组学技术助推中药资源遗传评价与创新——湖北中医药大学中药资源评价与组学研究团队介绍

一、研究团队简介

湖北中医药大学中药资源评价与组学研究创新团队组建于2018 年9 月，团队基于中药种业工程这一国家战略焦点和中药材良种缺乏这一产业痛点而组建，在中药资源评价与品种选育的过程中凸显技术创新的力量，在产业服务的过程中用好科技的手段。湖北是全国名副其实的中药资源大省，同时也是中药产业发展基础较好的省份之一，大量道地药材如黄连、野菊花、独活、天麻、蜈蚣等独具特色。如何将资源优势进一步转化为产业优势，关键在于对多样化资源的保护、评价和利用，促进优质中药材的生产和下游产品研发，这也是团队工作的核心。团队的发展充分依赖先进组学技术的支撑。从团队建设之初，便紧紧抓住中药组学这一现代分子生物学前沿技术，利用基因组、转录组、代谢组等多组学整合分析的技术方法对中药资源开展多层级的系统评价，促进中药资源鉴定、评价和应用的精准性和效率。

团队目前由8 名相关于科研和教学的青年人员组成，同时还包括博士和硕士研究生近30 名，是一支充满生机活力的队伍（图1）。团队成员中，5人为“刘合钢全国名老中医药专家传承工作室”核心成员，团队带头人刘义飞教授为湖北中医药大学引进的高层次人才，为湖北省“楚天学子”和湖北医学青年拔尖人才第一层次人选，团队核心骨干胡志刚教授为武汉市“黄鹤英才”，也是湖北中医药大学首个社会服务与推广型教授。通过发展，团队构建了较完善的中药资源评价和组学研究创新科研平台，积累了多物种的组学大数据资源，广泛收集了药用动植物种质资源，并在学校药用植物园及湖北省神农架林区、宜昌市五峰县和长阳县、孝感市大悟县等地建立了种质资源圃，与湖北乃至全国不同地方的政府和企业建立了紧密的合作关系，将产业规划和科技创新成果充分应用于中药材产业发展和社会科技服务之中。

图1 湖北中医药大学中药资源评价与组学研究创新团队合影

二、主要研究领域

1.中药资源的分子鉴定

中药材基原准确性的考证和真伪鉴别一直是中药资源评价和应用中最关键的环节。近年来，随着中药材市场需求的增加，各类中药材以假充真、误用混用等现象层出不穷且屡禁不止，严重危害了广大人民的自身权益和身体健康，不利于中医药行业健康发展。传统的中药鉴定技术包括利用经典分类学方法通过文献、标本和形态比对的来源鉴定（又称基原鉴定），通过眼观口尝等简便方法的中药性状鉴定，对中药资源组织和粉末的显微鉴定，以及中药理化性质的鉴定等方法。大多数情况下这些方法可有效地甄别中药资源类型，但面对中药材市场中复杂的易混药材和假冒伪劣品，这些传统方法有时候缺乏一锤定音的效果。

研究团队充分利用基因组研究和发展的成果，在传统DNA 条形码技术用于物种鉴定的基础上，基于组学数据开展中药资源分子鉴定标记的广泛开发与应用，进一步研发药材产地和品质鉴定的新型分子标记和快速鉴定检测技术，促进中药材的质量保障和品质提升（图2）。

图2 建立基于电化学和LAMP等方法的药材快检技术

2.中药资源物种参考基因组的构建与应用

药用动植物参考基因组的构建和结构解析是开展其他遗传和进化研究的基础。随着现代生物测序技术的快速发展和生物信息学分析方法的进步，参考基因组的研究越来越接近完整基因组的组装和基因的高精度注释，极大地促进了功能基因组和遗传育种等研究的开展。团队立足湖北乃至华中地区道地中药材资源，筛选代表性药用物种进行高精度基因组的测序组装和注释，为中药资源遗传评价、基因编辑和生物育种提供完善的基因组数据资源，推动中药资源研究走向分子时代（图3）。

图3 基于菊花脑基因组研究发掘萜类代谢产物生物合成关键基因簇

3.药用植物次生代谢产物生物合成通路解析与功能基因挖掘

多数中药资源物种会产生复杂的次生代谢产物类群。这些天然产物及其衍生物如青蒿素、紫杉醇、长春碱和小檗碱等是新药研发的重要源泉。围绕当前中药野生资源破坏严重、天然产物产量低和人工合成环节面临的共性问题，旨在通过系统解析包含药用物种起源、进化、生长发育、重要农艺性状及有效成分代谢合成的全基因组遗传信息，联合转录组、蛋白质组和代谢组等多组学技术，精确解析重要天然产物的生物合成途径，挖掘相关生物合成的关键基因和转录调控因子，并进行功能验证，促进天然产物的人工从头合成，全面推动中药资源的科学研究及开发利用（图4）。

图4 基于黄连基因组分析揭示CYP719家族基因在其小檗碱生物合成中的功能多样性

4.中药资源的核心种质库构建与新品种选育

针对中药种质资源遗传背景复杂、代谢成分多样的特点，核心种质库的构建将促进中药资源的有效管理和利用。通过开展多层级组学的关联分析和综合评价，在对中药资源遗传多样性水平评估的基础上，同时考虑代谢产物多样性变异，全面的评价中药资源的品质特征，推动满足于中药材生产实践需要的核心种质库构建，促进中药资源的保护与高效利用。

随着中药农业的迅猛发展，基于多样化中药资源的中药基原物种新品种选育与创新成为决定产业高质量发展的源头关键。与传统的农作物注重产量和营养成分的育种目标不同，中药资源物种的育种不仅需要关注用药部位的产量，更要注重次生代谢产物的有效成分种类和含量，以内在品质的提升引领新品种的选育目标。中药资源特别是多数药用植物，其本身为多年生物种，生长周期长且基因组的杂合度高，传统的育种方法如系统选育、杂交育种等耗时费力，效率十分低下。在中药核心种质资源评价与筛选的基础上，随着多组学的发展和物种分子遗传数据的增加，通过开展中药材的基因组学辅助育种（genomics-assisted breeding），应用基因编辑技术进行种质创新，提升传统中药材新品种选育的精准性和效率（图5）。

图5 野菊核心种质库构建与新品种选育

5.中药药妆产品研发

为寻找生态友好型植物源天然化妆品原料，基于湖北省地方特色中药材资源，利用芳香性挥发油和其他活性物质，通过物理化学性质、抗氧化能力、生物能力、光保护活性、体外细胞毒性、皮肤刺激研究，以及体外黑色素生成等系列实验研究，全面评价植物精油和相关提取物作为具有美白、抗衰老等特性的化妆品原料的质量，研发具有多样性功效的纳米药妆产品，扩大药用植物的应用范围与开发前景，促进健康产业的发展。

团队前期围绕湖北省道地药材黄连、野菊花、天麻、独活、蜈蚣等开展了大量工作，其中黄连和野菊基因组解析文章分别登上了《Nature Communications》和《Molecular Plant》等研究领域高水平期刊；西红花的分子鉴定创新技术发表在领域知名期刊《Analytical Chemistry》上。团队选育了湖北省首个野菊新品种“华中野菊1号”；牵头制订并发布了蜈蚣等药材的商品规格等级团体标准，建立了蜈蚣人工养殖技术规范。这些研究和技术创新处于行业领先水平。在产业服务方面，团队牵头制订了湖北省随州市、宜昌市长阳县和五峰县、神农架林区等地的中医药产业发展规划；团队负责人兼任神农架中医药产业研究院院长；团队核心成员担任房县扶贫工作队队长，获得“湖北省脱贫攻坚先进个人”，产生了一定的社会影响力。