本草基因组学研究及应用

本草基因组学研究及应用　传统草药在中国的使用历史超过５０００年，为人类的　健康做出了巨大贡献，然而由于传统研究手段的局限性，　绝大多数中草药物种的遗传背景、生物学特性和有效成　分的研究基础还很薄弱。随着生物技术的发展，尤其是　测序技术的进步，基因组学的研究为揭秘遗传密码提供　了有力武器。人类基因组计划公布了人类基因组草图，　为基因组学研究揭开新的一页。随着高通量测序成本的　ｘ’”　Ｃｈｉｎｅｓｅ”ｍｕｓｈｒｏｏｍ　ｏｆ　ｉｍｍｏｒｔａｌｉｔ．一＿－　．　ｇｅｎｏｍｅ　ｍａｐｐｅｄ　＂．一・　’　下降和传统草药研究热潮的再度兴起，陈士林课题组　２０１０年提出并启动本草基因组计划。本草基因组计划　（Ｈｅｒｂ　Ｇｅｎｏｍｅ　Ｐｒｏｇｒａｍ，ＨｅｒｂＧＰ）是针对具有重要经济价　：ｈｅ：ａ：：．￣ｏ　ｇｅｎｅ嚣：ａｐｅｌａ酾　值的药用植物和代表不同次生代谢途径的模式药用植物　开展的基因组层面的系列研究计划，主要内容包括全基　囊　《今日美国》专题报道课题组　灵芝基因组研究成果　因组序列的测定、组装和生物信息学分析，及具有典型　次生代谢途径的模式药用植物研究平台的建立和抗病抗　逆等优良性状遗传机制的阐明等后基因组学研究，同时　包括利用基因组学信息对药用植物的品种选育。研究团　队先后通过对中草药基因组测序、组装并注释基因组来　分析各基因的功能，以为揭示中草药的遗传背景和通过阐释中草药有效成分生物合成途径进　行分子育种奠定基础。目前，灵芝、丹参、人参、紫芝和穿山甲等药典刊载物种已经完成基　因组测序并相继发表。　２０１５年科学杂志（Ｓｃｉｅｎｃｅ）专刊以“本草基因组学一　揭秘传统草药生物学本质”为题正式系统介绍了本草基因　本草基因组学　组学。本草基因组学中药组学的发展与未来　（Ｈｅｒｂｇｅｎｏｍｉｅｓ）是研究草药基因组的　组成，组内各基因的精确结构、相互关系及表达调控的科　学，是用于概括涉及基因作图、测序和整个基因组功能分　析的遗传学分支。本草基因组学为复杂草药成分的化学和　生物学解析提供了有效平台，通过建立基因数据库可被广　泛应用于传统草药的品质研究、分子鉴定、有效成分的生　物合成、道地性研究和分子育种等。　（一）全基因组解析在《自然一通讯》提出首个中药药　用模式真菌，编著《本草基因组学》奠定学科基础。　完成赤芝、丹参、紫芝、人参等全基因组图谱和相关　组学研究。提出首个中药药用模式真菌一灵芝，成果在　《自然一通讯》发表，突破传统中药研究缺乏真菌模式生物　本草　的瓶颈，被ＮａｔｕｒｅＣｈｉｎａ选为中国最佳研究亮点，《今日美　国》　（ＵＳＡ　ＴＯ—　ＤＡＹ）以“揭秘　中国仙草基因　组”专题报道。　《Ｎａｔｕｒｅ　Ｃｏｒｎ—　中的材品种＇瑶ｌ乩蜃直伪麓矗　冼欠　删嘭１日中睡芍的，　设与鸯坌．　阵士林碌翳蛆在舶＿耐４任自作等ｌ＿面目的盘帅下遢ｉ重诟十年豹潜。研　究ＩⅡ失●蒋选宴暨．在踊际上蕾先夯髓并譬证饭鼍因铟ｒｒｓ２序列Ｉ　ｋ　ｌ￣２２０ｂｐ）．适于瞬中　”蒋存在ＤＮＡ肆娴ｎｇ｝　翱．苜冼蠼出Ｉ袅　基因蛔ｒｒＳ２序予ｑ作为中草约啦甩ＤＮＡ慧丹；码饼建７崭新的中革苟　ＤＮＡ象形码生隹托　俸景．蚌梅毒７＇鼙；苦赫∞巾革菊ＤＮＡ挈，Ｉ｜码罔’高　§啶Ｉ　ｌ薛．　了　悭书・　ｍｕｎ＞）以特别图　片（ＦＥＡＴＵＲＥＤ　ＩＭＡＧＥ）评述该　研究：“陈士林　等完成的灵芝基　因组研究表明，　灵芝用于真菌类　中药次生代谢途　径及其调节研究　是令人满意的模　式体系”。相关　组学成果发表在　全球最大的中草药ＤＮＡ条形码鉴定网站　Ｐｌａｎｔ　Ｊｏｕｒｎａｌ、　Ｐｌａｎｔ　Ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｙ、　Ｎｅｗ　Ｐｈｙｔｏｌｏｇｉｓｔ等植物学顶级期刊。编著出版《本草基因组学》奠定学科基础，推动中草药　生物学研究进入组学时代。　（二）国内外　中草药ＤＮＡ条　冯物种鉴定技术　系，为中草药建　“基因身份证”，　基因层面解决传　辛草药千百年来　种真伪鉴定难　国际上首次验　足出核基因组序　ＩＴＳ２作为中草药　ＤＮＡ条形码，　１．１万种中药　混伪品的４．８　份样品ＤＮＡ条　美国药典委员会专家到课题组开展合作交流　玛研究，建立了中药材ＤＮＡ条形码鉴定标准，为中药鉴定学开拓了新的方法学领域。主　《中国药典中药材ＤＮＡ条形码标准序列》、《中药ＤＮＡ条形码分子鉴定》等专著，中药　ＤＮＡ条形码鉴定指导原则纳入《中国药典》２０１０版、２０１５版。该研究被世界中医药学会　会（ＷＦＣＭＳ）等誉为标志着“中药进入标准化的基因鉴定时代”。美国优利基因、日　聿村、天士力、奇正藏药等国际国内公司企业和香港卫生署政府中药检测中心、中国药检　每关检疫部门等广泛引入该技术，每年为数百亿中草药产品提供原料鉴定保障服务，保障　临床用药安全，被评为“２０１６中国十大医学进展”。　建立了全球最大的　中药材ＤＮＡ条形码鉴定　数据库及专业鉴定网站，　包含１００余万条ＤＮＡ序　列，可实现对中国、美　国、Ｈ本、欧盟、韩国　和印度等国药典收载草　药进行ＤＮＡ条形码物种　鉴定。国际著名期刊　Ｂｉｏｔｅｃｈ　Ａｄｖ发表“草药　鉴定从形态到ＤＮＡ的文　艺复兴”报道该体系；　英国药典委派专家专程　会委派专家到课题组进修　来学习中草药ＤＮＡ条形　７７　码鉴定技术，２０ｌ６年将草药ＤＮＡ鉴定纳入《英国药典》。　该成果获２０１６年国家科技进步二等奖、２０１５年国家教育部科学技术进步一等奖，被　ＷＦＣＭＳ评为“２０ｌ４年世界中医药十大新闻”。　（三）本草基因组学为复杂草药成分的化学和生物学解析及分子辅助育种提供了有效平　台　通过联合测序技术完成药用模式植物丹参基因组草图组装，并深入探索了丹参活性物质　的生源合成机制。通过基因组结构分析发现４对ＴＰＳ／ＣＹＰ在丹参的基因组上成簇存在，其　中ＳｍＣＰＳ１和ＳｍＣＰＳ２侧翼序列中均发现ＣＹＰ７６亚家族的基因序列，分别在丹参的根和叶中　参与丹参酮的合成，ＳｍＣＰＳ５参与赤霉素的合成。ＣＹＰ７６ＡＨ１已被证实催化次丹参酮二烯合　成铁锈醇，而ＣＹＰ７６ＡＨ３催化ＣＹＰ７６ＡＨ３催化铁锈醇可以同时合成ｌ　ｌ一羟基铁锈醇（１　ｌ—　ｈｙｄｒｏｘｙ　ｆｅｒｒｕｇｉｎｏ１）、柳杉酚（Ｓｕｇｉｏ１）和１　１一羟基柳杉酚（１　１一ｈｙｄｒｏｘｙ　ｓｕｇｉｏ１）。进化关系表　明ＳｍＣＰＳ１和ＳｍＣＰＳ２的基因簇结构起源于ＣＰＳ／ＣＹＰ７６ＡＨ的复制事件。该工作证实ＣＰＳ／　ＣＹＰｓ的簇状排列参与丹参酮的生物合成。课题组利用高通量测序技术对单倍体灵芝的基因　组进行了测序，并利用光学图谱技术辅助基因组组装，为灵芝功能基因学研究和灵芝三萜等　次生代谢产物的合成及调控研究奠定了基础。基于物理图谱构建了紫芝的ｌ２条染色体，首　次从组学角度揭示了灵芝中的防御机制。证实灵芝属次生代谢产物的合成由复杂的遗传学机　制和表观遗传学机制调控。２０１６年，项目组采用分子辅助育种获得３个中药材新品种证书，　建立了品种繁育技术平台，成为典型示范研究。　ｊｉｉ　………ｔ＿　Ｌ　丹参中丹参酮生物合成途径相关基因簇分析　研究团队野外采集样品