本草基因組學(xué)研究及應(yīng)用

本草基因組學(xué)研究及應(yīng)用

傳統(tǒng)草藥在中國的使用歷史超過5000年，為人類的健康做出了巨大貢獻(xiàn)，然而由于傳統(tǒng)研究手段的局限性，絕大多數(shù)中草藥物種的遺傳背景、生物學(xué)特性和有效成分的研究基礎(chǔ)還很薄弱。隨著生物技術(shù)的發(fā)展，尤其是測序技術(shù)的進(jìn)步，基因組學(xué)的研究為揭秘遺傳密碼提供了有力武器。人類基因組計(jì)劃公布了人類基因組草圖，為基因組學(xué)研究揭開新的一頁。隨著高通量測序成本的下降和傳統(tǒng)草藥研究熱潮的再度興起，陳士林課題組2010年提出并啟動(dòng)本草基因組計(jì)劃。本草基因組計(jì)劃（HerbGenomeProgram，HerbGP）是針對具有重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值的藥用植物和代表不同次生代謝途徑的模式藥用植物開展的基因組層面的系列研究計(jì)劃，主要內(nèi)容包括全基因組序列的測定、組裝和生物信息學(xué)分析，及具有典型次生代謝途徑的模式藥用植物研究平臺(tái)的建立和抗病抗逆等優(yōu)良性狀遺傳機(jī)制的闡明等后基因組學(xué)研究，同時(shí)包括利用基因組學(xué)信息對藥用植物的品種選育。研究團(tuán)隊(duì)先后通過對中草藥基因組測序、組裝并注釋基因組來分析各基因的功能，以為揭示中草藥的遺傳背景和通過闡釋中草藥有效成分生物合成途徑進(jìn)行分子育種奠定基礎(chǔ)。目前，靈芝、丹參、人參、紫芝和穿山甲等藥典刊載物種已經(jīng)完成基因組測序并相繼發(fā)表。

2015年科學(xué)雜志（Science）?？浴氨静莼蚪M學(xué)－揭秘傳統(tǒng)草藥生物學(xué)本質(zhì)”為題正式系統(tǒng)介紹了本草基因組學(xué)。本草基因組學(xué)（Herbgenomics）是研究草藥基因組的組成，組內(nèi)各基因的精確結(jié)構(gòu)、相互關(guān)系及表達(dá)調(diào)控的科學(xué)，是用于概括涉及基因作圖、測序和整個(gè)基因組功能分析的遺傳學(xué)分支。本草基因組學(xué)為復(fù)雜草藥成分的化學(xué)和生物學(xué)解析提供了有效平臺(tái)，通過建立基因數(shù)據(jù)庫可被廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)草藥的品質(zhì)研究、分子鑒定、有效成分的生物合成、道地性研究和分子育種等。

（一）全基因組解析在《自然－通訊》提出首個(gè)中藥藥用模式真菌，編著《本草基因組學(xué)》奠定學(xué)科基礎(chǔ)。

完成赤芝、丹參、紫芝、人參等全基因組圖譜和相關(guān)組學(xué)研究。提出首個(gè)中藥藥用模式真菌－靈芝，成果在《自然－通訊》發(fā)表，突破傳統(tǒng)中藥研究缺乏真菌模式生物的瓶頸，被NatureChina選為中國最佳研究亮點(diǎn)，《今日美國》（USATO-DAY）以“揭秘中國仙草基因組”專題報(bào)道?！禢atureCom-mun》以特別圖片（FEATURED IMAGE）評述該研究：“陳士林等完成的靈芝基因組研究表明，靈芝用于真菌類中藥次生代謝途徑及其調(diào)節(jié)研究是令人滿意的模式體系”。相關(guān)組學(xué)成果發(fā)表在PlantJournal、PlantPhysiology、NewPhytologist等植物學(xué)頂級期刊。編著出版《本草基因組學(xué)》奠定學(xué)科基礎(chǔ)，推動(dòng)中草藥生物學(xué)研究進(jìn)入組學(xué)時(shí)代。

（二）國內(nèi)外首創(chuàng)中草藥DNA條形碼物種鑒定技術(shù)體系，為中草藥建立“基因身份證”，從基因?qū)用娼鉀Q傳統(tǒng)中草藥千百年來物種真?zhèn)舞b定難題。

國際上首次驗(yàn)證提出核基因組序列ITS2作為中草藥通用DNA條形碼，完成1.1萬種中藥材及混偽品的4.8萬余份樣品DNA條形碼研究，建立了中藥材DNA條形碼鑒定標(biāo)準(zhǔn)，為中藥鑒定學(xué)開拓了新的方法學(xué)領(lǐng)域。主編《中國藥典中藥材DNA條形碼標(biāo)準(zhǔn)序列》、《中藥DNA條形碼分子鑒定》等專著，中藥材DNA條形碼鑒定指導(dǎo)原則納入《中國藥典》2010版、2015版。該研究被世界中醫(yī)藥學(xué)會(huì)聯(lián)合會(huì)（WFCMS）等譽(yù)為標(biāo)志著“中藥進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)化的基因鑒定時(shí)代”。美國優(yōu)利基因、日本津村、天士力、奇正藏藥等國際國內(nèi)公司企業(yè)和香港衛(wèi)生署政府中藥檢測中心、中國藥檢和海關(guān)檢疫部門等廣泛引入該技術(shù)，每年為數(shù)百億中草藥產(chǎn)品提供原料鑒定保障服務(wù)，保障了臨床用藥安全，被評為“2016中國十大醫(yī)學(xué)進(jìn)展”。

美國藥典委員會(huì)專家到課題組開展合作交流

英國藥典委員會(huì)委派專家到課題組進(jìn)修

建立了全球最大的中藥材DNA條形碼鑒定數(shù)據(jù)庫及專業(yè)鑒定網(wǎng)站，包含100余萬條DNA序列，可實(shí)現(xiàn)對中國、美國、日本、歐盟、韓國和印度等國藥典收載草藥進(jìn)行DNA條形碼物種鑒定。國際著名期刊BiotechAdv發(fā)表“草藥鑒定從形態(tài)到DNA的文藝復(fù)興”報(bào)道該體系；英國藥典委派專家專程來學(xué)習(xí)中草藥DNA條形碼鑒定技術(shù)，2016年將草藥DNA鑒定納入《英國藥典》。

該成果獲2016年國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、2015年國家教育部科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)，被WFCMS評為“2014年世界中醫(yī)藥十大新聞”。

（三）本草基因組學(xué)為復(fù)雜草藥成分的化學(xué)和生物學(xué)解析及分子輔助育種提供了有效平臺(tái)。

通過聯(lián)合測序技術(shù)完成藥用模式植物丹參基因組草圖組裝，并深入探索了丹參活性物質(zhì)的生源合成機(jī)制。通過基因組結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)4對TPS／CYP在丹參的基因組上成簇存在，其中SmCPS1和SmCPS2側(cè)翼序列中均發(fā)現(xiàn)CYP76亞家族的基因序列，分別在丹參的根和葉中參與丹參酮的合成，SmCPS5參與赤霉素的合成。CYP76AH1已被證實(shí)催化次丹參酮二烯合成鐵銹醇，而CYP76AH3催化CYP76AH3催化鐵銹醇可以同時(shí)合成11－羥基鐵銹醇（11－h(huán)ydroxyferruginol）、柳杉酚（Sugiol）和11－羥基柳杉酚（11－h(huán)ydroxysugiol）。進(jìn)化關(guān)系表明SmCPS1和SmCPS2的基因簇結(jié)構(gòu)起源于CPS／CYP76AH的復(fù)制事件。該工作證實(shí)CPS／CYPs的簇狀排列參與丹參酮的生物合成。課題組利用高通量測序技術(shù)對單倍體靈芝的基因組進(jìn)行了測序，并利用光學(xué)圖譜技術(shù)輔助基因組組裝，為靈芝功能基因?qū)W研究和靈芝三萜等次生代謝產(chǎn)物的合成及調(diào)控研究奠定了基礎(chǔ)?；谖锢韴D譜構(gòu)建了紫芝的12條染色體，首次從組學(xué)角度揭示了靈芝中的防御機(jī)制。證實(shí)靈芝屬次生代謝產(chǎn)物的合成由復(fù)雜的遺傳學(xué)機(jī)制和表觀遺傳學(xué)機(jī)制調(diào)控。2016年，項(xiàng)目組采用分子輔助育種獲得3個(gè)中藥材新品種證書，建立了品種繁育技術(shù)平臺(tái)，成為典型示范研究。