踏上中草藥“尋根”之旅
——記中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院“本草基因組協(xié)同創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”

□王海濤

藥用植物耐旱實(shí)驗(yàn)基地考察

“中國藥用植物有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。”中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院本草基因組協(xié)同創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（以下簡稱“創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”）首席專家宋經(jīng)元說。

如此龐大的族群，要摸清底細(xì)并不容易。追根溯源，中草藥中任何一個化學(xué)成分都是在藥用植物生長過程中產(chǎn)生的，必然受到遺傳物質(zhì)的控制。但直到2008年檢索國內(nèi)外文獻(xiàn)時，有關(guān)擬南芥、水稻等模式生物的遺傳信息，每個物種都有上百萬條數(shù)據(jù)；而藥用植物相關(guān)數(shù)據(jù)，全世界不足20萬條。這與中草藥的悠久歷史和中國所具有的原創(chuàng)科技優(yōu)勢十分不相稱。

如何推動本草基因組研究呢？團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)具有重大經(jīng)濟(jì)價值和典型次生代謝途徑的藥用植物啟動了全基因組測序和后基因組學(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)對中草藥進(jìn)行鑒定和表達(dá)序列標(biāo)簽（EST）研究開始切入。“隨著人類基因組計(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。”宋經(jīng)元說。

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。科學(xué)家認(rèn)為，從分子遺傳學(xué)角度來看，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，測出一份樣本中的特有DNA序列，并將它與已經(jīng)測定完成的序列相比較，就能知道該樣本是否屬于某個已知物種。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、操作更簡捷、自動化程度更高等多方優(yōu)勢，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)。

我國中藥材種類繁多，由于來源復(fù)雜，真?zhèn)坞y辨；中藥材市場上也多有以假亂真、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)，或可成為一個轉(zhuǎn)機(jī)。問題在于，國內(nèi)外對于“可否利用DNA條形碼對中草藥進(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《中華人民共和國藥典》。

2009年，“ITS/ITS2序列”走上第3屆國際條形碼會議，作為植物核基因組候選序列來接受國際性評估。2011年，根據(jù)生物條形碼中國植物工作組評估結(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，推動了中藥鑒定學(xué)邁入規(guī)模化、標(biāo)準(zhǔn)化的基因鑒定時代。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、儲存、運(yùn)輸、銷售到使用全過程的追溯體系，實(shí)現(xiàn)來源可查和去向可追。依據(jù)該技術(shù)，檢測出我國七大藥市中藥材存在4.2%的偽品，可避免混偽品對人民健康的危害，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年度國家科技進(jìn)步獎二等獎。此前，其還曾獲2014年度高等學(xué)校科學(xué)研究優(yōu)秀成果獎科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎一等獎和中華中醫(yī)藥學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎一等獎，并被評為“2014年世界中醫(yī)藥十大新聞”“2016中國十大醫(yī)學(xué)進(jìn)展”。“DNA條形碼技術(shù)開辟了中草藥鑒定新篇章”，Nature在2017年專輯中評價道。

本草基因組學(xué)：喚醒中草藥生命力

從基因?qū)用娼鉀Q了中草藥物種鑒定問題之后，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)更希望能夠回答出：一個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，對中草藥進(jìn)行全基因組研究就成為一個重要手段。

一個典型例子就是靈芝。模式生物在遺傳學(xué)研究中常見，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)建全長轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫，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在線刊發(fā)了一項(xiàng)關(guān)于卷柏的新進(jìn)展。卷柏，又名萬歲草，是一種古老的復(fù)蘇植物，在長期干旱過后依然能夠“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對此做了專題評述。

“一定要依托我們已有的優(yōu)勢，與國際前沿相結(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)目啟動于2016年，但這支隊(duì)伍的工作要回溯到10年前。自2006年回國起，宋經(jīng)元就加入這支隊(duì)伍，從“新兵”到創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)首席專家，他一直積極推動本草基因組研究，也見證了團(tuán)隊(duì)的發(fā)展。

“我們研究的對象，第一要能入藥，第二要符合市場需求。”宋經(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，用戶操作起來十分簡單，“跟傻瓜照相機(jī)一樣，流程就像是按鍵，按鍵之后會顯示出樣品的真實(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)，為推動旱地中藥農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了指導(dǎo)。

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

十幾年來，結(jié)合多學(xué)科優(yōu)勢，團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了“十二五”科技支撐計(jì)劃、國家自然科學(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)等多個項(xiàng)目，得到了肖培根院士、陳士林研究員、Reuben Peters教授等國內(nèi)外專家學(xué)者的大力支持。當(dāng)前，國家高度重視中醫(yī)藥研究和應(yīng)用，本草基因組研究正迎來最好發(fā)展時機(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。