踏上中草药“寻根”之旅——记中国医学科学院“本草基因组协同创新团队”

□王海涛

药用植物耐旱实验基地考察

“中国药用植物有11146种，约占中药材资源总数的87%，是许多化学药物的重要原料，也是所有经济植物中最多的一类。”中国医学科学院本草基因组协同创新团队（以下简称“创新团队”）首席专家宋经元说。

如此庞大的族群，要摸清底细并不容易。追根溯源，中草药中任何一个化学成分都是在药用植物生长过程中产生的，必然受到遗传物质的控制。但直到2008年检索国内外文献时，有关拟南芥、水稻等模式生物的遗传信息，每个物种都有上百万条数据；而药用植物相关数据，全世界不足20万条。这与中草药的悠久历史和中国所具有的原创科技优势十分不相称。

如何推动本草基因组研究呢？团队瞄准具有重大经济价值和典型次生代谢途径的药用植物启动了全基因组测序和后基因组学研究，并根据资金投入和技术发展现状，从利用DNA条码技术对中草药进行鉴定和表达序列标签（EST）研究开始切入。“随着人类基因组计划完成，中药学研究必将深入到基因组水平，创新团队正竭力攀登这座高峰。”宋经元说。

DNA条形码：为中草药进行“身份鉴定”

“DNA条形码”概念始自2003年。科学家认为，从分子遗传学角度来看，物种差异归根结蒂是基因型差异，即DNA序列上的差异。因此，测出一份样本中的特有DNA序列，并将它与已经测定完成的序列相比较，就能知道该样本是否属于某个已知物种。与传统的性状、显微、理化等鉴定方法相比，DNA条形码鉴定具有速度更快、精准度更高、操作更简捷、自动化程度更高等多方优势，逐渐成为生物物种鉴定的新方式，也是生命科学和生物技术领域的研究热点。

我国中药材种类繁多，由于来源复杂，真伪难辨；中药材市场上也多有以假乱真、以次充好的情况，临床用药安全难以保证，影响了中药现代化进程。团队认为，DNA条形码的出现，或可成为一个转机。问题在于，国内外对于“可否利用DNA条形码对中草药进行鉴定”尚不明确。

为了寻求答案，宋经元所在团队研究10余年，终于在国际上提出并验证了ITS2序列可以作为植物通用DNA条形码，并创建了中草药DNA条形码鉴定技术体系，相关指导原则被纳入《中华人民共和国药典》。

2009年，“ITS/ITS2序列”走上第3届国际条形码会议，作为植物核基因组候选序列来接受国际性评估。2011年，根据生物条形码中国植物工作组评估结果，ITS/ITS2被建议纳入种子植物的核心条形码。这意味着，该成果已经延展成为种子植物的通用条形码，得到了国际认可。

在业内，该技术引发了一次技术革命，推动了中药鉴定学迈入规模化、标准化的基因鉴定时代。它为每一种中草药配上了“基因身份证”，帮助其建立从种植/养殖、加工、收购、储存、运输、销售到使用全过程的追溯体系，实现来源可查和去向可追。依据该技术，检测出我国七大药市中药材存在4.2%的伪品，可避免混伪品对人民健康的危害，为中草药产业体系构建和保障中草药质量提供技术支撑。

2017年年初，“中草药DNA条形码物种鉴定体系”被授予2016年度国家科技进步奖二等奖。此前，其还曾获2014年度高等学校科学研究优秀成果奖科学技术进步奖一等奖和中华中医药学会科学技术奖一等奖，并被评为“2014年世界中医药十大新闻”“2016中国十大医学进展”。“DNA条形码技术开辟了中草药鉴定新篇章”，Nature在2017年专辑中评价道。

本草基因组学：唤醒中草药生命力

从基因层面解决了中草药物种鉴定问题之后，创新团队更希望能够回答出：一个物种中的有效成分是什么？这种有效成分在中草药体内怎样合成？此时，对中草药进行全基因组研究就成为一个重要手段。

一个典型例子就是灵芝。模式生物在遗传学研究中常见，但在中草药中却非常缺乏。团队认为，灵芝具有鲜明的模式生物特征，并自主完成了染色体水平灵芝基因组精细图谱，在深入探讨灵芝药用活性物质的合成途径及其调控机制后，正式提出将灵芝作为中药有效成分生物合成研究的第一个药用模式真菌。2012年，该研究发表在Nature Communications上，并以特别图片形式进行了推介。

目前，人参、灵芝、丹参、穿心莲及铁皮石斛等重要药用植物和药用真菌基因组已被国内外学者公布，栀子、黄芩等中草药基因组图谱也完成绘制，为本草基因组学研究奠定了基础。尤其在丹参研究中，他们不仅完成了丹参全基因组解析，还首次在植物领域构建全长转录组数据库，揭示丹参酮生物合成的组织特异性及关键酶基因的差异表达规律，预测催化丹参酮合成的候选基因，为中药活性成分生物合成途径解析提供了新思路。相关论文被评为Plant Journal 2016—2017年Top 5高被引论文，是中药领域唯一的入选论文；2018年又入选ESI高被引论文。

2 0 1 8年，Molecular Plant在线刊发了一项关于卷柏的新进展。卷柏，又名万岁草，是一种古老的复苏植物，在长期干旱过后依然能够“遇水而荣”。这种“超能力”，使其成为研究复苏植物耐旱机制的重要范式。采用第三代PacBio测序技术，创新团队绘制了高杂合度卷柏的基因组图谱，分析发现了其独特的叶绿体基因组结构及耐旱相关基因，这是本草基因组学研究的新突破。文章发表后，荷兰瓦赫宁根大学教授Hilhorst对此做了专题评述。

“一定要依托我们已有的优势，与国际前沿相结合”，宋经元认为，如此才能真正为中草药现代化和国际化助力。

与江南卷柏相比，复苏植物卷柏具有独特的叶绿体基因组结构（Molecular Plant 2018）。

创新团队：做到成果最大化

本草基因组协同创新团队依托中国医学科学院药用植物研究所和药物研究所组建。创新团队项目启动于2016年，但这支队伍的工作要回溯到10年前。自2006年回国起，宋经元就加入这支队伍，从“新兵”到创新团队首席专家，他一直积极推动本草基因组研究，也见证了团队的发展。

“我们研究的对象，第一要能入药，第二要符合市场需求。”宋经元指出，他们的研究就是要能够转化成生产力，实现成果最大化。

与华润三九、吉林林村等企业合作，他们构建了人参、岗梅等药材的真伪鉴定体系。按照标准体系流程，用户操作起来十分简单，“跟傻瓜照相机一样，流程就像是按键，按键之后会显示出样品的真实身份”。为了方便使用，他们又将条形码序列转换成二维码，用扫码鉴定进一步提升了市场化进程。

基于卷柏耐旱机理，他们结合已完成的丹参、甘草、紫苏基因组，与盛实百草药业有限公司、北京大安生物技术有限公司、贵州省农业科学院等企事业单位合作，共同建立了甘草、黄芪、紫苏、丹参等药用植物耐旱机制研究试验地。这为揭示干旱胁迫影响药用植物品质的分子机制、筛选药用植物耐旱优良种质等提供了科学依据，为推动旱地中药农业的发展提供了指导。

药品检测、新药开发、药厂中药材流通系统运转、公安部门物证鉴定、海关等部门的检验检疫……创新团队的成果适用范围越来越广。

十几年来，结合多学科优势，团队承担了“十二五”科技支撑计划、国家自然科学基金重点项目、教育部中药资源学创新团队等多个项目，得到了肖培根院士、陈士林研究员、Reuben Peters教授等国内外专家学者的大力支持。当前，国家高度重视中医药研究和应用，本草基因组研究正迎来最好发展时机，为把先辈们付诸心血的事业发扬光大，团队更是铆足了精神奋力向前。