The Innovation | 本草基因組學(xué)：解密藥用植物的分子遺傳
具有藥物屬性的藥用植物，在人類(lèi)文明發(fā)展過(guò)程中起著重要作用。藥用植物種類(lèi)繁多，野生為主，其藥效物質(zhì)生物學(xué)遺傳基礎(chǔ)和品種選育等研究相對(duì)薄弱。中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院中藥研究所、成都中醫(yī)藥大學(xué)陳士林團(tuán)隊(duì)基于本草基因組學(xué)的研究思路和技術(shù)體系推動(dòng)了藥用植物的分子鑒定、代謝途徑調(diào)控、分子育種及天然產(chǎn)物合成生物學(xué)等方面的研究。
藥用植物是人類(lèi)繁衍生息的關(guān)鍵保障之一。大約在六萬(wàn)年前，尼安德特人就已經(jīng)開(kāi)始使用藥用植物來(lái)對(duì)抗疾病。中醫(yī)藥、阿育吠陀、阿拉伯和伊斯蘭醫(yī)學(xué)、傳統(tǒng)的馬來(lái)醫(yī)學(xué)，被認(rèn)為是全球主要的傳統(tǒng)醫(yī)療體系。在19世紀(jì)，植物化學(xué)和藥理學(xué)技術(shù)推動(dòng)了青蒿素、阿司匹林、嗎啡、長(zhǎng)春堿、紫杉醇等藥用植物天然產(chǎn)物作為臨床藥物的應(yīng)用。然而，藥用植物的藥效成分含量低、種質(zhì)資源混雜、質(zhì)量良莠不齊等問(wèn)題極大制約了其開(kāi)發(fā)和臨床應(yīng)用。
為了突破該瓶頸，科學(xué)家們應(yīng)用多組學(xué)策略研究藥用植物分子遺傳學(xué)機(jī)制，包括藥用植物種源鑒定及藥效物質(zhì)性狀的遺傳成因。其中，由陳士林團(tuán)隊(duì)提出的本草基因組學(xué)研究體系、日本RIKEN研究所的Kazuki Saito提出的Phytochemical genomics、美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院資助的Medicinal Plant Consortium都是通過(guò)整合多組學(xué)數(shù)據(jù)（如基因組、轉(zhuǎn)錄組、代謝組等）研究藥用植物藥效物質(zhì)合成和調(diào)控的遺傳規(guī)律。
藥用植物分子遺傳學(xué)研究根據(jù)正向遺傳學(xué)和反向遺傳學(xué)原理，將多組學(xué)數(shù)據(jù)應(yīng)用于藥用植物個(gè)體、群體或突變體中，追溯藥用植物進(jìn)化軌跡，定位藥效物質(zhì)和關(guān)鍵表型性狀的基因，解析其遺傳機(jī)理。例如，黃花蒿、丹參、紅豆杉、人參、梔子、紫蘇等基因組揭示了這些藥用植物在馴化或進(jìn)化過(guò)程中基因變異與藥效物質(zhì)形成和積累的聯(lián)系。同時(shí)，藥用植物分子遺傳學(xué)研究還包括藥用植物天然產(chǎn)物生物合成研究，如大麻素、秋水仙堿、甘草酸、薯蕷皂苷元、黃芩苷等天然產(chǎn)物及其中間體生源途徑的全解析。除此之外，藥用植物分子遺傳學(xué)亦關(guān)注生物及非生物脅迫對(duì)天然產(chǎn)物積累的重要影響。在黃花蒿、長(zhǎng)春花和丹參等藥用模式物種中，MYB、bHLH、AP2/ERF、WRKY和bZIP等轉(zhuǎn)錄因子家族成員在其活性成分生物合成時(shí)空調(diào)控中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。
在應(yīng)用層面上，構(gòu)建和篩選核心種質(zhì)資源，并通過(guò)分子輔助結(jié)合常規(guī)育種技術(shù)手段可以加速藥用植物優(yōu)良品種的選育。藥用植物天然產(chǎn)物含量低可以通過(guò)代謝工程技術(shù)，利用微生物或植物底盤(pán)進(jìn)行異源生物合成，重建代謝途徑，實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)。
隨著“千種本草基因組計(jì)劃”的提出及實(shí)施，藥用植物個(gè)體及群體種質(zhì)資源的全基因組測(cè)序結(jié)合代謝組和表型組數(shù)據(jù)將有助于精準(zhǔn)鑒定藥用植物品質(zhì)性狀形成的相關(guān)基因。未來(lái)藥用植物的基礎(chǔ)研究將同時(shí)聚焦組織或單細(xì)胞水平上由DNA甲基化、非編碼RNA、組蛋白修飾、三維基因組等參與的藥效物質(zhì)調(diào)控研究。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用（CRISPR-Cas9）基因編輯體系改造天然產(chǎn)物生物合成和調(diào)控相關(guān)基因，實(shí)現(xiàn)藥用植物分子設(shè)計(jì)育種。