中草药方法论,知百草无需神农
2018.09.21

中草药是我国的文化瑰宝,同时也面临很多争议。有观点认为中草药的活性成分不明确,而西药的药效有完整的临床和试验数据支撑,因此更倾向于选择西药。破译种草药基因组、明确中草药活性成分,是加速中草药产业化的重要手段。2015年中国科学家屠呦呦因发现青蒿素可以有效治疗疟疾的贡献而获得诺贝尔奖,大大推动了中草药的研究的发展。


药用植物基因组研究进展


随着高通量测序技术的发展,目前已经完成了很多中草药基因组测序,如“仙草”灵芝、复苏植物牛耳草等,研究中草药基因组结构特征,解析中草药重要活性成分的合成通路,是加速中草药的现代化进程的重要途径。


已测序的药用植物统计表


药用基因组关注的重要生物学问题及研究策略


对以上药用植物测序经验的总结,药用植物的研究方向主要集中在药理活性成分的合成机制研究,药用植物的进化地位研究,药用植物特有生物学特征研究(共生机制、抗性特征等)。


主要药理活性成分合成通路的研究


一、研究策略

对于药用成分的关键代谢产物的研究,通过基因家族扩张与收缩分析确定物种特异性家族,挖掘与特异性状相关的基因家族,在此基础上结合转录组进行该代谢通路关键基因表达模式的分析(药用成分含量高的组织和其它组织差异表达的基因,药用植物与其它植物差异表达基因),解析关键活性成分合成通路以及遗传调控机制。


二、案例

丹参以根入药,具有活血祛瘀、通经止痛等功效。2016年Molecular Plant报道利用二代加三代测序组装了丹参基因组,发现丹参主要药理活性成分丹参酮和丹参酚酸合成相关的基因家族扩张,对丹参合成途径4个SmCPS/CYP基因家族的基因结构以及在不同组织中(根、茎、叶、花)的表达模式进行分析,揭示了丹参主要活性成分生物合成及其调控的分子机制。

 

推测的丹参酮合成途径(Xuet al., 2016)      


               进化分析研究


一、研究策略

进化分析是通过与近缘物种的比较,直接利用从核酸序列或者蛋白质序列提取的信息,作为物种的特征,通过比较分子序列之间的关系,阐明所研究材料的进化地位或进化历程。


二、案例

人参历来被视为百草之王,《神农本草经》记载“人参,味甘微寒,主补五脏,安精神,定魂魄,止惊悸,除邪气,明目,开心益智。久服,轻身延年。”

人参是地球上最古老的孑遗植物之一,人参属是伞形目五加科下的一属植物,分布于北美、中亚和东亚。2018年Plant Biotechnology Journal文章从头测序组装了四倍体人参(P. ginseng)的基因组,对二倍体人参重测序,揭示了人参属物种的分化过程。


人参属进化过程中在洲际间的迁移(Kim et al., 2018)


药用植物特有的生物学特征的研究


一、研究策略

药用植物会有一些特殊的特征,如卷柏是复苏植物,抗旱能力极强;天麻不能进行光合作用,与蜜环菌共生。对于这些特殊性状研究,一般通过比较基因组学的方法,找到相关的扩张或收缩的基因家族,也可结合转录组数据,鉴定在不同条件下差异表达基因,解析相关遗传调控机制。


二、案例

卷柏抗旱机制


卷柏是药用植物,有活血化瘀、益气止咳等功效。卷柏同时也是复苏植物,又名九死还魂草,干旱时根能自行从土壤分离,蜷缩似拳状,随风移动,遇水而荣。研究结合卷柏基因组数据和卷柏在不同水分条件下转录组数据,揭示了卷柏的抗旱机制,发现卷柏ROS(ROS会导致氧化损伤和细胞凋亡)产生相关基因数量显著低于其它植物,且ROS清除相关基因表达显著上调;在干旱胁迫下ABA合成途径基因表达上调。研究为筛选耐旱植物优良种质提供了基础。


卷柏耐旱遗传调控机制(Xu et al., 2018)


天麻共生机制研究


天麻是兰科、天麻属腐生草本植物,有息风止痉,平抑肝阳,祛风通络的功效。天麻无根无叶,不能进行光合作用,依靠蜜环菌供应营养生长繁衍。对天麻基因组的研究发现,天麻经历了广泛的基因(包括在其他植物中保守的基因)缺失;3,586个基因家族发生了收缩;抑制子囊菌和担子菌生长的GAFP蛋白基因数量增加;天麻与蜜环菌的重要信使独角金内酯合成和运输的基因数量增加。以上这些结果展示了天麻对完全异样的基因组适应性特征,也为人工栽培天麻技术的发展提供参考。


天麻扩张基因家族的GO功能富集分析(Yuan et al., 2018)


广告时间

安诺基因有丰富的植物基因组测序项目经验,解读了大量药用植物基因组测序的相关文献,想要了解更多信息,快来联系我们吧!


秋季促销

做基因组De novo,免费送survey、转录组、重测序。具体详情可参考约“惠”七夕,放“价”到底。


参考文献

Kim N H, Jayakodi M, Lee S C, et al. Genome and evolution of the shade-requiring medicinal herb Panax ginseng[J]. Plant Biotechnology Journal, 2018.

Xu H, Song J, Luo H, et al. Analysis of the genome sequence of the medicinal plant Salvia miltiorrhiza[J]. Molecular Plant, 2016, 9(6):949-952.

Xu Z, Xin T, Bartels D, et al. Genome analysis of the ancient tracheophyteSelaginella tamariscina reveals evolutionary features relevant to the acquisition of desiccation tolerance[J]. Molecular Plant, 2018, 983-994.

Yuan Y, Jin X, Liu J, et al. The Gastrodia elata genome provides insights into plant adaptation to heterotrophy[J]. Nature Communications, 2018, 9(1):1615.


在线客服

>>

安诺基因在线客服

客服1 客服2 客服3

电话:400-8986-980