本草基因组学研究及应用

本草基因组学研究及应用

传统草药在中国的使用历史超过5000年，为人类的健康做出了巨大贡献，然而由于传统研究手段的局限性，绝大多数中草药物种的遗传背景、生物学特性和有效成分的研究基础还很薄弱。随着生物技术的发展，尤其是测序技术的进步，基因组学的研究为揭秘遗传密码提供了有力武器。人类基因组计划公布了人类基因组草图，为基因组学研究揭开新的一页。随着高通量测序成本的下降和传统草药研究热潮的再度兴起，陈士林课题组2010年提出并启动本草基因组计划。本草基因组计划（HerbGenomeProgram，HerbGP）是针对具有重要经济价值的药用植物和代表不同次生代谢途径的模式药用植物开展的基因组层面的系列研究计划，主要内容包括全基因组序列的测定、组装和生物信息学分析，及具有典型次生代谢途径的模式药用植物研究平台的建立和抗病抗逆等优良性状遗传机制的阐明等后基因组学研究，同时包括利用基因组学信息对药用植物的品种选育。研究团队先后通过对中草药基因组测序、组装并注释基因组来分析各基因的功能，以为揭示中草药的遗传背景和通过阐释中草药有效成分生物合成途径进行分子育种奠定基础。目前，灵芝、丹参、人参、紫芝和穿山甲等药典刊载物种已经完成基因组测序并相继发表。

2015年科学杂志（Science）专刊以“本草基因组学－揭秘传统草药生物学本质”为题正式系统介绍了本草基因组学。本草基因组学（Herbgenomics）是研究草药基因组的组成，组内各基因的精确结构、相互关系及表达调控的科学，是用于概括涉及基因作图、测序和整个基因组功能分析的遗传学分支。本草基因组学为复杂草药成分的化学和生物学解析提供了有效平台，通过建立基因数据库可被广泛应用于传统草药的品质研究、分子鉴定、有效成分的生物合成、道地性研究和分子育种等。

（一）全基因组解析在《自然－通讯》提出首个中药药用模式真菌，编著《本草基因组学》奠定学科基础。

完成赤芝、丹参、紫芝、人参等全基因组图谱和相关组学研究。提出首个中药药用模式真菌－灵芝，成果在《自然－通讯》发表，突破传统中药研究缺乏真菌模式生物的瓶颈，被NatureChina选为中国最佳研究亮点，《今日美国》（USATO-DAY）以“揭秘中国仙草基因组”专题报道。《NatureCom-mun》以特别图片（FEATURED IMAGE）评述该研究：“陈士林等完成的灵芝基因组研究表明，灵芝用于真菌类中药次生代谢途径及其调节研究是令人满意的模式体系”。相关组学成果发表在PlantJournal、PlantPhysiology、NewPhytologist等植物学顶级期刊。编著出版《本草基因组学》奠定学科基础，推动中草药生物学研究进入组学时代。

（二）国内外首创中草药DNA条形码物种鉴定技术体系，为中草药建立“基因身份证”，从基因层面解决传统中草药千百年来物种真伪鉴定难题。

国际上首次验证提出核基因组序列ITS2作为中草药通用DNA条形码，完成1.1万种中药材及混伪品的4.8万余份样品DNA条形码研究，建立了中药材DNA条形码鉴定标准，为中药鉴定学开拓了新的方法学领域。主编《中国药典中药材DNA条形码标准序列》、《中药DNA条形码分子鉴定》等专著，中药材DNA条形码鉴定指导原则纳入《中国药典》2010版、2015版。该研究被世界中医药学会联合会（WFCMS）等誉为标志着“中药进入标准化的基因鉴定时代”。美国优利基因、日本津村、天士力、奇正藏药等国际国内公司企业和香港卫生署政府中药检测中心、中国药检和海关检疫部门等广泛引入该技术，每年为数百亿中草药产品提供原料鉴定保障服务，保障了临床用药安全，被评为“2016中国十大医学进展”。

美国药典委员会专家到课题组开展合作交流

英国药典委员会委派专家到课题组进修

建立了全球最大的中药材DNA条形码鉴定数据库及专业鉴定网站，包含100余万条DNA序列，可实现对中国、美国、日本、欧盟、韩国和印度等国药典收载草药进行DNA条形码物种鉴定。国际著名期刊BiotechAdv发表“草药鉴定从形态到DNA的文艺复兴”报道该体系；英国药典委派专家专程来学习中草药DNA条形码鉴定技术，2016年将草药DNA鉴定纳入《英国药典》。

该成果获2016年国家科技进步二等奖、2015年国家教育部科学技术进步一等奖，被WFCMS评为“2014年世界中医药十大新闻”。

（三）本草基因组学为复杂草药成分的化学和生物学解析及分子辅助育种提供了有效平台。

通过联合测序技术完成药用模式植物丹参基因组草图组装，并深入探索了丹参活性物质的生源合成机制。通过基因组结构分析发现4对TPS／CYP在丹参的基因组上成簇存在，其中SmCPS1和SmCPS2侧翼序列中均发现CYP76亚家族的基因序列，分别在丹参的根和叶中参与丹参酮的合成，SmCPS5参与赤霉素的合成。CYP76AH1已被证实催化次丹参酮二烯合成铁锈醇，而CYP76AH3催化CYP76AH3催化铁锈醇可以同时合成11－羟基铁锈醇（11－hydroxyferruginol）、柳杉酚（Sugiol）和11－羟基柳杉酚（11－hydroxysugiol）。进化关系表明SmCPS1和SmCPS2的基因簇结构起源于CPS／CYP76AH的复制事件。该工作证实CPS／CYPs的簇状排列参与丹参酮的生物合成。课题组利用高通量测序技术对单倍体灵芝的基因组进行了测序，并利用光学图谱技术辅助基因组组装，为灵芝功能基因学研究和灵芝三萜等次生代谢产物的合成及调控研究奠定了基础。基于物理图谱构建了紫芝的12条染色体，首次从组学角度揭示了灵芝中的防御机制。证实灵芝属次生代谢产物的合成由复杂的遗传学机制和表观遗传学机制调控。2016年，项目组采用分子辅助育种获得3个中药材新品种证书，建立了品种繁育技术平台，成为典型示范研究。