黃林芳，張 翔，陳士林

（1.中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院藥用植物研究所，國(guó)家中醫(yī)藥管理局中藥資源保護(hù)重點(diǎn)研究室 北京 100193；2.中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院中藥研究所 北京 100700）

道地藥材是在特定自然條件和生態(tài)環(huán)境區(qū)域內(nèi)所產(chǎn)，中醫(yī)藥界公認(rèn)的“質(zhì)優(yōu)效佳”的中藥材[1]。其概念源于數(shù)千年的生產(chǎn)和中醫(yī)臨床實(shí)踐，是傳統(tǒng)中醫(yī)藥的特色和精髓。作為評(píng)價(jià)優(yōu)質(zhì)中藥材質(zhì)量的獨(dú)具特色、約定俗成的古代藥物標(biāo)準(zhǔn)化術(shù)語(yǔ)，道地藥材具有豐富科學(xué)內(nèi)涵。2017 年，我國(guó)首部《中華人民共和國(guó)中醫(yī)藥法》將道地中藥材作為專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)納入。近年來(lái)我國(guó)學(xué)者在道地藥材傳承與創(chuàng)新方面開(kāi)展了大量工作，總結(jié)與梳理了環(huán)境態(tài)論、品種延續(xù)與產(chǎn)地變遷論、品質(zhì)生態(tài)學(xué)、逆境效應(yīng)及本草基因組學(xué)五種道地藥材學(xué)術(shù)理論[2-4]。其中，品質(zhì)生態(tài)學(xué)理論是傳承基礎(chǔ)上的道地藥材學(xué)術(shù)思想創(chuàng)新。

“諸藥所生，皆有境界…”體現(xiàn)了藥物功效與生長(zhǎng)環(huán)境關(guān)聯(lián)的古代樸素生境觀和“天藥人合一”的整體觀[5]。陳士林提出科學(xué)假說(shuō)“生態(tài)型是道地藥材形成的生物學(xué)本質(zhì)”，詮釋我國(guó)中藥材多道地、多產(chǎn)區(qū)、多生態(tài)型現(xiàn)狀[6]。肖小河認(rèn)為道地藥材系統(tǒng)演進(jìn)的基本規(guī)律是用進(jìn)廢退、優(yōu)勝劣汰、擇優(yōu)而立、道地自成[7]。黃林芳等對(duì)中藥材品質(zhì)變異進(jìn)行探討，劃分了地理生態(tài)型、氣候生態(tài)型、群落生態(tài)型、化學(xué)生態(tài)型、品種生態(tài)型等品質(zhì)生態(tài)型，并提出中藥品質(zhì)生態(tài)學(xué)理論[8]。

中藥品質(zhì)生態(tài)學(xué)是由中藥品質(zhì)學(xué)和生態(tài)學(xué)復(fù)合而成的綜合性交叉應(yīng)用學(xué)科。以中藥品質(zhì)為研究對(duì)象，應(yīng)用生態(tài)學(xué)原理與方法，探索中藥品質(zhì)與生態(tài)系統(tǒng)中的相互聯(lián)系及其作用機(jī)理，并在實(shí)際中加以應(yīng)用的一門(mén)新興的應(yīng)用學(xué)科[4]。旨在從生態(tài)系統(tǒng)思維角度保障與提高中藥材品質(zhì)，探索中藥品質(zhì)與生態(tài)系統(tǒng)中的相互聯(lián)系及其作用機(jī)理。研究?jī)?nèi)容主要包括中藥品質(zhì)、中藥品質(zhì)形成的生物學(xué)成因、藥用生物分布、產(chǎn)地與生態(tài)因子的關(guān)系、優(yōu)質(zhì)藥材產(chǎn)地生態(tài)適宜性與區(qū)劃等。筆者認(rèn)為道地藥材的實(shí)質(zhì)是形成一種特殊的品質(zhì)生態(tài)型和最優(yōu)品質(zhì)生態(tài)型。道地藥材的遺傳品質(zhì)、生態(tài)品質(zhì)、性狀品質(zhì)及化學(xué)品質(zhì)是道地藥材重要的品質(zhì)特征。本文對(duì)近年來(lái)基于品質(zhì)生態(tài)策略的道地藥材遺傳品質(zhì)特征、生態(tài)特征及品質(zhì)特征的道地性研究進(jìn)行歸納與梳理。為揭示道地藥材優(yōu)良品質(zhì)形成科學(xué)內(nèi)涵，科學(xué)評(píng)價(jià)道地藥材，合理保護(hù)道地藥材及道地藥材的種質(zhì)創(chuàng)新提供科學(xué)依據(jù)。

1 道地藥材的化學(xué)與性狀品質(zhì)特征研究

1.1 道地藥材化學(xué)品質(zhì)特征研究

道地藥材的內(nèi)在化學(xué)品質(zhì)通常指其化學(xué)特點(diǎn)，包括藥效物質(zhì)的含量、比例及其平衡狀態(tài)、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)或有毒物質(zhì)的含量等?；瘜W(xué)品質(zhì)直接影響道地藥材的藥用或營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。表1歸納了部分道地藥材的品質(zhì)生態(tài)特征。有學(xué)者應(yīng)用UPLC-PDA-QTOF/MS 方法檢測(cè)茯苓三萜成分，結(jié)果表明不同產(chǎn)地的種類(lèi)和含量有很大差別[56]，并提供產(chǎn)地追蹤標(biāo)志化合物。中國(guó)產(chǎn)西洋參生態(tài)型研究結(jié)果表明中國(guó)產(chǎn)西洋參可分為人參皂苷Rb1-Re 山海關(guān)外型和Rg2-Rd 山海關(guān)內(nèi)型兩大化學(xué)生態(tài)型[39]；同一緯度的吉林與加拿大產(chǎn)西洋參呈現(xiàn)更為相似1H NMR 圖譜[57]。UPLC-QTOF/MS 分析表明內(nèi)蒙古與新疆產(chǎn)肉蓯蓉化學(xué)成分明顯不同，2'-乙酰毛蕊花糖苷可作為區(qū)分兩大產(chǎn)地肉蓯蓉的指標(biāo)成分[11]。HSSPME-GC/MS 方法分析當(dāng)歸揮發(fā)性成分，能鑒別道地產(chǎn)區(qū)與其他產(chǎn)區(qū)當(dāng)歸[58]。貴州栽培吳茱萸藥材品質(zhì)較好，其揮發(fā)油含量較疏毛吳茱萸高近2倍。河南、山東產(chǎn)道地藥材忍冬的綠原酸含量普遍高于江蘇、廣西非道地產(chǎn)區(qū)。杜志霞等應(yīng)用1HNMR 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了藥典收載大黃3 品種及混偽品的快速鑒定，芳香類(lèi)化合物主要信號(hào)峰可用于大黃的指紋鑒別分類(lèi)[59]。譚小燕等建立一種基于氫核磁共振-模式識(shí)別的川麥冬和杭麥冬鑒別方法，1HNMR 測(cè)定樣品的全成分信息，并轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)矩陣，采用模式識(shí)別法中的PCA、PLS-DA 以及HCA進(jìn)行識(shí)別分析[60]；此外，川麥冬和杭麥冬的正丁醇部位的HPLC-ELSD 及HPLC-UV 圖譜有差異，綿陽(yáng)產(chǎn)外形飽滿(mǎn)，總皂苷含量低[61]。張翔通過(guò)HPLC法測(cè)定主產(chǎn)區(qū)的鎖陽(yáng)兒茶素、沒(méi)食子酸和原兒茶酸的含量，結(jié)果表明不同產(chǎn)地鎖陽(yáng)品質(zhì)生態(tài)型多樣性，且呈現(xiàn)東西地帶性，其中青海含量最高，甘肅最低[62]。劉玉萍，羅集鵬，等[63]根據(jù)揮發(fā)油差異將藿香分為廣藿香酮PO 型和廣藿香醇PA 型兩大化學(xué)型。廣東廣州地區(qū)與肇慶地區(qū)為PO 型，廣藿香酮pogostone 為主（＞30%），廣東湛江地區(qū)及海南地區(qū)為PA 型，廣藿香醇pathchouliol為主（36-37%）。不同產(chǎn)地魚(yú)腥草揮發(fā)油主要有效成分含量也呈現(xiàn)變異。李曉寧等[64]研究表明湘產(chǎn)魚(yú)腥草揮發(fā)油中含量較高的成分為β-蒎烯(26.47%)、α-蒎烯(12.93%)、月桂烯(12.53%)，郝小燕等[65]發(fā)現(xiàn)黔產(chǎn)野生魚(yú)腥草中癸酰乙醛的含量高達(dá)11.23%、甲基正壬酮含量也較高(5.53%)。黔產(chǎn)人工栽培魚(yú)腥草的研究結(jié)果表明甲基正壬酮含量高達(dá)50.18%[66]。人工栽培魚(yú)腥草揮發(fā)油以4－松油醇和癸酸的含量較高，α-蒎烯、β-蒎烯的含量較低[67]（表1）。

1.2 道地藥材性狀品質(zhì)特征研究

道地藥材的外觀品相，即性狀品質(zhì)，包括藥材顏色、大小、質(zhì)地、形狀、味道等，是評(píng)價(jià)和鑒定的中藥材品質(zhì)的重要依據(jù)。老藥工在長(zhǎng)期鑒別工作中積累了大量經(jīng)驗(yàn)鑒別術(shù)語(yǔ)，如三七的主要性狀特征“銅皮、鐵骨、獅子頭”。學(xué)者對(duì)道地藥材的形、色、味等品質(zhì)進(jìn)行了研究。楊慶珍等開(kāi)展基于化學(xué)成分與外觀性狀特征的黃芪生態(tài)型研究，結(jié)果表明黃芪的質(zhì)量與生態(tài)型緊密相關(guān)，黃芪的黃酮類(lèi)成分及黃芪甲苷量高低順序?yàn)楸迼U芪＞直根芪＞二叉芪＞雞爪芪；PCA 分析結(jié)果表明4 種生態(tài)型黃芪可很好地區(qū)分；聚類(lèi)分析結(jié)果顯示直根芪與鞭桿芪聚為一支，質(zhì)量相近、較好；而二叉芪與雞爪芪聚為一支表明兩者質(zhì)量相近、較差[68]。張翔等開(kāi)展了10種貝母類(lèi)藥材品質(zhì)生態(tài)學(xué)研究，以地理生態(tài)分布、性狀及生物堿、核苷類(lèi)化學(xué)成分等品質(zhì)特征，結(jié)合生物計(jì)量學(xué)方法，對(duì)《中國(guó)藥典》2015收載貝母類(lèi)藥材進(jìn)行分析。建議湖北貝母，浙貝母可以歸為浙貝系，伊貝母，平貝母，川貝母等可以歸為川貝系，對(duì)同類(lèi)多基原品種中藥的“分與合”及貝母資源合理開(kāi)發(fā)利用提供依據(jù)[69]。任偉光基于勞爾比色卡考察了當(dāng)歸顏色與道地性，發(fā)現(xiàn)阿魏酸、洋川芎內(nèi)酯A、藁本內(nèi)脂L 和丁烯基苯酞成正相關(guān)，而正丁基苯酞與顏色不呈相關(guān)[70]。王增繪考察了當(dāng)歸品質(zhì)與商品規(guī)格的相關(guān)性，結(jié)果表明商品等級(jí)均重量、阿魏酸和苯酞類(lèi)成分含量呈顯著負(fù)相關(guān)；平均重量與活性成分無(wú)相關(guān)[71]。學(xué)者還應(yīng)用快速無(wú)損的電化學(xué)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行道地藥材的品質(zhì)與產(chǎn)地辨識(shí)，如基于電子鼻的仿生技術(shù)及非線性化學(xué)指紋圖譜技術(shù)。鄭司浩等成功應(yīng)用特有“氣味指紋圖譜”和“氣味標(biāo)記”實(shí)現(xiàn)岷歸、云歸、窯歸的產(chǎn)地溯源[72]，魏文龍應(yīng)用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)蒙古黃芪山西、甘肅、內(nèi)蒙古產(chǎn)地溯源[73]。李金花等開(kāi)展了非線性化學(xué)指紋圖譜技術(shù)的不同產(chǎn)地西洋參的鑒別，為快速精準(zhǔn)鑒別提供新方法[74]。

Di Lei 等應(yīng)用生物地理學(xué)方法評(píng)價(jià)道地性藥材，發(fā)現(xiàn)道地藥材更多的使用根與根莖，關(guān)藥大部分使用地下部分，廣藥更多使用全草，與其特有生態(tài)地理格局相關(guān)。百合科、傘形科和毛茛科是道地藥材使用頻率前三的科。道地藥材與藥典收載藥材具有顯著差異，道地藥材與中國(guó)藥典收載藥用植物與尼泊爾、南非開(kāi)普區(qū)域和新西蘭收載植物藥具有顯著差異，中國(guó)與尼泊爾更近，揭示可能與地域毗鄰、地區(qū)文化交流相關(guān)。中國(guó)藥典與中國(guó)植物志相比，收載特有種分別為15%、49%；中國(guó)藥典與道地藥材收載入侵種分別為3%和1%。道地藥材使用更少的本土藥用植物和更多的外來(lái)物種，從而體現(xiàn)了國(guó)際包容性，此外，道地藥材更多使用溫?zé)崴幮运幉?，更少使用有毒藥材，體現(xiàn)其安全性[75]。

表1 道地藥材品質(zhì)生態(tài)特征

2 條形碼及本草基因組學(xué)技術(shù)的道地藥材遺傳品質(zhì)特征研究

2.1 條形碼技術(shù)的道地藥材遺傳品質(zhì)研究

DNA 條形碼技術(shù)通過(guò)比較一段標(biāo)準(zhǔn)化短基因片段實(shí)現(xiàn)物種快速、準(zhǔn)確識(shí)別與鑒定，是近年來(lái)生物分類(lèi)和鑒定的研究熱點(diǎn)[9]。陳士林等推動(dòng)了DNA條形碼在中藥分子鑒定的應(yīng)用，提出ITS2序列的藥用植物鑒定通用條形碼序列，并建立以ITS2 為核心、psbA-trnH 為補(bǔ)充的植物藥DNA鑒定體系[10]。已完成200多種道地藥材及千余種混偽品的DNA 條形碼鑒定，出版了《中藥材DNA 條形碼分子鑒定》，藥材DNA 條形碼鑒定指導(dǎo)原則納入《中國(guó)藥典》。在道地性的種下等級(jí)鑒定的分子條形碼標(biāo)記主要有核糖體DNA(nrDNA)的18S rRNA 基因和內(nèi)轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)(ITS)非編碼區(qū)序列、葉綠體DNA(cpDNA)的psbA-trnH 非編碼區(qū)序列和matK 序列。psbA-trnH 非編碼區(qū)序列為葉綠體基因9 個(gè)間隔區(qū)之一，編譯速度較快，能很好地鑒別種內(nèi)差異。表2歸納了基于條形碼技術(shù)的道地藥材的鑒定。黃林芳等[11]發(fā)現(xiàn)肉蓯蓉不同產(chǎn)地psbA-trnH 序列位點(diǎn)存在差異，新疆產(chǎn)肉蓯蓉在191位點(diǎn)為G，內(nèi)蒙古產(chǎn)則為A。李琳等[12]發(fā)現(xiàn)psbA-trnH 序列能有效鑒別山西、內(nèi)蒙古與甘肅不同產(chǎn)區(qū)蒙古黃芪。劉霞等[13]發(fā)現(xiàn)不同產(chǎn)地麥冬psbA-trnH 序列102bp 有穩(wěn)定的變異位點(diǎn)，川麥冬為堿基A，浙麥冬為堿基G，表明了不同道地產(chǎn)區(qū)浙麥冬和川麥冬的生態(tài)型差異。matK 基因位于葉綠體trnK 基因長(zhǎng)約1550 bp內(nèi)含子中，編碼一種參與RNA 轉(zhuǎn)錄體中II 型內(nèi)含子剪切的成熟酶，是葉綠體基因組的蛋白編碼區(qū)中進(jìn)化最快的基因之一。羅集鵬等[14]應(yīng)用PC R直接測(cè)序技術(shù)發(fā)現(xiàn)道地藥材南藥廣藿香廣東石牌、高藥、湛江等不同道地產(chǎn)地的matK 基因序列存在47個(gè)變異位點(diǎn)。

表2 條形碼技術(shù)的道地藥材鑒定

ITS 區(qū)既具有核苷酸序列的高度變異性，又有長(zhǎng)度上的保守性，能提供豐富的遺傳信息。在研究屬內(nèi)種間和較近屬間關(guān)系時(shí)都表現(xiàn)出較高的趨異率和信息位點(diǎn)百分率，對(duì)揭示異域或間斷分布居群間的關(guān)系具有重要作用，因此是道地藥材產(chǎn)地溯源的有效手段。黃林芳等[15]對(duì)新疆、內(nèi)蒙古、甘肅等不同主產(chǎn)地鎖陽(yáng)的ITS 序列進(jìn)行了測(cè)定，并進(jìn)行單核苷酸多態(tài)性(SNP)分析。發(fā)現(xiàn)鎖陽(yáng)ITS 序列5’端起第295 位、第455 位、第571 位和第572 位存在4 個(gè)穩(wěn)定的SNP 特征位點(diǎn)。利用SNP 位點(diǎn)設(shè)計(jì)了鑒別道地鎖陽(yáng)的特異性PCR 引物可精準(zhǔn)鑒定出新疆塔城產(chǎn)鎖陽(yáng)。李琳等[16]發(fā)現(xiàn)黃花蒿ITS 序列，以秦嶺-淮河為界，南方以武陵山區(qū)為中心呈現(xiàn)更豐富的單倍型及遺傳多樣性。楚惠媛等[17]對(duì)甘肅產(chǎn)岷縣與漳縣產(chǎn)當(dāng)歸進(jìn)行ITS 序列分析顯示，岷縣產(chǎn)ITS 序列第586 位為C，589 位為T(mén)，而漳縣則為T(mén) 和G，認(rèn)為該2 個(gè)堿基可能成為“岷歸”的堿基鑒別位點(diǎn)。羅洪斌等[18]通過(guò)PCR直接測(cè)序分析nrDNA-ITS區(qū)序列建立了野生與栽培種板橋黨參的分子方法，發(fā)現(xiàn)野生種在ITS2區(qū)第517bp和528bp位出現(xiàn)兩個(gè)遺傳變異位點(diǎn)N。丁小余等[19]運(yùn)用PCR直接測(cè)序法研究了鐵皮石斛主產(chǎn)區(qū)廣西，貴州，云南F 型(楓斗型)和H 型非楓斗型)居群rDNA ITS（ITS1，5.8SrDNA ITS2）堿基序列的差異。發(fā)現(xiàn)F型居群與H型居群植株的rDNA ITS區(qū)堿基序列有2 個(gè)單核苷酸多態(tài)（SNP）位點(diǎn)差異。余永邦等[20]對(duì)采自道地與非道地共計(jì)14 個(gè)產(chǎn)區(qū)的太子參進(jìn)行ITS基因的PCR擴(kuò)增和測(cè)序。序列分析表明道地與非道地產(chǎn)區(qū)序列特征差異顯著，同的變異，堿基變異數(shù)目(包括58S 編碼區(qū))為1-17 個(gè)，且一地區(qū)野生與栽培居群呈現(xiàn)差異，說(shuō)明海拔、土壤等環(huán)境因子對(duì)基因分化有影響。周聯(lián)等[21]用ITS全序列鑒別廣東、云南等不同道地產(chǎn)區(qū)陽(yáng)春砂。結(jié)果表明ITS-1序列能對(duì)陽(yáng)春砂的道地性作出鑒別，序列堿基差異最大5 個(gè)，ITS-2 差異小。劉玉萍等[22]應(yīng)用PCR直接測(cè)序技術(shù)發(fā)現(xiàn)對(duì)廣東石牌、高藥、湛江等不同道地產(chǎn)地的廣藿香的18S rRNA基因存在7個(gè)變異位點(diǎn)。結(jié)合有關(guān)揮發(fā)油化學(xué)組成數(shù)據(jù)，為廣藿香的物種鑒定和道地性評(píng)價(jià)提供了分子依據(jù)（表1）。

2.2 本草基因組學(xué)技術(shù)的道地藥材遺傳品質(zhì)研究

2010年，陳士林等提出對(duì)重大經(jīng)濟(jì)價(jià)值和典型次生代謝途徑的大宗道地藥材進(jìn)行的全基因組測(cè)序和后基因組學(xué)研究“本草基因組學(xué)計(jì)劃”[23]。本草基因組學(xué)是從基因組水平研究道地藥材及其對(duì)人體作用的一門(mén)前沿學(xué)科，利用組學(xué)技術(shù)研究道地藥材基原物種的遺傳信息和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，闡明中藥防治人類(lèi)疾病的分子機(jī)制[24]。包括從基因組水平研究道地藥材的結(jié)構(gòu)基因組和功能基因組、轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組、代謝組、表觀基因組、宏基因組、生物信息學(xué)等。2015 年《Science》增刊詳述“本草基因組解讀傳統(tǒng)藥物的生物學(xué)機(jī)制”，提出本草基因組學(xué)為道地藥材研究、藥用模式生物、基因組輔助育種、DNA 鑒定、基因數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建等提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐，是從分子水平上解析道地藥材的前提和基礎(chǔ)，對(duì)道地藥材研究產(chǎn)生巨大影響。國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)展道地藥材西洋參、丹參、甘草、青蒿的大規(guī)模轉(zhuǎn)錄組研究[25,26,27,28]，完成了人參、丹參、靈芝等多種道地藥材cDNA 文庫(kù)構(gòu)建，發(fā)現(xiàn)大量SSRs 等遺傳標(biāo)記位點(diǎn)及生態(tài)環(huán)境響應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子，謝冬梅等[29]對(duì)安徽產(chǎn)道地藥材“鳳丹”開(kāi)展了基于高通量測(cè)序的根皮的轉(zhuǎn)錄組分析，結(jié)果表明傳統(tǒng)道地產(chǎn)區(qū)安徽省銅陵市鳳凰山與非道地產(chǎn)區(qū)亳州產(chǎn)差異表達(dá)基因顯著。完成川貝母、玉蘭、厚樸、五味子等多種藥用植物的葉綠體全基因組測(cè)序，李秋實(shí)等首次提出利用單分子測(cè)序技術(shù)的環(huán)狀一致測(cè)序策略快速準(zhǔn)確獲得高準(zhǔn)確度葉綠體基因組的方法。完成了赤芝、紫芝、丹參及鐵皮石斛等基因組測(cè)序[30,31,32,33]，人參、苦蕎麥、穿心蓮、紫蘇等基因組圖譜繪制。徐江等應(yīng)用光學(xué)圖譜和新一代測(cè)序技術(shù)完成染色體水平靈芝基因組精細(xì)圖譜，發(fā)現(xiàn)靈芝三萜合成上游途徑中所有的酶基因及數(shù)百個(gè)下游途徑中修飾酶的候選基因。研究顯示靈芝基因組大小約43.3Mb，由13條染色體組成，編碼16，113 個(gè)預(yù)測(cè)基因，全基因組解析推動(dòng)靈芝成為道地藥材活性成分生物合成研究的首個(gè)藥用模式真菌，該成果是道地藥材成因研究的突破性進(jìn)展，為解析中藥道地性的遺傳機(jī)制奠定基礎(chǔ)。丹參基因組的發(fā)表推動(dòng)首個(gè)藥用模式植物研究體系的確立。表觀組學(xué)是后基因組時(shí)代探索功能基因表達(dá)模式變異的手段之一，袁媛等[34]闡述了表觀遺傳在道地性形成的中藥作用，認(rèn)為表觀遺傳突變速率高于基因突變，環(huán)境是道地藥材形成的主要?jiǎng)恿Γ碛^遺傳學(xué)在道地性研究具有重要潛力。

陳曉辰等[35]闡述了宏基因組學(xué)在道地藥材研究的應(yīng)用，認(rèn)為宏基因組學(xué)是一種整體性的研究策略，根際微環(huán)境在道地藥材形成及藥用植物次生代謝產(chǎn)物形成作用重大。董琳琳等[36]應(yīng)用宏基因組學(xué)方法解析三七重茬微生物學(xué)成因，研究表明三七種植后的土壤真菌多樣性下降；尖孢鐮刀菌是導(dǎo)致三七幼苗死亡的根腐病病原體。孫海峰等[37]應(yīng)用核糖體內(nèi)轉(zhuǎn)錄間隔序列法（Automated ribosomal intergenic spacer analysis，ARISA）建立道地藥材山西渾源黃芪的根際微生物菌群指紋圖譜，研究發(fā)現(xiàn)道地產(chǎn)區(qū)與非道地產(chǎn)區(qū)的黑龍江、甘肅隴西黃芪根際微生物菌群結(jié)構(gòu)差異顯著。為研究道地黃芪品質(zhì)形成提供科學(xué)依據(jù)。王程成等[38]提出了道地藥材品質(zhì)形成機(jī)制的組學(xué)研究策略，認(rèn)為道地藥材的品質(zhì)形成涉及基因遺傳到最終產(chǎn)物代謝表型，組學(xué)技術(shù)適用于揭秘道地藥材復(fù)雜的品質(zhì)形成機(jī)制。本草基因組學(xué)為道地藥材的深入研究提供技術(shù)和數(shù)據(jù)支持。

3 GIS 技術(shù)為核心的道地藥材生態(tài)適宜及生態(tài)品質(zhì)特征

3.1 道地藥材生態(tài)品質(zhì)特征研究

特定生態(tài)環(huán)境是影響道地藥材品質(zhì)的重要因素。影響道地藥材品質(zhì)的關(guān)鍵生態(tài)因子對(duì)揭示優(yōu)質(zhì)性

與特有性具有重要價(jià)值。學(xué)者對(duì)西洋參、人參進(jìn)行品質(zhì)特征、生態(tài)特征及相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)溫度是影響人參皂苷富集的關(guān)鍵生態(tài)因子，適度低溫有利人參皂苷富集[39,40]。日照時(shí)數(shù)、海拔、年降水量是影響羌活醇、異歐前胡素累積的主要因素[41]。偏最小二乘回歸法（PLS）分析表明土壤類(lèi)型與鐵皮石斛多糖富集正相關(guān)，年降水量與金釵石斛中石斛堿含量正相關(guān)，溫度與鼓槌石斛中毛蘭素含量相關(guān)[38]。濕度、光照、年降水量與黃花蒿中青蒿素含量顯著相關(guān)[16,43]。黃芩中黃芩苷等多數(shù)化學(xué)組分與緯度成負(fù)相關(guān)，與溫度成正相關(guān)[44]。氣壓、相對(duì)濕度和溫度與掌葉大黃活性成分含量呈正相關(guān)[45]。典型相關(guān)分析表明，秦艽中龍膽苦苷含量與溫度、氣壓顯著正相關(guān)，馬錢(qián)苷酸與年降水量呈顯著正相關(guān)。溫度、氣壓和降水量是影響秦艽品質(zhì)的關(guān)鍵氣候因子[46]。年均相對(duì)濕度、年日照時(shí)數(shù)是影響黃芪中黃芪甲苷及黃酮類(lèi)成分和黃芪多糖的關(guān)鍵生態(tài)因子[12]，F(xiàn)e、B 等無(wú)機(jī)元素能鑒定黃芪道地產(chǎn)區(qū)與非道地產(chǎn)區(qū)[47]。降水和溫度是影響當(dāng)歸中阿魏酸累積的關(guān)鍵生態(tài)因子，適當(dāng)升高種植海拔、增加降水量和濕度有利阿魏酸累積[48]。

3.2 GIS核心技術(shù)的生態(tài)適宜性與區(qū)劃研究

地理信息系統(tǒng)(GlS)是指在計(jì)算機(jī)軟硬件及網(wǎng)絡(luò)支持下，應(yīng)用計(jì)算機(jī)學(xué)、數(shù)學(xué)、拓?fù)鋵W(xué)、系統(tǒng)工程學(xué)、地理學(xué)等學(xué)科中的理論和方法，按照空間位置對(duì)各種基礎(chǔ)地理信息進(jìn)行輸入、存儲(chǔ)、更新、查詢(xún)、分析、應(yīng)用、顯示和制圖的技術(shù)系統(tǒng)。GIS具有強(qiáng)大的空間分析功能和數(shù)據(jù)管理能力，已被廣泛應(yīng)用精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、土地利用和國(guó)土資源動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中。中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院藥用植物研究所與中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院、中國(guó)藥材集團(tuán)公司合作研發(fā)了“中藥材產(chǎn)地適宜性分析地理信息系統(tǒng)”(TCMGIS)，引入GIS，并將地理信息學(xué)、氣象學(xué)、土壤學(xué)、生態(tài)學(xué)、中藥資源學(xué)學(xué)等多學(xué)科的理論和方法有機(jī)結(jié)合，應(yīng)用于中藥材產(chǎn)地生態(tài)適宜性分析和數(shù)值區(qū)劃。但研究平臺(tái)中的氣候數(shù)據(jù)庫(kù)的時(shí)間截止2000年，難以全面反映當(dāng)前生態(tài)環(huán)境;有些物種選擇的道地產(chǎn)區(qū)和主產(chǎn)區(qū)樣點(diǎn)數(shù)量有限，且一些較早采集的標(biāo)本缺乏經(jīng)緯度、很難驗(yàn)證其采樣點(diǎn)的準(zhǔn)確性，導(dǎo)致所提取的生態(tài)因子數(shù)據(jù)代表性不強(qiáng)，易出現(xiàn)不準(zhǔn)確;數(shù)據(jù)運(yùn)算采用中值法，不能充分體現(xiàn)藥用植物的生長(zhǎng)發(fā)育特點(diǎn)和生物學(xué)特性。因此，中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院中藥研究所在Worldclim、CliMond、HWSD等國(guó)際數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了“藥用植物全球產(chǎn)地生態(tài)適宜性區(qū)劃信息系統(tǒng)”(global geographic information system for medicinal plant，GMPGIS)，利用該系統(tǒng)的整合數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行藥用植物采樣點(diǎn)的分析提取，針對(duì)藥用植物生長(zhǎng)發(fā)育特點(diǎn)獲得適宜其生長(zhǎng)的各主要?dú)夂蛞蜃娱撝导巴寥李?lèi)型，并據(jù)此計(jì)算分析得到適宜藥用植物生長(zhǎng)的范圍，最終以可視化地圖的方式呈現(xiàn)。并出版了《中國(guó)藥材產(chǎn)地生態(tài)適宜性區(qū)劃》專(zhuān)著[49]。

采用GMPGIS平臺(tái)完成了黃花蒿、人參、三七等重要道地藥材的全球產(chǎn)地生態(tài)適宜性分析與區(qū)劃，以道地產(chǎn)區(qū)、野生分布區(qū)及當(dāng)前主產(chǎn)區(qū)的生態(tài)因子為依據(jù)，通過(guò)生態(tài)相似性分析獲得黃花蒿、人參、三七等在全球范圍內(nèi)的最大生態(tài)相似度區(qū)域。結(jié)果表明優(yōu)質(zhì)黃花蒿在中國(guó)全球（77%）適宜分布，中國(guó)最大，美國(guó)與巴西有少量分布[50]。人參全球最佳生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)和潛在種植區(qū)主要包括美國(guó)、加拿大、中國(guó)、俄羅斯、日本等國(guó)家，人參在中國(guó)的生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)主要包括東北三省、陜西等省區(qū)[51]。杜志霞等開(kāi)展了低緯度人參屬瀕危植物竹節(jié)參、珠子參、姜狀三七與屏邊三七的全球生態(tài)適宜性研究。竹節(jié)參及珠子參全球潛在適宜性分布最大的國(guó)家是中國(guó)、美國(guó)。姜狀三七及屏邊三七的全球潛在適宜性分布最大的國(guó)家是中國(guó)、巴西[52]。三七最適宜產(chǎn)區(qū)所占區(qū)域超過(guò)全球最適栽培區(qū)面積的70%是中國(guó);美國(guó)、巴西等國(guó)家亦有少量最適栽培區(qū)域，在中國(guó)最適栽培區(qū)主要為云南、廣西等省區(qū)，該研究結(jié)果與近年三七主產(chǎn)區(qū)及種植新區(qū)發(fā)展相吻合，并從品質(zhì)生態(tài)學(xué)角度歸納闡述了產(chǎn)地、光、熱、水、土壤等因素對(duì)三七品質(zhì)的影響[53]。張翔等開(kāi)展了莽草酸原料八角屬15 種藥用植物的全球生態(tài)適宜性分析。結(jié)果表明莽草酸主要來(lái)源植物八角茴香的主要潛在適應(yīng)性分布區(qū)是中國(guó)，越南和巴西有少數(shù)分布。紅茴香、大八角、野八角等5種八角屬植物生態(tài)閾值范圍廣。15 種藥用八角屬植物在中國(guó)的潛在分布區(qū)面積位居榜首。美國(guó)位居第二。為藥用八角屬植物的合理開(kāi)發(fā)和利用提供參考，對(duì)推動(dòng)莽草酸的生產(chǎn)和保障達(dá)菲的需求起到重要作用[54]。吳杰開(kāi)展了紫杉醇原料藥紅豆杉屬12 種植物全球生態(tài)適應(yīng)性分析，結(jié)果表明紅豆杉、南方紅豆杉、歐洲紅豆杉的生態(tài)閾值范圍廣，東北紅豆杉主要分布北半球，密葉紅豆杉為小生境物種，在全球僅零星分布[55]，為指導(dǎo)全球范圍內(nèi)生產(chǎn)基地合理布局、引種繁育等提供依據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

綜上，道地藥材品質(zhì)生態(tài)策略的核心學(xué)術(shù)概念經(jīng)歷了科學(xué)假說(shuō)提出、驗(yàn)證并提升到理論體系，得到學(xué)界重視，在肉蓯蓉、西洋參、黃花蒿等幾十種重要道地藥材研究中得到應(yīng)用。圖1展現(xiàn)了基于品質(zhì)生態(tài)策略的中藥材道地性研究思路。創(chuàng)建從液相色譜、光譜等多種聯(lián)用的分析化學(xué)技術(shù)到生物地理、

系統(tǒng)進(jìn)化技術(shù)，從短序列的條形碼基因到全基因組、葉綠體全基因組等組學(xué)技術(shù)，從中國(guó)地區(qū)的TCMGIS到全球GMPGIS產(chǎn)地生態(tài)適宜性技術(shù)等，形成了一套集成創(chuàng)新技術(shù)體系，建立了化學(xué)-遺傳-生態(tài)多維特征結(jié)合的道地藥材評(píng)價(jià)新方法（圖1）。厘定了常用道地藥材的遺傳、生態(tài)及化學(xué)品質(zhì)特征,為優(yōu)質(zhì)道地藥材標(biāo)準(zhǔn)制定奠定基礎(chǔ)（表1）；獲得了大批道地藥材的轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組、代謝組、表觀基因組、宏基因組的本草基因組學(xué)數(shù)據(jù),為深入解析藥材道地性提供大數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。構(gòu)建了道地藥材面向全球的產(chǎn)地生態(tài)適宜性研究及區(qū)劃分布圖，為道地藥材走向世界提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。建立了針對(duì)道地產(chǎn)區(qū)鑒別的電子鼻、非線性化學(xué)指紋圖譜等電化學(xué)方法，為數(shù)字道地藥材溯源與認(rèn)證提供科學(xué)依據(jù)。

圖1 品質(zhì)生態(tài)策略的中藥材道地性研究

然而，藥材的道地性研究仍存在一些局限。如道地藥材生態(tài)品質(zhì)特征，雖探討了影響品質(zhì)的關(guān)鍵生態(tài)因子，但缺乏基于實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)的進(jìn)一步驗(yàn)證，生態(tài)環(huán)境因子對(duì)品質(zhì)影響的相關(guān)性，都尚停留在相關(guān)關(guān)系，而無(wú)直接因果關(guān)系的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。DNA 條形碼技術(shù)目前只能對(duì)肉蓯蓉、鎖陽(yáng)、麥冬等少數(shù)特殊物種進(jìn)行種下水平的精準(zhǔn)鑒定，在道地產(chǎn)地溯源方面需輔助其他技術(shù)。尚需開(kāi)展基于葉綠體全基因組的meta 條形碼的深入發(fā)掘。產(chǎn)地生態(tài)適應(yīng)性研究?jī)H針對(duì)氣候、環(huán)境等生物學(xué)因素，并未考慮社會(huì)及經(jīng)濟(jì)因素。轉(zhuǎn)錄組、基因組等本草基因組學(xué)數(shù)據(jù)多停留在數(shù)據(jù)分析及描述等資源儲(chǔ)備階段，尚需深入功能驗(yàn)證、挖掘，及多維技術(shù)縱橫聯(lián)合的智能化等開(kāi)發(fā)應(yīng)用階段。

未來(lái)，道地藥材的安全、有效、穩(wěn)定、可控、可追溯依然是研究的重點(diǎn)，使其特殊的遺傳品質(zhì)、生態(tài)特點(diǎn)、化學(xué)品質(zhì)和性狀品質(zhì)可知、可控、可靠與可用。新技術(shù)在道地藥材品質(zhì)評(píng)控的應(yīng)用將進(jìn)一步深化。如系統(tǒng)生物學(xué)思路的基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白組、代謝組、宏基因組、表觀遺傳基因組等“組學(xué)”技術(shù)在道地藥材的應(yīng)用。本草基因組學(xué)研究在道地藥材優(yōu)質(zhì)遺傳信息的揭示與機(jī)制闡述，重要活性產(chǎn)物的生物合成途徑解析及功能基因的發(fā)掘具有顯著優(yōu)勢(shì)，而基因組輔助分子鑒定、分子育種及新品種選育是防止道地產(chǎn)區(qū)品種種質(zhì)退化、質(zhì)量下降的有效措施及未來(lái)研究方向?；诖x組的全基因組關(guān)聯(lián)分析(m GWAS)探究代謝物生物合成途徑中潛在遺傳基礎(chǔ)，發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵酶基英，為挖掘“道地基因（群）”提供基礎(chǔ)。此外，數(shù)字技術(shù)及人工智能在道地藥材標(biāo)準(zhǔn)化及質(zhì)控的應(yīng)用。1998 年，美國(guó)前副總統(tǒng)戈?duì)柼岢隽恕皵?shù)字地球”，促進(jìn)了信息數(shù)字化發(fā)展。“數(shù)字中醫(yī)藥”通過(guò)現(xiàn)代信息技術(shù)，采集各種中醫(yī)藥數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，通過(guò)海量數(shù)據(jù)建立了中醫(yī)藥信息平臺(tái)。道地藥材標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建及機(jī)器深度學(xué)習(xí)技術(shù)的成熟為人工智能應(yīng)用提供了條件。如基于電化學(xué)及仿生技術(shù)的人工智能感官技術(shù)，能模擬人體真實(shí)感官的功能，在藥學(xué)領(lǐng)域方興未艾，電子鼻、電子舌、電子眼及電子皮膚等技術(shù)，在道地藥材外觀品相與內(nèi)在品質(zhì)鑒定、成分定性定量分析、質(zhì)量控制及炮制工藝評(píng)價(jià)、產(chǎn)地溯源等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和巨大潛能，同時(shí)人工智能感官多技術(shù)之間及與多維“組學(xué)”等現(xiàn)代生物技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，能整合形成一套道地藥材質(zhì)控人工智能系統(tǒng)，為道地藥材研究提供新方法與新思路。