□王海濤

藥用植物耐旱實(shí)驗(yàn)基地考察

“中國(guó)藥用植物有11146種，約占中藥材資源總數(shù)的87%，是許多化學(xué)藥物的重要原料，也是所有經(jīng)濟(jì)植物中最多的一類(lèi)?！敝袊?guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院本草基因組協(xié)同創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”）首席專(zhuān)家宋經(jīng)元說(shuō)。

如此龐大的族群，要摸清底細(xì)并不容易。追根溯源，中草藥中任何一個(gè)化學(xué)成分都是在藥用植物生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的，必然受到遺傳物質(zhì)的控制。但直到2008年檢索國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)時(shí)，有關(guān)擬南芥、水稻等模式生物的遺傳信息，每個(gè)物種都有上百萬(wàn)條數(shù)據(jù)；而藥用植物相關(guān)數(shù)據(jù)，全世界不足20萬(wàn)條。這與中草藥的悠久歷史和中國(guó)所具有的原創(chuàng)科技優(yōu)勢(shì)十分不相稱(chēng)。

如何推動(dòng)本草基因組研究呢？團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)具有重大經(jīng)濟(jì)價(jià)值和典型次生代謝途徑的藥用植物啟動(dòng)了全基因組測(cè)序和后基因組學(xué)研究，并根據(jù)資金投入和技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，從利用DNA條碼技術(shù)對(duì)中草藥進(jìn)行鑒定和表達(dá)序列標(biāo)簽（EST）研究開(kāi)始切入?！半S著人類(lèi)基因組計(jì)劃完成，中藥學(xué)研究必將深入到基因組水平，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)正竭力攀登這座高峰?！彼谓?jīng)元說(shuō)。

DNA條形碼：為中草藥進(jìn)行“身份鑒定”

“DNA條形碼”概念始自2003年?？茖W(xué)家認(rèn)為，從分子遺傳學(xué)角度來(lái)看，物種差異歸根結(jié)蒂是基因型差異，即DNA序列上的差異。因此，測(cè)出一份樣本中的特有DNA序列，并將它與已經(jīng)測(cè)定完成的序列相比較，就能知道該樣本是否屬于某個(gè)已知物種。與傳統(tǒng)的性狀、顯微、理化等鑒定方法相比，DNA條形碼鑒定具有速度更快、精準(zhǔn)度更高、操作更簡(jiǎn)捷、自動(dòng)化程度更高等多方優(yōu)勢(shì)，逐漸成為生物物種鑒定的新方式，也是生命科學(xué)和生物技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

我國(guó)中藥材種類(lèi)繁多，由于來(lái)源復(fù)雜，真?zhèn)坞y辨；中藥材市場(chǎng)上也多有以假亂真、以次充好的情況，臨床用藥安全難以保證，影響了中藥現(xiàn)代化進(jìn)程。團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，DNA條形碼的出現(xiàn)，或可成為一個(gè)轉(zhuǎn)機(jī)。問(wèn)題在于，國(guó)內(nèi)外對(duì)于“可否利用DNA條形碼對(duì)中草藥進(jìn)行鑒定”尚不明確。

為了尋求答案，宋經(jīng)元所在團(tuán)隊(duì)研究10余年，終于在國(guó)際上提出并驗(yàn)證了ITS2序列可以作為植物通用DNA條形碼，并創(chuàng)建了中草藥DNA條形碼鑒定技術(shù)體系，相關(guān)指導(dǎo)原則被納入《中華人民共和國(guó)藥典》。

2009年，“ITS/ITS2序列”走上第3屆國(guó)際條形碼會(huì)議，作為植物核基因組候選序列來(lái)接受?chē)?guó)際性評(píng)估。2011年，根據(jù)生物條形碼中國(guó)植物工作組評(píng)估結(jié)果，ITS/ITS2被建議納入種子植物的核心條形碼。這意味著，該成果已經(jīng)延展成為種子植物的通用條形碼，得到了國(guó)際認(rèn)可。

在業(yè)內(nèi)，該技術(shù)引發(fā)了一次技術(shù)革命，推動(dòng)了中藥鑒定學(xué)邁入規(guī)?；?、標(biāo)準(zhǔn)化的基因鑒定時(shí)代。它為每一種中草藥配上了“基因身份證”，幫助其建立從種植/養(yǎng)殖、加工、收購(gòu)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、銷(xiāo)售到使用全過(guò)程的追溯體系，實(shí)現(xiàn)來(lái)源可查和去向可追。依據(jù)該技術(shù)，檢測(cè)出我國(guó)七大藥市中藥材存在4.2%的偽品，可避免混偽品對(duì)人民健康的危害，為中草藥產(chǎn)業(yè)體系構(gòu)建和保障中草藥質(zhì)量提供技術(shù)支撐。

2017年年初，“中草藥DNA條形碼物種鑒定體系”被授予2016年度國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。此前，其還曾獲2014年度高等學(xué)校科學(xué)研究?jī)?yōu)秀成果獎(jiǎng)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)和中華中醫(yī)藥學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，并被評(píng)為“2014年世界中醫(yī)藥十大新聞”“2016中國(guó)十大醫(yī)學(xué)進(jìn)展”?！癉NA條形碼技術(shù)開(kāi)辟了中草藥鑒定新篇章”，Nature在2017年專(zhuān)輯中評(píng)價(jià)道。

本草基因組學(xué)：?jiǎn)拘阎胁菟幧?/h2>

從基因?qū)用娼鉀Q了中草藥物種鑒定問(wèn)題之后，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)更希望能夠回答出：一個(gè)物種中的有效成分是什么？這種有效成分在中草藥體內(nèi)怎樣合成？此時(shí)，對(duì)中草藥進(jìn)行全基因組研究就成為一個(gè)重要手段。

一個(gè)典型例子就是靈芝。模式生物在遺傳學(xué)研究中常見(jiàn)，但在中草藥中卻非常缺乏。團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，靈芝具有鮮明的模式生物特征，并自主完成了染色體水平靈芝基因組精細(xì)圖譜，在深入探討靈芝藥用活性物質(zhì)的合成途徑及其調(diào)控機(jī)制后，正式提出將靈芝作為中藥有效成分生物合成研究的第一個(gè)藥用模式真菌。2012年，該研究發(fā)表在Nature Communications上，并以特別圖片形式進(jìn)行了推介。

目前，人參、靈芝、丹參、穿心蓮及鐵皮石斛等重要藥用植物和藥用真菌基因組已被國(guó)內(nèi)外學(xué)者公布，梔子、黃芩等中草藥基因組圖譜也完成繪制，為本草基因組學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)。尤其在丹參研究中，他們不僅完成了丹參全基因組解析，還首次在植物領(lǐng)域構(gòu)建全長(zhǎng)轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫(kù)，揭示丹參酮生物合成的組織特異性及關(guān)鍵酶基因的差異表達(dá)規(guī)律，預(yù)測(cè)催化丹參酮合成的候選基因，為中藥活性成分生物合成途徑解析提供了新思路。相關(guān)論文被評(píng)為Plant Journal 2016—2017年Top 5高被引論文，是中藥領(lǐng)域唯一的入選論文；2018年又入選ESI高被引論文。

2 0 1 8年，Molecular Plant在線(xiàn)刊發(fā)了一項(xiàng)關(guān)于卷柏的新進(jìn)展。卷柏，又名萬(wàn)歲草，是一種古老的復(fù)蘇植物，在長(zhǎng)期干旱過(guò)后依然能夠“遇水而榮”。這種“超能力”，使其成為研究復(fù)蘇植物耐旱機(jī)制的重要范式。采用第三代PacBio測(cè)序技術(shù)，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)繪制了高雜合度卷柏的基因組圖譜，分析發(fā)現(xiàn)了其獨(dú)特的葉綠體基因組結(jié)構(gòu)及耐旱相關(guān)基因，這是本草基因組學(xué)研究的新突破。文章發(fā)表后，荷蘭瓦赫寧根大學(xué)教授Hilhorst對(duì)此做了專(zhuān)題評(píng)述。

“一定要依托我們已有的優(yōu)勢(shì)，與國(guó)際前沿相結(jié)合”，宋經(jīng)元認(rèn)為，如此才能真正為中草藥現(xiàn)代化和國(guó)際化助力。

與江南卷柏相比，復(fù)蘇植物卷柏具有獨(dú)特的葉綠體基因組結(jié)構(gòu)（Molecular Plant 2018）。

創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)：做到成果最大化

本草基因組協(xié)同創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)依托中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院藥用植物研究所和藥物研究所組建。創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目啟動(dòng)于2016年，但這支隊(duì)伍的工作要回溯到10年前。自2006年回國(guó)起，宋經(jīng)元就加入這支隊(duì)伍，從“新兵”到創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)首席專(zhuān)家，他一直積極推動(dòng)本草基因組研究，也見(jiàn)證了團(tuán)隊(duì)的發(fā)展。

“我們研究的對(duì)象，第一要能入藥，第二要符合市場(chǎng)需求?！彼谓?jīng)元指出，他們的研究就是要能夠轉(zhuǎn)化成生產(chǎn)力，實(shí)現(xiàn)成果最大化。

與華潤(rùn)三九、吉林林村等企業(yè)合作，他們構(gòu)建了人參、崗梅等藥材的真?zhèn)舞b定體系。按照標(biāo)準(zhǔn)體系流程，用戶(hù)操作起來(lái)十分簡(jiǎn)單，“跟傻瓜照相機(jī)一樣，流程就像是按鍵，按鍵之后會(huì)顯示出樣品的真實(shí)身份”。為了方便使用，他們又將條形碼序列轉(zhuǎn)換成二維碼，用掃碼鑒定進(jìn)一步提升了市場(chǎng)化進(jìn)程。

基于卷柏耐旱機(jī)理，他們結(jié)合已完成的丹參、甘草、紫蘇基因組，與盛實(shí)百草藥業(yè)有限公司、北京大安生物技術(shù)有限公司、貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院等企事業(yè)單位合作，共同建立了甘草、黃芪、紫蘇、丹參等藥用植物耐旱機(jī)制研究試驗(yàn)地。這為揭示干旱脅迫影響藥用植物品質(zhì)的分子機(jī)制、篩選藥用植物耐旱優(yōu)良種質(zhì)等提供了科學(xué)依據(jù)，為推動(dòng)旱地中藥農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了指導(dǎo)。

藥品檢測(cè)、新藥開(kāi)發(fā)、藥廠(chǎng)中藥材流通系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)、公安部門(mén)物證鑒定、海關(guān)等部門(mén)的檢驗(yàn)檢疫……創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的成果適用范圍越來(lái)越廣。

十幾年來(lái)，結(jié)合多學(xué)科優(yōu)勢(shì)，團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了“十二五”科技支撐計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、教育部中藥資源學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)等多個(gè)項(xiàng)目，得到了肖培根院士、陳士林研究員、Reuben Peters教授等國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者的大力支持。當(dāng)前，國(guó)家高度重視中醫(yī)藥研究和應(yīng)用，本草基因組研究正迎來(lái)最好發(fā)展時(shí)機(jī)，為把先輩們付諸心血的事業(yè)發(fā)揚(yáng)光大，團(tuán)隊(duì)更是鉚足了精神奮力向前。