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当中草药“大腕”邂逅基因产业“弄潮儿”

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中药是中华名族的瑰宝。从《神农本草经》,到《本草经集注》,再到《新修本草》,直至巨著《本草纲目》的问世,智慧的祖先们从未停止过对中草药的探索。如今,高通量技术的发展给中草药的研究带来了新的契机。今天,带大家盘点一下中草药“大腕”们的全基因组。 


铁皮石斛


铁皮石斛被称为自唐代以来“中国最为名贵、药用价值最高的石斛品种之一”,其茎中包含有显示抗氧化和抗肿瘤活性的化合物。由于它疗效独特,且生长周期缓慢,野生铁皮石斛已被用至濒临灭绝,现在被归类为是中国的珍稀濒危药用植物之一。


研究人员利用第二代Illumina Hiseq 2000测序技术和第三代PacBio测序技术,第一次从头组装出了1.35 Gb的铁皮石斛基因组序列。研究人员观察到与真菌共生和抗旱性有关的一些基因家族发生了明显扩增。


他们分析了铁皮石斛一些药用成分的生物合成信号通路,发现与多糖生成相关的SPS和SuSy基因发生了大规模复制,铁皮石斛生物碱合成信号通路可以从已有的研究结果基础上延伸到16-epivellosimine的合成。铁皮石斛基因组研究为未来研究兰科植物的进化、以及石斛的药用成分及潜在的遗传育种奠定了基础。


灵芝


灵芝是中医药宝库中的珍品,有“仙草”的美誉。现代药理研究表明灵芝具有多种治疗活性,包括抗癌、抗高血压、抗病毒和免疫调节活性。灵芝生成了大量的生物活性化合物,以三萜类化合物和多糖为主要类别。


研究人员利用新一代测序(NGS)和光学绘制(optical mapping )方法对单倍体核细胞的灵芝菌株进行了全基因组测序和组装,得到的基因组大小约43.3Mb,预期编码了 16,113个基因。序列分析总共鉴别出了24个细胞色素P450s (CYPs)基因簇。此外,发现了16个可能在三萜系化合物生物合成中发挥作用的CYP基因。这些基因组信息有助于阐明这一药用真菌中各种次级代谢物合成的分子机制。


丹参


丹参是一种常用的中药材,别名红根、紫丹参、血参根等,具有活血、预防血栓、降血脂、抗肿瘤等功效。


广州白云山和记黄埔中药有限公司与中国医学科学院药用植物研究所合作,利用第二代高通量测序技术对丹参全基因组进行测序,并完成丹参基因组框架图的组装。此次基础性研究利用从丹参基因组中获得的信息和知识,通过遗传工程和新育种方法,将加速优质、高产、抗病丹参优良品种的选育,实现绿色丹参产业,推动丹参制药等相关产业的发展。


金蝉花


金蝉花是一种珍贵中药材,其营养成分近似于冬虫夏草,可用于治疗儿童疾病,同时具有较高保健价值。随着虫草资源的日益枯竭,金蝉花作为替代品的价值越来越受到重视。


此次研究发现,金蝉花基因组是人类基因组大小的八十分之一,其中含有约1.6万个候选基因,接近人类基因数量的二分之一。研究还证实,金蝉花遗传结构稳定性良好,发生变异的基因不到1%,远低于冬虫夏草10%的变异率。这项研究成果有助于开发尚未被人类认识与利用的金蝉花优异基因,为深度发掘其生物制剂提供新路径,也有助于培育出药用价值与营养价值更高的金蝉花品种。


人参


人参是举世闻名的药用植物,被誉为“万能圣药”、“百草之王”,是国内外公认的珍品。现代医学认为,人参对神经系统、心血管系统、内分泌系统、消化系统、生殖系统、呼吸系统及外科使用等都具有明显的作用。


研究者以第二代为主结合第一代测序技术为研究手段,应用新的研究策略,测定了超过100倍覆盖率的高质量数据获得的人参全基因组图谱。研究发现,人参具有与人类基因组大小相仿的基因组,约30亿个碱基。通过人参基因组图谱的分析以及功能基因组的研究,将为人参的遗传与农艺性状、代谢与药用性状、化学与工艺性状方面的研究提供技术保障。


板蓝根


板蓝根真正是一味“草根”中药,可谓妇孺皆知。其性寒,味先微甜后苦涩,具有清热解毒、预防感冒、利咽之功效。


百迈客联合南京农业大学对板蓝根的转录组进行了研究。从超过28 million的高质量短序列reads中,组装得到33,238个unigenes。其中有8个基因被发现与吲哚和其衍生物的合成有关。


根据GO分析,其中的22,365个基因被聚类成48个功能大类。同时,重复motif分析在4509个基因中鉴定到了6400个简单序列重复标记(simple sequence repeat marker)。该研究为揭示板蓝根的生物化学及分子机理研究提供了良好的基础。


以上研究的完成,对其它药用植物的研究具有很好的借鉴和示范作用,促进了现代前沿生命科学研究和传统中药学的有机结合,将改变中药研究领域被动追赶其它学科发展的局面,使中药学真正走到生命科学研究的最前沿。


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