修飾技術(shù)等。目前，應(yīng)用比較廣泛是的RNAi以及VIGS技術(shù)，而CRISPR-Cas9技術(shù)的在一些藥用植物中已經(jīng)開展。

三、功能基因研究的應(yīng)用

1、合成生物學(xué)生產(chǎn)藥用有效成分

近年來，合成生物學(xué)快速發(fā)展，微生物全基因組重建、酵母染色體人工合成、以及青蒿素的微生物細胞工廠生產(chǎn)等都讓合成生物學(xué)顯示了其在藥用植物有效成分獲得方面的巨大應(yīng)用前景。合成生物學(xué)應(yīng)用于藥用植物方向的操作主要包括：底盤細胞選擇與改造、合成途徑組裝和重建、代謝流調(diào)控、系統(tǒng)優(yōu)化在微生物或者模式植物中重構(gòu)藥用有效成分的生成途徑，最后利用發(fā)酵工程實現(xiàn)高效生產(chǎn)。除了青蒿素，目前研究者們已經(jīng)成功構(gòu)建了丹參酮、鼠尾草酸、人參皂苷、姜黃素、阿片類化合物、紫杉醇前體等一系列高附加值化合物的微生物基因工程菌株，并形成了高效的藥用植物合成生物學(xué)研究策略，為緩解中藥資源壓力、實現(xiàn)藥用資源可持續(xù)利用提供新的發(fā)展方式。

2、藥用植物品種改良

功能基因可以在原來藥用植物的生長基礎(chǔ)上來進行代謝方式的轉(zhuǎn)變，改變原來藥用植物的生長特性，提高藥用植物的生長品質(zhì)，這樣就可以對藥用植物中代謝物質(zhì)的數(shù)量進行改變，在原來基礎(chǔ)上提高，再對代謝物質(zhì)中的有效成本進行提取，提高了藥用活性物質(zhì)的產(chǎn)量。當前應(yīng)用的藥用植物品種改良方法主要有，將植物中主要酶物質(zhì)進行單一表達、減少與有效成分競爭的物質(zhì)等。

根據(jù)不同種類化合物合成途徑的特點，研究者們以藥用植物為次生代謝反應(yīng)器已成功生產(chǎn)多種藥用活性化合物和其前體。例如，萜類化合物中青蒿素、丹參酮類和紫杉醇，生物堿類化合物中長春堿前體、和東莨菪堿等在植物體內(nèi)代謝途徑的改造和調(diào)控研究都已取得一定進展。但是，由于大多數(shù)植物次生代謝產(chǎn)物結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生物合成步驟繁多，生物合成基因解析難度較大，是目前運用基因工程改良藥用植物的主要瓶頸。另外，過表達代謝途徑中重要基因是否能達到顯著提高代謝產(chǎn)物含量的目標也有待深入研究。因此在不斷篩選藥用植物功能基因，解析其生物合成途徑的同時，也可以借鑒微生物代謝工程的策略，將代謝流調(diào)控與系統(tǒng)優(yōu)化聯(lián)合運用。

結(jié)語：許多藥用植物遺傳轉(zhuǎn)化體系不成熟，仍未在藥用植物功能基因研究中廣泛應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，更多新技術(shù)、新思路等待我們繼續(xù)深入研究，藥用植物功能基因研究和其廣闊的應(yīng)用前景，為傳統(tǒng)的中藥資源研究注入了新的活力，為提高中藥材品質(zhì)和尋找創(chuàng)新性藥物來源方式奠定了堅實的基礎(chǔ)，從而實現(xiàn)藥用植物資源的深入挖掘和可持續(xù)發(fā)展。

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