人參屬藥用植物轉(zhuǎn)錄組研究進展

鄒麗秋　匡雪君　李瀅　孫超

[摘要] 五加科人參屬中含有多種藥用植物，其中最著名的是人參，西洋參和三七。隨著高通量測序技術的發(fā)展，使得轉(zhuǎn)錄組測序成為挖掘功能基因、篩選分子標記、闡明代謝途徑的有力工具。人參等植物的轉(zhuǎn)錄組測序為其功能基因組學等方面的研究提供了豐富的基因信息。該文綜述了近年來人參、西洋參、三七轉(zhuǎn)錄組的研究進展，重點介紹了人參皂苷合成途徑的代謝調(diào)控及候選基因的挖掘，以期為這3種藥用植物的功能基因組學研究提供借鑒。

[關鍵詞] 人參； 西洋參； 三七； 轉(zhuǎn)錄組

Advance in transcriptomic studies of ginseng species

ZOU Liqiu， KUANG Xuejun， LI Ying， SUN Chao*

（Institute of Medicinal Plant Development， Chinese Academy of Medical Sciences and Peking

Union Medical College， Beijing 100193， China）

[Abstract] There are many valuable medicinal plants in Ginseng genus belonging to Araliaceae. Among them， Panax ginseng， P. quinquefolium and P. notoginseng are the most famous species. With the development of nextgeneration sequencing （NGS） technologies， sequencing and analysis of transcriptomes have become powerful tools for discovery of novel genes， screening molecular markers and elucidation of specific biosynthetic pathway of secondary metabolites. Their transcriptomes provided abundant genes for further study on functional genomics. Here this paper summarized the recent advances in the transcriptomic studies of these three medicinal plants， including discovery of novel genes and elucidation of metabolic regulation， which will contribute to functional genomics in ginseng species.

[Key words] Panax ginseng； Panax quinquefolium； Panax notoginseng； transcriptome

doi：10.4268/cjcmm20162209

五加科人參屬含有多種藥用植物，其中人參、西洋參、三七因其獨特的藥用價值研究得最為深入。三萜皂苷是這3種藥用植物的主要活性成分，到目前為止，已有超過150種人參皂苷從人參屬中得到分離[12]。根據(jù)苷元結(jié)構的不同，可以將人參皂苷分為達瑪烷型皂苷和齊墩果烷型皂苷兩大類，其中達瑪烷型皂苷又可以分為原人參二醇型皂苷和原人參三醇型皂苷[3]。人參皂苷的骨架主要由異戊二烯途徑合成，在植物中有2條異戊二烯途徑，一條是存在于胞液中的甲羥戊酸（MVA）途徑，另一條是存在于質(zhì)體中的磷酸甲基赤蘚糖醇途徑（DXP/MEP）。人參皂苷的合成途徑可以分為3個階段：首先乙酰輔酶A轉(zhuǎn)化為IPP和DMAPP，然后IPP和DMAPP在烯丙基轉(zhuǎn)移酶和萜類合酶的作用下形成2，3氧化鯊烯，2，3氧化鯊烯是植物甾醇和三萜皂苷的分支點，最后2，3氧化鯊烯在達瑪烷合酶（DS）、P450和糖基轉(zhuǎn)移酶（GT）的作用下生成達瑪烷型和齊墩果烷型皂苷[4]。由于植物甾醇的重要性使得參與乙酰輔酶A到2，3氧化鯊烯生物合成的酶都已得到鑒定，而現(xiàn)階段主要集中于下游途徑P450及GT的挖掘及鑒定。

人參為四倍體 （2n=4x=48），據(jù)報道其基因組大于3.2 Gb[56]，對于這種基因組較大、雜合度高、存在多倍體的非模式植物而言，要完成全基因組測序是比較困難的。而轉(zhuǎn)錄組測序則是一種快速、經(jīng)濟、高效獲取基因信息的方式。轉(zhuǎn)錄組概念是由Velculescu V E等[7]首次提出的，其受外源和內(nèi)源因子的調(diào)控，它是物種基因組和外部物理特征的動態(tài)聯(lián)系，反映生物個體在某一特定發(fā)育或生理階段、特定器官、組織或細胞中所有基因表達水平的數(shù)據(jù)[8]。因此分析轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)對解析次生代謝途徑、闡明代謝調(diào)控機制、篩選分子標記等方面的研究具有重要的作用。

1 人參轉(zhuǎn)錄組

人參主要分布于亞洲東部，如中國、韓國、日本等國家[9]，在中國人參以根入藥已經(jīng)有2 000年的歷史，早在明朝就對人參進行了栽培種植。人參皂苷是人參中主要的活性成分，據(jù)報道已從人參中分離超過40種人參皂苷 [10]。近年來關于人參的轉(zhuǎn)錄組研究較多，現(xiàn)已經(jīng)完成了人參的毛狀根、根、莖、葉和花，不同品種，不同年限及茉莉酸甲酯誘導前后的轉(zhuǎn)錄組測序，獲得了豐富的基因信息，為人參的代謝調(diào)控、人參皂苷合成途徑的解析、分子標記的篩選、品種的改良及抗病性等方面的研究奠定了堅實的基礎（表1）。

相對于人參皂苷的上游合成途徑，現(xiàn)對其下游途徑了解較少，在下游途徑中P450和GT發(fā)揮著重要的作用，據(jù)報道至少有2個P450參與三萜骨架的氧化，其分別在C12和C6位進行羥基化生成原人參二醇和原人參三醇型皂苷，而GT參與人參皂苷生物合成的最后一步反應通過轉(zhuǎn)移糖基到產(chǎn)物上，增加產(chǎn)物的穩(wěn)定性和溶解性[22]。關于人參皂苷合成途徑的解析現(xiàn)主要集中于下游P450和GT的挖掘及鑒定。Li等[14]采用454測序平臺對四年生人參的根、莖、葉和花進行了轉(zhuǎn)錄組測序，在該研究中研究者挖掘到了參與皂苷生物合成的所有基因，其中有326條unigenes被注釋為P450s，有129條unigenes被注釋為GTs。Chen等[12]對11年人參根進行了轉(zhuǎn)錄組測序，通過基因注釋后有133個P450s unigenes和235個GTs unigenes得到挖掘，其中有6個GTs與西洋參中的候選GT表現(xiàn)出了高度的相似性。Cao等[17]對茉莉酸甲酯處理后的人參毛狀根進行了轉(zhuǎn)錄組測序，通過分析篩選出335個P450s unigenes和116個GTs unigenes，其中分別有161個P450s unigenes和71個GTs unigenes經(jīng)茉莉酸甲酯誘導后表達上調(diào)。 Jayakodi等[18]通過比較一年生和六年生人參根的轉(zhuǎn)錄組信息篩選出了188個GTs unigenes，同時還發(fā)現(xiàn)原人參二醇合酶（CYP716A47）與原人參三醇合酶（CYP716A53V2）也在該轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)中存在。

人參為多年生草本植物，適應于潮濕陰暗的環(huán)境，而長期處于這樣的環(huán)境使得人參易受病蟲害感染降低品質(zhì)，因此明確人參病蟲害感染機制、篩選抗性基因?qū)τ谌藚⒌脑耘嗉坝N具有重要的意義。Gao等[21]采用Illumina測序平臺首次對銹腐菌處理后的人參進行了轉(zhuǎn)錄組測序，比較銹腐菌處理不同時間的樣本發(fā)現(xiàn)有2 494個unigenes表達上調(diào)，4 526個unigenes表達下調(diào)，同時該研究小組還挑選出了與抗性相關的unigenes 257個，其中有29個是與抗性相關的轉(zhuǎn)錄組因子。病程相關蛋白（PRP）是植物受病原物侵染或非生物因子刺激后產(chǎn)生的一類水溶性蛋白，其在植物抵制病菌侵染方面具有重要作用。在該研究中有2個unigenes （c55244_g1和 c58299_g4） 注釋為PRP，且在銹腐菌處理后表達上調(diào)。該研究不僅加深了人們對于人參抵制病菌侵染的認識，同時也為人參品種選育及增強抗性等方面的研究奠定了基礎。

MicroRNA是一類小的內(nèi)源非編碼RNA，在植物中MicroRNA通過剪切轉(zhuǎn)錄本、翻譯抑制、染色質(zhì)修飾等過程調(diào)節(jié)靶基因的表達。Wu等[13]通過Illumina測序平臺對五年生的人參根、莖、葉和花進行了轉(zhuǎn)錄組測序，在該研究中鑒定了多個miRNAs，其中73個保守miRNAs屬于33個miRNAs家族，28個非保守miRNAs屬于9個miRNAs家族。在鑒定的保守miRNAs中miR482和miR2118可能參與抗病蛋白的調(diào)節(jié)。為了研究miRNAs是否能參與環(huán)境脅迫的應答，該研究小組分析了胚胎愈傷組織在脫水和熱擊條件下非保守miRNAs的表達模式，發(fā)現(xiàn)分別有5個和10個miRNAs與脫水和熱擊應答有關。此外，Li等[14]通過分析人參不同部位的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)挖掘了14個microRNAs。人參中microRNAs的挖掘及鑒定將有利于人參代謝調(diào)控及脅迫應答方面的研究。

人參為多年生草本植物，生長年限長，現(xiàn)主要通過栽培種植獲取，但栽培品種與野生品種的人參皂苷有明顯的含量差異。因此明確不同品種及不同生長環(huán)境下人參中基因的差異表達對于人參的品種選育具有重要的作用。Gang等[19]首次對野生和栽培品種的人參轉(zhuǎn)錄組進行了比較，通過分析發(fā)現(xiàn)參與人參皂苷生物合成的關鍵基因HMGCoA合成酶（HMGS）、甲羥戊酸激酶（MVK）、鯊烯環(huán)氧酶（SE）在野生人參中表達量高，這與野生人參中皂苷含量較高相一致。此外，一些與抗病相關的基因（R genes）在野生人參和栽培人參中表現(xiàn)出明顯的差異表達。在該研究中有2 153個unigenes被注釋為R genes，其中有28個R genes在野生人參和栽培人參中表現(xiàn)出差異表達，有27個R genes在野生人參中表達上調(diào)，這與野生人參具較好的抗病能力有關。Jayakodi等[15]分析了不同栽培品種人參毛狀根及根的轉(zhuǎn)錄組，通過分析發(fā)現(xiàn)毛狀根與根中參與皂苷合成的基因沒有差異表達，且毛狀根具有易獲取、培養(yǎng)簡單、生長快等特點，因此該研究小組認為在轉(zhuǎn)錄組研究中毛狀根是一種很好的材料。

2 西洋參轉(zhuǎn)錄組

西洋參是五加科人參屬中重要的藥用植物之一，其主要分布于北美森林。在中國西洋參被作為補藥已有300多年的歷史，到目前為止，已有超過30種人參皂苷從西洋參中得到分離[2324]?，F(xiàn)代藥理研究表明西洋參具有多種藥理活性，其中包括抗癌、降壓、降血糖、神經(jīng)保護及免疫調(diào)節(jié)等[2528]。近年來，由于西洋參具有顯著的藥理活性且副作用較小，使得人們對西洋參的市場需求日益增大，因此明確西洋參中皂苷生物合成的催化機制及代謝調(diào)節(jié)將有利于西洋參種資質(zhì)源的優(yōu)化（表2）。

與人參轉(zhuǎn)錄組研究相比較，西洋參的轉(zhuǎn)錄組研究開始較晚且研究較少。2010年Wu等[29]利用ABI 3730 測序平臺對四年生西洋參的根、葉、花進行了轉(zhuǎn)錄組測序，由于是采用一代測序平臺測序使得獲取的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)較少，僅有6 678 條ESTs，在該研究中通過基因功能注釋篩選出了可能參與人參皂苷生物合成的候選基因，其中包括參與上游途徑的大多數(shù)基因和下游途徑的P450和GT，但是參與2，3氧化鯊烯環(huán)化的酶在該研究中未找到。隨著測序技術的不斷更新，二代高通量測序技術逐漸應用到了西洋參的轉(zhuǎn)錄組研究中。2010年Sun等 [30]首次利用二代測序平臺454 GS FLX對四年生西洋參的根進行了轉(zhuǎn)錄組研究并獲得209 747 條reads，在該研究中不僅篩選出了參與人參皂苷骨架合成的所有候選基因還篩選出了4個OSC（CAS，DS，AS1，AS2），其中CAS和DS在西洋參的花中表達量最高，而AS1和AS2在西洋參的各個部位表達量都相對較低，這說明了在西洋參中達瑪烷型皂苷的生物合成比較活躍。

隨著轉(zhuǎn)錄組測序的不斷深入，現(xiàn)測序材料已不局限于根、莖、葉和花等部位，除此之外，在明確人參皂苷的合成途徑后現(xiàn)更關注于人參皂苷的代謝調(diào)控和分子標記。2013年Sun等 [34]通過分析三年生西洋參的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，挖掘出了可能參與人參皂苷代謝調(diào)控的轉(zhuǎn)錄因子WRKY，在該研究中753個unigenes能注釋為轉(zhuǎn)錄因子，其中有45個unigenes被注釋為WRKY轉(zhuǎn)錄因子，該研究小組隨機挑選了10個WRKY來進行表達分析，經(jīng)過茉莉酸甲酯誘導后有4個WRKY表達上調(diào)至少2倍，其中有一個轉(zhuǎn)錄因子pgWRKY1在茉莉酸甲酯誘導后3 h表達量增加了20倍， 并發(fā)現(xiàn)pgWRKY1不但可以調(diào)控人參皂苷的生物合成，而且與植物的抗逆性有關。2013年Wu等 [31]對不同生長階段的西洋參進行了454測序通過基因注釋找到了參與皂苷骨架生物合成的所有酶，除此之外，他們還挑選出了175個P450s和164個GTs，通過共表達分析發(fā)現(xiàn)有6個P450s和6個GTs與DS具有共表達模式，通過分析西洋參不同生長階段的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)達瑪烷型皂苷的生物合成位于西洋參衰老前，該研究為后續(xù)特定生長階段的西洋參研究奠定了基礎。

為了明確西洋參種子在低溫層積不同時間的基因表達差異，Qi等[33]對低溫層積處理90，135，180 d的西洋參種子進行了轉(zhuǎn)錄組測序，通過測序獲得了27 million reads，比較低溫層積處理不同時間的種子發(fā)現(xiàn)有368個差異表達基因是上調(diào)2倍以上，有182個差異表達基因是顯著下調(diào)，這些結(jié)果說明這些基因可能參與層積處理的轉(zhuǎn)換。通過基因注釋發(fā)現(xiàn)有3個unigenes被注釋為休眠有關蛋白（DRM），其中DRM1在90，180 d的表達量顯著提高，該結(jié)果暗示基因DRM可能參與西洋參種子的形態(tài)發(fā)生及生理休眠。Jo等[32]采用454 GS FLX測序平臺對3個人參品種和1個西洋參進行了轉(zhuǎn)錄組測序，通過測序獲得308 313條reads，該研究小組

通過SAMtools從西洋參中篩選出了14 442條SNPs，其中純合SNPs有5 149條，雜合SNPs有9 247條，該研究中SNPs的挖掘?qū)⒂欣趯砣藚俚钠贩N鑒定。

3 三七轉(zhuǎn)錄組

三七主要分布于緬甸、尼泊爾及中國西南部[35]，在中國栽培三七已有400年的歷史[36]。三七具有多種藥理活性，包括抗血栓、抗動脈硬化、降壓等[37]。目前已從三七分離超過60種三萜皂苷，其中主要有三七總皂苷、絞股藍總苷、人參皂苷等[35]，其中達瑪烷型皂苷及人參皂苷Rg1，Rb1，Rd和三七總皂苷R1主要分布于三七的根中[38]，齊墩果烷型皂苷Ro在三七中未被發(fā)現(xiàn)[35]（表3）。

與人參和西洋參的轉(zhuǎn)錄組測序相比三七的轉(zhuǎn)錄組測序是最少的。Luo等[39]首次對四年生的三七根進行了454測序，通過測序獲得了188 185條reads，MVA途徑的大多數(shù)基因在該研究中都被發(fā)現(xiàn)。在該研究中還發(fā)現(xiàn)了全長的DS，其與人參和西洋參中的DS相比分別具有98.7%和99%的相似性。據(jù)報道在三七中一直未檢測到齊墩果烷型皂苷Ro，但在該研究中卻發(fā)現(xiàn)了基因AS，他們推測齊墩果烷型皂苷在三七中未被檢測到的可能原因是齊墩果烷型皂苷在三七中含量低不易被檢測或者三七中雖然有基因AS但是由于缺失AS的下游基因所以不能產(chǎn)生齊墩果烷型皂苷。在該研究中還篩選出了174條P450和242條GT，通過與DS的共表達分析最后挑選出25條P450和16條GT作為參與人參皂苷生物合成的候選基因。Niu等[41]根據(jù)三七的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)首次分析了三七人參皂苷合成途徑關鍵基因（FPS，SS，SE，DS）的表達模式，通過分析發(fā)現(xiàn)這些基因均在三七花中高表達，這與之前報道結(jié)果相似，即除了根以外三七的花也是人參皂苷的來源之一。

Liu等[40]利用Illumina測序平臺對三年生三七的根、葉、花進行了轉(zhuǎn)錄組測序獲得了19 Gb的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，在該研究中所有參與三萜皂苷生物合成的基因都能被找到，最后該研究小組挑選出350個P450和342個GT作為人參皂苷結(jié)構修飾的候選基因，其中CYP716A53V2與人參和西洋參中的CYP716A53V2相比具有大于96%以上的相似性，且該基因在三七根中表達量最高，這就解釋了原人參三醇在三七根中含量高的原因。由于三七多生長在半陰和潮濕的環(huán)境下，其容易受蟲害和真菌感染，因此三七會合成一些生物堿物質(zhì)來抵制病蟲害。在該研究中發(fā)現(xiàn)了3個生物堿的合成途徑，其包括異喹啉合成途徑、吲哚生物堿合成途徑、托品烷及哌啶合成途徑?？偣灿?2條unigenes與生物堿合成途徑的6個酶相關，生物堿合成途徑相關基因的挖掘及篩選將有利于將來三七抗性相關的研究。

4 展望

三萜皂苷是名貴藥材人參、西洋參、三七中的主要活性成分，其具有抗腫瘤、抗炎、抗氧化等多種藥理活性，但由于人參等植物栽培年限長，生長環(huán)境特異，使其易受病蟲害感染降低藥材的品質(zhì)，因此解決人參皂苷的充足供應是人參屬藥材可持續(xù)發(fā)展的重要前提。轉(zhuǎn)錄組學是功能基因組學的一個重要分支，其在發(fā)現(xiàn)次生代謝產(chǎn)物生物合成關鍵基因、闡明次生代謝調(diào)控、篩選分子標記等方面具有重要的應用價值。首先，通過轉(zhuǎn)錄組測序可以篩選出人參皂苷合成途徑的關鍵基因，利用代謝工程技術和生物技術手段調(diào)節(jié)合成途徑中關鍵基因的表達可以增加人參皂苷的生物合成[4245]。利用合成生物學手段發(fā)酵生產(chǎn)人參皂苷也是當前的研究熱點之一[4651]。此外，轉(zhuǎn)錄組測序是篩選分子標記的有效手段之一，通過轉(zhuǎn)錄組測序挑選出與人參皂苷合成相關的分子標記是人參屬藥用植物遺傳育種和品種選育的重要前提。轉(zhuǎn)錄組學研究作為本草基因組學（herbgenomics）的重要組成部分之一，其在中草藥的代謝組學與合成生物學等方面的研究中具有重要的應用前景[5253]。

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[責任編輯 孔晶晶]