本草基因组计划推动中药学进入生命科学研究前沿



“本草基因组计划将极大地推动前沿生命科学技术在药用植物和中药领域的应用，在较短时间内实现药用植物和中药学研究的跨越式发展，使其迅速走到生命科学研究的最前沿。” 本草基因组计划（HerbGP）是针对具有重大经济价值和典型次生代谢途径的药用植物进行的全基因组测序和后基因组学研究的系列计划。中国医学科学院、北京协和医学院药用植物研究所陈士林研究员在日前举行的以“中医药基础研究发展战略”为主题的第379次香山科学会议上，从物种选择，全基因组测序、组装和生物信息学分析，后基因组研究等方面系统阐述了本草基因组计划的研究策略。陈士林表示，该计划将推动一批具有典型次生代谢途径的模式植物研究平台的建立，促进各种“组学”研究方法在药用植物研究领域中的应用，推动中国传统药学进入生命科学研究前沿领域。同时，该计划为占领中药基础研究领域的科技制高点提供了难得的机遇，并将通过对药用植物有效成分生物合成路径的解析和药用植物优良品种的选育，对我国天然药物的研发和中药农业的发展产生巨大而深远的影响。就有关问题，陈士林接受了记者的采访。《科学时报》：我们将如何开展本草基因组计划的全基因组研究？陈士林：基因组序列包含生物的起源、进化、发育、生理以及与遗传性状有关的一切信息，是从分子水平上全面解析各种生命现象的前提和基础。我国药用植物资源丰富，种类繁多，因此药用植物全基因组计划测序物种的选择应该综合考虑物种的经济价值和科学意义，并按照基因组从小到大、从简单到复杂的顺序进行测序研究。在测序平台的选择上应以高通量测序平台为主，以第一代测序技术为辅。在测序物种选择方面，我认为，本草基因组计划测序物种筛选的基本原则应为：一是名贵大宗中药材的基源植物或重要化学药物的来源植物；二是药效成分比较清晰，具有典型的次生代谢途径的代表植物；三是含药用植物较多的植物分类单元中的代表植物，例如豆科的甘草；四是具有成为模式植物的潜质，具有较好的生物学研究基础；五是优先选择遗传背景清晰、基因组较小并且结构相对简单的二倍体植物。综合考虑以上因素，我们选择了紫芝、赤芝、茯苓、丹参、人参、三七等十余种药用植物作为本草基因组计划的第一批测序物种。其中丹参全基因组的测序完成，将会进一步推动丹参作为第一个药用模式植物地位的确定。在待测物种基因组预分析方面，由于多数药用植物都缺乏系统的分子遗传学研究，因此在开展全基因组计划之前进行基因组预分析非常必要。基因组预分析的主要内容包括：利用条形码等技术对满足筛选原则的待测物种进行鉴定；通过观察有丝分裂中期染色体确定待测物种的染色体倍性和条数；采用流式细胞术或脉冲场电泳技术估测物种的基因组大小，为测序平台的选择提供参考。在测序平台的选择方面，由于药用植物丰富的多样性，不同物种的基因组大小和复杂程度可能千差万别，因此药用植物的全基因组测序可以根据经费预算和基因组预分析结果，灵活选择不同的测序平台或平台组合。同时，应看到遗传图谱和物理图谱在植物复杂的大基因组组装中具有重要作用。随着第二代测序技术的快速发展，用于短序列拼接的大量生物信息学软件，为基因组草图组装提供了便利。基因组草图组装完成后，可利用生物信息学方法对基因组进行分析和注释，为后续功能基因组研究奠定基础。《科学时报》：如何进行本草基因组计划的后基因组研究？陈士林：后基因组学是基因组测序完成后大规模研究基因功能，基因之间相互关系和调控机制的学科。本草基因组计划的后基因组研究将根据全基因组序列提供的信息，充分利用各种“组学”方法，兼顾正向遗传学和反向遗传学的研究思路，对药用植物的功能基因进行充分的发掘和研究。根据药用植物的特点，本草基因组计划的后基因组学研究内容主要集中在模式药用植物研究平台的构建、次生代谢产物合成和调控机制的解析及抗病抗逆等优良性状的遗传机制研究等方面。本草基因组计划的后基因组研究将主要开展以下几个方面的工作。一是模式药用植物突变体库的建立和基因功能研究。突变体法是利用基因标签技术，由T-DNA或转座子等已知序列DNA片段的插入，导致目标基因失活或激活等功能性变化。拟南芥、水稻等重要模式植物均具有大规模的T-DNA插入突变体库，利用这些突变体库发掘了大量生长发育、抗逆性、代谢相关的重要基因。丹参等模式药用植物全基因组序列的测定和大规模突变体库的建立，将为药用植物研究提供丰富的资源和材料，并极大地推动药用植物功能基因，尤其是次生代谢相关基因的发掘进程。二是药用植物有效成分的合成及其调控研究。虽然药用植物有效成分的化学和药理学研究已经具有良好的基础，但是其生物合成途径和调控方面的研究还很薄弱，目前该领域的研究主要集中在长春花、青蒿和甘草等少数物种，但这些研究多采用单基因研究策略。本草基因组计划将会推动转录组学、蛋白组学和代谢组学等“组学”方法，在药用植物次生代谢途径和次生代谢调控研究中的应用，为次生代谢相关基因的“批量化”发掘奠定基础。研究成果将会对次生代谢产物的生物合成及代谢工程、高药效成分种质资源的选育等应用领域产生直接影响。三是开展药用植物抗病抗逆等优良性状的遗传机制研究及优良品种选育。控制药用植物重要农艺性状的基因，尤其是与生长发育、抗逆抗病、重要遗传性状及种质性状控制相关的基因，是药用植物中一类重要的功能基因，也是本草基因组计划的重要研究内容。在上述功能基因发现和鉴定的基础上，通过分子育种培育药效成分含量高的具有优良农艺性状的新品种，将为药效成分的大量提取和广泛临床应用奠定基础。《科学时报》：本草基因组计划对我国中药产业的发展将产生怎样的影响？陈士林：我国药用植物有一万多种，是所有经济植物中最多的一类。同时，药用植物也是许多化学药物的重要原料，目前三分之一以上的临床用药来源于植物提取物或其衍生物。近年来，药用植物的基因组学研究已经取得了长足的进步。如国内外已经开展了青蒿、丹参、人参等多种药用植物的大规模转录组研究。但是与模式植物和重要农作物相比，药用植物的基因组学研究还处于起步阶段。第二代高通量测序技术的出现使测序成本大大降低，测序时间大大缩短，为本草基因组计划的实施奠定了坚实的技术基础。本草基因组计划将极大地推动前沿生命科学技术在药用植物和中药领域的应用，在较短时间内实现药用植物和中药学研究的跨越式发展，使其迅速走到生命科学研究的最前沿。该计划的研究成果将为阐明药用植物有效成分的合成和调控奠定基础，进而促进植物类药物的筛选和生物合成研究，同时该计划还将加速药用植物优良品种的选育并促进绿色中药农业的科学化和规模化发展。随着测序技术的逐步成熟和新的测序技术的出现，相信将有更多的药用植物物种被纳入到本草基因组计划中。本草基因组计划为我国占领中药基础研究领域的科技制高点提供了难得的机遇，将推动功能基因组学、蛋白组学和代谢组学等现代生命科学技术在药用植物研究领域中的应用，将是中药现代化的重要组成部分。其研究成果将为次生代谢产物的生物合成和代谢工程，及优质高产药用植物品种的选育奠定坚实的基础，将推动我国中药产业的健康科学发展，加快中医药走向世界的步伐。 (责任编辑：glia)

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