組學(xué)技術(shù)助推中藥資源遺傳評價(jià)與創(chuàng)新
——湖北中醫(yī)藥大學(xué)中藥資源評價(jià)與組學(xué)研究團(tuán)隊(duì)介紹

一、研究團(tuán)隊(duì)簡介

湖北中醫(yī)藥大學(xué)中藥資源評價(jià)與組學(xué)研究創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)組建于2018 年9 月，團(tuán)隊(duì)基于中藥種業(yè)工程這一國家戰(zhàn)略焦點(diǎn)和中藥材良種缺乏這一產(chǎn)業(yè)痛點(diǎn)而組建，在中藥資源評價(jià)與品種選育的過程中凸顯技術(shù)創(chuàng)新的力量，在產(chǎn)業(yè)服務(wù)的過程中用好科技的手段。湖北是全國名副其實(shí)的中藥資源大省，同時也是中藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)較好的省份之一，大量道地藥材如黃連、野菊花、獨(dú)活、天麻、蜈蚣等獨(dú)具特色。如何將資源優(yōu)勢進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，關(guān)鍵在于對多樣化資源的保護(hù)、評價(jià)和利用，促進(jìn)優(yōu)質(zhì)中藥材的生產(chǎn)和下游產(chǎn)品研發(fā)，這也是團(tuán)隊(duì)工作的核心。團(tuán)隊(duì)的發(fā)展充分依賴先進(jìn)組學(xué)技術(shù)的支撐。從團(tuán)隊(duì)建設(shè)之初，便緊緊抓住中藥組學(xué)這一現(xiàn)代分子生物學(xué)前沿技術(shù)，利用基因組、轉(zhuǎn)錄組、代謝組等多組學(xué)整合分析的技術(shù)方法對中藥資源開展多層級的系統(tǒng)評價(jià)，促進(jìn)中藥資源鑒定、評價(jià)和應(yīng)用的精準(zhǔn)性和效率。

團(tuán)隊(duì)目前由8 名相關(guān)于科研和教學(xué)的青年人員組成，同時還包括博士和碩士研究生近30 名，是一支充滿生機(jī)活力的隊(duì)伍（圖1）。團(tuán)隊(duì)成員中，5人為“劉合鋼全國名老中醫(yī)藥專家傳承工作室”核心成員，團(tuán)隊(duì)帶頭人劉義飛教授為湖北中醫(yī)藥大學(xué)引進(jìn)的高層次人才，為湖北省“楚天學(xué)子”和湖北醫(yī)學(xué)青年拔尖人才第一層次人選，團(tuán)隊(duì)核心骨干胡志剛教授為武漢市“黃鶴英才”，也是湖北中醫(yī)藥大學(xué)首個社會服務(wù)與推廣型教授。通過發(fā)展，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了較完善的中藥資源評價(jià)和組學(xué)研究創(chuàng)新科研平臺，積累了多物種的組學(xué)大數(shù)據(jù)資源，廣泛收集了藥用動植物種質(zhì)資源，并在學(xué)校藥用植物園及湖北省神農(nóng)架林區(qū)、宜昌市五峰縣和長陽縣、孝感市大悟縣等地建立了種質(zhì)資源圃，與湖北乃至全國不同地方的政府和企業(yè)建立了緊密的合作關(guān)系，將產(chǎn)業(yè)規(guī)劃和科技創(chuàng)新成果充分應(yīng)用于中藥材產(chǎn)業(yè)發(fā)展和社會科技服務(wù)之中。

圖1 湖北中醫(yī)藥大學(xué)中藥資源評價(jià)與組學(xué)研究創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)合影

二、主要研究領(lǐng)域

1.中藥資源的分子鑒定

中藥材基原準(zhǔn)確性的考證和真?zhèn)舞b別一直是中藥資源評價(jià)和應(yīng)用中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。近年來，隨著中藥材市場需求的增加，各類中藥材以假充真、誤用混用等現(xiàn)象層出不窮且屢禁不止，嚴(yán)重危害了廣大人民的自身權(quán)益和身體健康，不利于中醫(yī)藥行業(yè)健康發(fā)展。傳統(tǒng)的中藥鑒定技術(shù)包括利用經(jīng)典分類學(xué)方法通過文獻(xiàn)、標(biāo)本和形態(tài)比對的來源鑒定（又稱基原鑒定），通過眼觀口嘗等簡便方法的中藥性狀鑒定，對中藥資源組織和粉末的顯微鑒定，以及中藥理化性質(zhì)的鑒定等方法。大多數(shù)情況下這些方法可有效地甄別中藥資源類型，但面對中藥材市場中復(fù)雜的易混藥材和假冒偽劣品，這些傳統(tǒng)方法有時候缺乏一錘定音的效果。

研究團(tuán)隊(duì)充分利用基因組研究和發(fā)展的成果，在傳統(tǒng)DNA 條形碼技術(shù)用于物種鑒定的基礎(chǔ)上，基于組學(xué)數(shù)據(jù)開展中藥資源分子鑒定標(biāo)記的廣泛開發(fā)與應(yīng)用，進(jìn)一步研發(fā)藥材產(chǎn)地和品質(zhì)鑒定的新型分子標(biāo)記和快速鑒定檢測技術(shù)，促進(jìn)中藥材的質(zhì)量保障和品質(zhì)提升（圖2）。

圖2 建立基于電化學(xué)和LAMP等方法的藥材快檢技術(shù)

2.中藥資源物種參考基因組的構(gòu)建與應(yīng)用

藥用動植物參考基因組的構(gòu)建和結(jié)構(gòu)解析是開展其他遺傳和進(jìn)化研究的基礎(chǔ)。隨著現(xiàn)代生物測序技術(shù)的快速發(fā)展和生物信息學(xué)分析方法的進(jìn)步，參考基因組的研究越來越接近完整基因組的組裝和基因的高精度注釋，極大地促進(jìn)了功能基因組和遺傳育種等研究的開展。團(tuán)隊(duì)立足湖北乃至華中地區(qū)道地中藥材資源，篩選代表性藥用物種進(jìn)行高精度基因組的測序組裝和注釋，為中藥資源遺傳評價(jià)、基因編輯和生物育種提供完善的基因組數(shù)據(jù)資源，推動中藥資源研究走向分子時代（圖3）。

圖3 基于菊花腦基因組研究發(fā)掘萜類代謝產(chǎn)物生物合成關(guān)鍵基因簇

3.藥用植物次生代謝產(chǎn)物生物合成通路解析與功能基因挖掘

多數(shù)中藥資源物種會產(chǎn)生復(fù)雜的次生代謝產(chǎn)物類群。這些天然產(chǎn)物及其衍生物如青蒿素、紫杉醇、長春堿和小檗堿等是新藥研發(fā)的重要源泉。圍繞當(dāng)前中藥野生資源破壞嚴(yán)重、天然產(chǎn)物產(chǎn)量低和人工合成環(huán)節(jié)面臨的共性問題，旨在通過系統(tǒng)解析包含藥用物種起源、進(jìn)化、生長發(fā)育、重要農(nóng)藝性狀及有效成分代謝合成的全基因組遺傳信息，聯(lián)合轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組和代謝組等多組學(xué)技術(shù)，精確解析重要天然產(chǎn)物的生物合成途徑，挖掘相關(guān)生物合成的關(guān)鍵基因和轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，并進(jìn)行功能驗(yàn)證，促進(jìn)天然產(chǎn)物的人工從頭合成，全面推動中藥資源的科學(xué)研究及開發(fā)利用（圖4）。

圖4 基于黃連基因組分析揭示CYP719家族基因在其小檗堿生物合成中的功能多樣性

4.中藥資源的核心種質(zhì)庫構(gòu)建與新品種選育

針對中藥種質(zhì)資源遺傳背景復(fù)雜、代謝成分多樣的特點(diǎn)，核心種質(zhì)庫的構(gòu)建將促進(jìn)中藥資源的有效管理和利用。通過開展多層級組學(xué)的關(guān)聯(lián)分析和綜合評價(jià)，在對中藥資源遺傳多樣性水平評估的基礎(chǔ)上，同時考慮代謝產(chǎn)物多樣性變異，全面的評價(jià)中藥資源的品質(zhì)特征，推動滿足于中藥材生產(chǎn)實(shí)踐需要的核心種質(zhì)庫構(gòu)建，促進(jìn)中藥資源的保護(hù)與高效利用。

隨著中藥農(nóng)業(yè)的迅猛發(fā)展，基于多樣化中藥資源的中藥基原物種新品種選育與創(chuàng)新成為決定產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的源頭關(guān)鍵。與傳統(tǒng)的農(nóng)作物注重產(chǎn)量和營養(yǎng)成分的育種目標(biāo)不同，中藥資源物種的育種不僅需要關(guān)注用藥部位的產(chǎn)量，更要注重次生代謝產(chǎn)物的有效成分種類和含量，以內(nèi)在品質(zhì)的提升引領(lǐng)新品種的選育目標(biāo)。中藥資源特別是多數(shù)藥用植物，其本身為多年生物種，生長周期長且基因組的雜合度高，傳統(tǒng)的育種方法如系統(tǒng)選育、雜交育種等耗時費(fèi)力，效率十分低下。在中藥核心種質(zhì)資源評價(jià)與篩選的基礎(chǔ)上，隨著多組學(xué)的發(fā)展和物種分子遺傳數(shù)據(jù)的增加，通過開展中藥材的基因組學(xué)輔助育種（genomics-assisted breeding），應(yīng)用基因編輯技術(shù)進(jìn)行種質(zhì)創(chuàng)新，提升傳統(tǒng)中藥材新品種選育的精準(zhǔn)性和效率（圖5）。

圖5 野菊核心種質(zhì)庫構(gòu)建與新品種選育

5.中藥藥妝產(chǎn)品研發(fā)

為尋找生態(tài)友好型植物源天然化妝品原料，基于湖北省地方特色中藥材資源，利用芳香性揮發(fā)油和其他活性物質(zhì)，通過物理化學(xué)性質(zhì)、抗氧化能力、生物能力、光保護(hù)活性、體外細(xì)胞毒性、皮膚刺激研究，以及體外黑色素生成等系列實(shí)驗(yàn)研究，全面評價(jià)植物精油和相關(guān)提取物作為具有美白、抗衰老等特性的化妝品原料的質(zhì)量，研發(fā)具有多樣性功效的納米藥妝產(chǎn)品，擴(kuò)大藥用植物的應(yīng)用范圍與開發(fā)前景，促進(jìn)健康產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

團(tuán)隊(duì)前期圍繞湖北省道地藥材黃連、野菊花、天麻、獨(dú)活、蜈蚣等開展了大量工作，其中黃連和野菊基因組解析文章分別登上了《Nature Communications》和《Molecular Plant》等研究領(lǐng)域高水平期刊；西紅花的分子鑒定創(chuàng)新技術(shù)發(fā)表在領(lǐng)域知名期刊《Analytical Chemistry》上。團(tuán)隊(duì)選育了湖北省首個野菊新品種“華中野菊1號”；牽頭制訂并發(fā)布了蜈蚣等藥材的商品規(guī)格等級團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，建立了蜈蚣人工養(yǎng)殖技術(shù)規(guī)范。這些研究和技術(shù)創(chuàng)新處于行業(yè)領(lǐng)先水平。在產(chǎn)業(yè)服務(wù)方面，團(tuán)隊(duì)牽頭制訂了湖北省隨州市、宜昌市長陽縣和五峰縣、神農(nóng)架林區(qū)等地的中醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃；團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人兼任神農(nóng)架中醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)研究院院長；團(tuán)隊(duì)核心成員擔(dān)任房縣扶貧工作隊(duì)隊(duì)長，獲得“湖北省脫貧攻堅(jiān)先進(jìn)個人”，產(chǎn)生了一定的社會影響力。