转录因子调控对中药材质量形成的作用＊

肖 莹，冯婧娴，陈万生＊＊

（1.上海中医药大学中药资源与生物技术中心 上海 201203；2.第二军医大学附属长征医院药学部 上海 200003）

道地药材因其具有优良的种质资源，产于适宜的生态环境，以致较同种药材在其他地区所产者临床功效地道实在、疗效可靠，千百年来受到药材市场的推崇。药材的道地性主要体现在质优（有效成分含量高）和形优（独特的生物学性状，包括色泽、形态等）两个方面[1]。以三七为例，道地产区云南文山所产三七的主要有效成分如多糖、三七素、三七皂苷R1、人参皂苷Rgl、Rd以及总皂苷的含量均显著高于广西靖西；同时单株鲜重和产量比广西靖西的高3-5倍[2]。然而，随着需求量的增加，道地药材野生资源日益匮乏，当前药材品质低下和资源不可持续已经成为制约中医药产业发展最大的瓶颈[3]。揭示和阐明道地药材形成规律及其生态、生物学实质，对道地药材资源的保护和开发，发展中医药产业具有重要意义。

道地药材独特品质的形成是特定种质与环境饰变长期交互作用的结果，即“表型=基因型+环境饰变”。优良品质遗传基因是道地药材形成与发展的内在因素。遗传因素通过决定“代谢特质”与“形态特征”对道地药材品质形成发挥主导作用；环境因子通过“调控基因时空特异表达”间接影响药材品质[4]。转录调节是植物基因表达调节最重要的环节之一。转录因子作为转录调控最重要的成员，在细胞核内特异性识别并结合基因启动子上的顺式作用元件调控基因的时空表达，发挥中枢核心调控作用，参与植物生长发育、信号转导、代谢调控及抗逆反应等各个关键环节[5]。越来越多的报道表明转录因子在调控药用植物“代谢特质”与“形态特征”方面均发挥了重要作用，且有些转录因子可同时对两个方面发挥调控作用从而影响有效成分的合成积累与生物学形态的塑造形成。因此，转录因子有可能是道地药材“质优”与“形优”的关联纽带之一，为从分子层面阐述道地药材形成规律和内在机制，进而开展药材品质提升和资源保障提供了重要的切入点（图1）。

图1 转录因子调控中药材质量形成的作用

1 转录因子对药用植物“代谢特质”的调控作用

中药有效成分是中药具有确切临床疗效的物质基础。有效成分的有无（真伪）多寡（优劣）是中药品质的核心部分，有效成分的含量已成为评价中药品质的主要内容和制定质量控制标准的依据[6]。有效成分的高效合成和/或稳定积累是道地药材货真质优最重要的因素之一。

中药有效成分属于植物次生代谢产物的范畴，包括酚类、黄酮类、木脂素、生物碱、糖苷、萜类、甾类、皂苷等。这些植物次生代谢产物不仅对植物自身的生存和生长具有重要意义，同时也是中草药发挥疗效的物质基础，即中药有效成分[7]。例如：萜类化合物青蒿素是植物青蒿抗疟疾的有效成分；生物碱类化合物盐酸小檗碱是黄柏治疗腹泻的有效成分；丹参酮和丹参酚酸类化合物是丹参治疗心脑血管疾病的有效成分。

通过转录因子调控植物次生代谢途径酶基因表达，整体激活中药有效成分生物合成路径，是实现中药有效成分高效合成和定向积累的有效途径，已取得许多令人兴奋的研究进展。多种转录因子如bHLH、bZIP、WRKY、AP2/ERF 等均参与药用植物中包括萜类，生物碱类，苯丙烷及其衍生物类等多种次生代谢产物的合成积累[8-10]。例如：青蒿中的青蒿素是一种倍半萜类化合物，作为目前世界范围内治疗疟疾的首选药物而受到广泛关注，其生物合成途径逐渐被研究清晰。转录因子AaERF1 和AaERF2 通过与青蒿素生物合成途径关键酶基因ADS 和CYP71AV1的启动子结合激活青蒿素生物合成途径，调控青蒿酸和青蒿素的高效合成[11]；同样，转录因子AaORA，AaTAR1，AaGSW1均通过调控ADS 和CYP71AV1 的表达影响青蒿素、青蒿酸和二氢青蒿酸等化合物的生物合成[12]。目前应用较广的天然抗肿瘤成分长春碱和长春新碱是来源于药用植物长春花的萜类吲哚生物碱，其生物合成受到甲基茉莉酸（MeJA）响应的AP2/ERF 转录因子家族成员ORCA3 的影响。ORCA3 可直接作用生物合成途径上TDC、STR、CPR等多种关键酶，影响长春碱和长春新碱的合成。而bHLH转录因子BIS1能与环烯醚萜路径的G8O 等关键酶基因互作，促进长春花中萜类吲哚生物碱的生物合成[13]；本课题组从丹参中分离获得了信号分子甲基茉莉酸MeJA 响应的转录因子SmMYC2a 和SmMYC2b，并发现他们与SmHCT6、SmCYP98A14 等酶互作同时调控丹参酚酸类和丹参酮类成分的生物合成[14]；我们从菘蓝（板蓝根的基源植物）中分离获得了AP2/ERF转录因子Ii049，并发现该转录因子通过参与水杨酸SA 信号转导调控落叶松脂素等板蓝根抗病毒活性成分的生物合成[15]。

2 转录因子对药用植物“形态特征”的调控作用

道地药材的品质形成是道地药材的基因型和特定的生态环境长期饰变的共同作用，与非道地药材相比，通常显现出独特的生物学性状。例如，宁夏枸杞较其他产区者，粒大、色红、肉厚、质柔润、籽少；怀地黄的根更加粗壮；甘肃岷县的当归主根肥大而长，支根少而粗壮，内外质地油润，气味清香。道地药材这些独特的生物学性状与药材的品质密切关联。传统“辨状论质”方法即是以特定形态特征作为中药品质评判的标准，在药材商品的鉴定、规格分级等生产实践中广泛应用[16]。以丹参为例，现行的丹参商品规格，一等品丹参需主根直径＞1 cm，表面紫红色或黄红色，断面红色或棕色；二等品则直径介于0.4-1 cm之间[17,18]。此外，大量丹参种质研究发现，叶型[19,20]；株型[21]；花色[22]等性状也与丹参的品质具有显著的相关性。因此，挖掘影响药材特定形态特征形成的关键遗传基因是揭示道地药材优良品质形成机制的重要内容之一。

转录因子对药用植物形态特征的调控作用近年来聚焦于青蒿素储存分泌的产所青蒿腺毛发育的相关研究中。青蒿叶片上分布的腺毛发育增强，密度增大，或者处于分泌期的数量增多等，都可能提高青蒿中青蒿素的产量。MYB 转录因子家族成员参与青蒿腺毛的生长发育过程，在过量表达AaMYB1的青蒿植株中，腺毛的数量显著增加[23]；另一个MYB 家族转录因子AaMIXTA1主要在分泌型腺毛的两个基细胞中优势表达，能够促进分泌型腺毛的生成，增加腺毛的密度[24]；转录因子AaHD1 通过参与茉莉酸介导的腺毛生成过程促进腺毛的生成[25]；而AaHD8 不仅能够直接激活青蒿角质层生物合成途径上的基因，还能促进AaHD1的表达，甚至可以与AaMIXTA1互做形成调控complex进一步促进腺毛的生成和角质层的形成[26]。本课题组通过调控AP2转录因子AaTAR1促进了青蒿腺毛的发育[27]。以上转录因子对青蒿腺毛发育的调节作用，为促进青蒿素在青蒿植物中的生物合成创造了良好的条件，均大幅提高了青蒿素的含量。

在一些模式植物的研究中，能够调控组织器官生长发育的转录因子也相继被报道。其中拟南芥中的LHY 转录因子能够影响开花时间[28,29]；而AtMYB35，AtMYB80，AtMYB33，AtMYB65等会影响花药的发育[30-33]；AtMYB26通过调控木质素的合成影响药室内壁次生壁加厚来影响花药开裂等多种方式影响花的生长发育[34]。转录因子ABI4通过诱导一系列脱落酸ABA 相关反应基因的表达，或与bZIP 转录因子ABF3 等相互作用影响植物侧根的生成[35,36]。以上研究为揭示红花、西红花等以花入药，丹参、板蓝根等以根入药的药材的形态特征形成机制提供了有益借鉴，有望通过转录因子的调控获得与中药品质相关联的预期生物学性状或形态特征，进而达到中药品质改良和提升的目的。例如，本课题组发现MADS 转录因子家族基因AGL6 表达与西红花的柱头发育密切关联，推测其可能通过改变柱头生物量调控西红花酸等药效成分的生物合成；我们通过转录因子IiWRKY34 调控板蓝根的根系发育，不仅有效增加了板蓝根的产量，显著促进了抗病毒活性木脂素类成分的生物合成，还提高了植物抗盐、抗旱的能力。

3 小结与展望

基因组学、转录组学、代谢组学、生物信息学等组学技术和分子生物学技术的快速发展，极大加速了转录因子的分离、筛选和功能研究的进程，也为解密道地药材品质形成机制复杂命题带来了前所未有的契机。从转录因子入手，揭示其对中药“代谢特质”和“形态特征”的调控作用，是解析这一复杂命题的有效途径，对实现道地药材种质资源保存、选用乃至品质提升与遗传育种具有重要意义。

当前，药用植物野生资源日渐耗竭，人工栽培品已逐渐成为中药材的主要来源。针对当前药材品质低下和资源不可持续的问题，如何人为地提高种植药材的质量，保证其与道地药材的品质相类同，这是从事中药材工作的同仁们共同面临的新课题。本课题组长期聚焦“基于药效物质的中药品质调控”研究，秉承“质量源于设计”的研究理念，形成了“组学数据获得与挖掘→品质形成机制发现和验证→目标导向的品质改良和优化→质量评价→种质创新”的中药材种质资源评价及创制的研究思路。我们以丹参、板蓝根等大宗药材为对象，在阐释其品质形成机制的基础上，开展优良种质识别、培育、种植和推广研究：将中药材品质关联的遗传基因（如转录因子等）作为分子标记（Q-Marker），对种质识别、种苗选育和栽培管理等各关键环节进行全程质量监控，促进植株优良性状的形成，从而实现药材品质的“精准调控”。我们相信，随着道地药材品质形成机制的深入研究，转录因子等遗传基因对中药品质调控作用的逐渐阐明，药材种植“精准调控”技术的逐步推广，优质药材的获得模式从“被动筛选”向“主动创制”的转变将得以实现。