本草基因组学助力中药材品质提升

卡得

本草基因组学研究可有效解析药用植物的遗传背景，揭示其生物学本质，应用于中药材优良品种选育及中药鉴定——

中药材质量是中医药事业发展的保障，本草基因组学研究可有效解析药用植物的遗传背景，揭示其生物学本质，如何将本草基因组学研究应用于提升中药材品质，是中医药研究中需解决的问题。

本草基因组学助力优良品种选育

过去几十年中药研究主要聚焦于中药的物质基础，即中药化学成分的提取、分离和鉴定、药理毒理、新药研发或质量评价，代表性的成果是屠呦呦研究员以药物化学方法从黄花蒿里提取分离筛选鉴定了治疗疟疾有效的青蒿素并获得了诺贝尔奖。将中药的遗传背景研究清楚，或可为中药研究打开另外一扇窗，我们的项目团队提出了“本草基因组学”学科概念，并于2015年在《科学》（Science ）专刊上发表了本草基因组学研究揭示传统药物遗传背景的论文。《本草基因组学》和《药用植物分子遗传学》的出版也为药用植物的研究提供了理论基础，推动了中药方法学创新。

传统药物的研究为什么很难发表在一些顶级国际期刊上，有学者认为是由于中医药的很多研究缺少模式系统，不能够在实验室进行重复和验证，所以模式物种非常重要。2012年我们在《自然通讯》（Nature Communications ）发表了灵芝全基因组的文章，提出灵芝作为药用模式真菌，生长周期短且基因组很小，具备模式物种的特点，《今日美国》（USA TODAY ）专门作了报道。

2021年团队完成的全球药典草药物种基因组数据库，收录了全球8大药典超900个物种基因组学数据，同时也包括DNA条形码、细胞器基因组等遗传信息。除此之外，项目团队还联合全国67家研究单位，发起了“千种本草基因组计划”研究联盟，目前已完成菊花、卷柏、穿心莲等100多种药用植物全基因组和500多种细胞器基因组的研究工作。

大多数药用植物野生变家种是在近几十年开展的，药用植物的育种研究滞后，和大农业相比相差甚远，这可能影响大中药健康产业的发展。因此，项目团队建立了基于组学的抗逆新品种辅助育种技术体系，以此来进行抗病、高含量、高产等优异新品种的选育。课题组完成了190个紫苏单株的基因组重测序，把叶形、产量、颜色等性状与基因组序列进行关联，挖掘分子标记来辅助药用紫苏新品种的选育。目前项目组已育成两个紫苏新品种，其中一个品种产量提高了2倍，一个品种紫苏油含量提高了30%。

黄花蒿是青蒿素最主要的来源，我们获得了黄花蒿染色体级单倍型基因组，明确了青蒿素合成的关键基因ADS在高、低含量株系之间的拷贝数变异，成果发表在《分子植物》（Molecular Plant ）上。在黄花蒿基因组图谱的基础上，可以辅助筛选高含量和低含量的植株，获得新品种。我们建立了黄花蒿的新品种快速选育平台，选育了“中康优青1号”“海青1号”等品种。

2019年，我们与苗乡三七科技园合作完成了1万份的三七种质资源圃建设，建立了136个群体，其中高抗群体38个，这为品种选育提供了材料基础。通过多组学研究解析皂苷分布规律，以此来助力三七目标根形的品种选育。团队在国际上首发了人参全基因组，全面解析了人参基因背景，明晰了人参皂苷合成关键基因，揭示了连作障碍机制。通过人参的简化基因组测序和分子标记挖掘，为人参新品种选育提供了遗传基础。

国家重点研发项目团队在2021年有3篇论文发表在《自然通讯》上，通过多组学的研究揭示了紫苏、黄连、大青叶等药用植物的遗传背景。这说明传统中医药深入研究解决科学问题是可以得到许多国际同行认可的。

DNA条形码序列开辟中药鉴定新篇章

2015年美国纽约州曾经出现草药造假，导致全部下架的情况。很多医生都感叹：“以前我们看病有效，但现在为什么我用同样的方，突然觉得没效了，出现了‘方灵药不灵’的问题。”我们课题组做的第二项重要工作，就是中药材的真伪鉴别。

团队建立了中药材DNA条形码鉴定技术体系，利用基因组中一段通用标准短序列来建立中药材物种鉴定数据库平台，即为正品物种建立基因“身份证”，通过计算机比对得知这个物种是什么，从而实现客观鉴定。

项目团队在国际上首次提出将ITS2序列作为药用植物标准DNA条形码，同时建议将ITS2作为新的通用条形码用于鉴定更广泛的植物类群，实现了从跟随国际研究到引领国际研究的华丽转身。对于一些还不能鉴定的近缘物种，可用另一个序列psbA-trnH作为辅助序列组合鉴定。该研究工作通过基因“身份证”可以从源头来保障整个临床用药的准确安全。《自然》（Nature ）在2017年专刊对这项工作进行了评述，认为中国团队在国际上首次提出ITS2作为植物鉴定的通用条形码序列，开辟了中草药鉴定的新篇章。这项工作被评为2016年中国十大医学进展。

后期团队发展超级条形码研究，论文发表以后被引用了近600次。团队建立了基于三代测序技术并快速获取叶绿体全基因组全序列的技术平台，为超级条形码的应用奠定了基础，可对近缘物种在组学水平开展鉴定研究，如完成了45个淫羊藿属物种叶绿体的基因组注释和鉴定。开发并建立了基于滤纸的DNA草药现场快检的技术方法。团队和深圳华大基因股份有限公司合作研发了中草药DNA条形码高通量基因测序一体机。

“中药材鉴定迈入规模化标准化基因鉴定时代”被评为“2014年世界中医药十大新闻”，相关研究获得国家科学技术进步奖二等奖。

品质中药提升中药质量

目前中药缺乏优质标准。我们提出了品质中药概念，即在合格标准之上建立一个优质标准的要求，简单来说就是好的中药、有用的中药含量会要求更高，有害的物质限制更严，这就是我们对中药优质标准的定义。

品质中药包括了四大部分：品质中药材、品质中药饮片、品质中成药和品质保健品。中国质量协会通过多维度的控制，包括认证、培训、检查等，监管品质中药的应用和推广，推动整个中药品质的提升，这是对品质中药管理的策略。

中医药为中华民族繁衍生息作出了巨大贡献，中药材品质提升的过程中还有许多工作需要开展，我们在做传统研究的过程中，需要沉下心来，脚踏实地把中医药这一祖先留给我们的宝贵财富继承好、发展好、利用好。（中国中医药报  作者：中国中医科学院 陈士林）