肖 瑩，馮婧嫻，陳萬(wàn)生＊＊

（1.上海中醫(yī)藥大學(xué)中藥資源與生物技術(shù)中心 上海 201203；2.第二軍醫(yī)大學(xué)附屬長(zhǎng)征醫(yī)院藥學(xué)部 上海 200003）

道地藥材因其具有優(yōu)良的種質(zhì)資源，產(chǎn)于適宜的生態(tài)環(huán)境，以致較同種藥材在其他地區(qū)所產(chǎn)者臨床功效地道實(shí)在、療效可靠，千百年來(lái)受到藥材市場(chǎng)的推崇。藥材的道地性主要體現(xiàn)在質(zhì)優(yōu)（有效成分含量高）和形優(yōu)（獨(dú)特的生物學(xué)性狀，包括色澤、形態(tài)等）兩個(gè)方面[1]。以三七為例，道地產(chǎn)區(qū)云南文山所產(chǎn)三七的主要有效成分如多糖、三七素、三七皂苷R1、人參皂苷Rgl、Rd以及總皂苷的含量均顯著高于廣西靖西；同時(shí)單株鮮重和產(chǎn)量比廣西靖西的高3-5倍[2]。然而，隨著需求量的增加，道地藥材野生資源日益匱乏，當(dāng)前藥材品質(zhì)低下和資源不可持續(xù)已經(jīng)成為制約中醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展最大的瓶頸[3]。揭示和闡明道地藥材形成規(guī)律及其生態(tài)、生物學(xué)實(shí)質(zhì)，對(duì)道地藥材資源的保護(hù)和開(kāi)發(fā)，發(fā)展中醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)具有重要意義。

道地藥材獨(dú)特品質(zhì)的形成是特定種質(zhì)與環(huán)境飾變長(zhǎng)期交互作用的結(jié)果，即“表型=基因型+環(huán)境飾變”。優(yōu)良品質(zhì)遺傳基因是道地藥材形成與發(fā)展的內(nèi)在因素。遺傳因素通過(guò)決定“代謝特質(zhì)”與“形態(tài)特征”對(duì)道地藥材品質(zhì)形成發(fā)揮主導(dǎo)作用；環(huán)境因子通過(guò)“調(diào)控基因時(shí)空特異表達(dá)”間接影響藥材品質(zhì)[4]。轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)是植物基因表達(dá)調(diào)節(jié)最重要的環(huán)節(jié)之一。轉(zhuǎn)錄因子作為轉(zhuǎn)錄調(diào)控最重要的成員，在細(xì)胞核內(nèi)特異性識(shí)別并結(jié)合基因啟動(dòng)子上的順式作用元件調(diào)控基因的時(shí)空表達(dá)，發(fā)揮中樞核心調(diào)控作用，參與植物生長(zhǎng)發(fā)育、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、代謝調(diào)控及抗逆反應(yīng)等各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)[5]。越來(lái)越多的報(bào)道表明轉(zhuǎn)錄因子在調(diào)控藥用植物“代謝特質(zhì)”與“形態(tài)特征”方面均發(fā)揮了重要作用，且有些轉(zhuǎn)錄因子可同時(shí)對(duì)兩個(gè)方面發(fā)揮調(diào)控作用從而影響有效成分的合成積累與生物學(xué)形態(tài)的塑造形成。因此，轉(zhuǎn)錄因子有可能是道地藥材“質(zhì)優(yōu)”與“形優(yōu)”的關(guān)聯(lián)紐帶之一，為從分子層面闡述道地藥材形成規(guī)律和內(nèi)在機(jī)制，進(jìn)而開(kāi)展藥材品質(zhì)提升和資源保障提供了重要的切入點(diǎn)（圖1）。

圖1 轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控中藥材質(zhì)量形成的作用

1 轉(zhuǎn)錄因子對(duì)藥用植物“代謝特質(zhì)”的調(diào)控作用

中藥有效成分是中藥具有確切臨床療效的物質(zhì)基礎(chǔ)。有效成分的有無(wú)（真?zhèn)危┒喙眩▋?yōu)劣）是中藥品質(zhì)的核心部分，有效成分的含量已成為評(píng)價(jià)中藥品質(zhì)的主要內(nèi)容和制定質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)[6]。有效成分的高效合成和/或穩(wěn)定積累是道地藥材貨真質(zhì)優(yōu)最重要的因素之一。

中藥有效成分屬于植物次生代謝產(chǎn)物的范疇，包括酚類(lèi)、黃酮類(lèi)、木脂素、生物堿、糖苷、萜類(lèi)、甾類(lèi)、皂苷等。這些植物次生代謝產(chǎn)物不僅對(duì)植物自身的生存和生長(zhǎng)具有重要意義，同時(shí)也是中草藥發(fā)揮療效的物質(zhì)基礎(chǔ)，即中藥有效成分[7]。例如：萜類(lèi)化合物青蒿素是植物青蒿抗瘧疾的有效成分；生物堿類(lèi)化合物鹽酸小檗堿是黃柏治療腹瀉的有效成分；丹參酮和丹參酚酸類(lèi)化合物是丹參治療心腦血管疾病的有效成分。

通過(guò)轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控植物次生代謝途徑酶基因表達(dá)，整體激活中藥有效成分生物合成路徑，是實(shí)現(xiàn)中藥有效成分高效合成和定向積累的有效途徑，已取得許多令人興奮的研究進(jìn)展。多種轉(zhuǎn)錄因子如bHLH、bZIP、WRKY、AP2/ERF 等均參與藥用植物中包括萜類(lèi)，生物堿類(lèi)，苯丙烷及其衍生物類(lèi)等多種次生代謝產(chǎn)物的合成積累[8-10]。例如：青蒿中的青蒿素是一種倍半萜類(lèi)化合物，作為目前世界范圍內(nèi)治療瘧疾的首選藥物而受到廣泛關(guān)注，其生物合成途徑逐漸被研究清晰。轉(zhuǎn)錄因子AaERF1 和AaERF2 通過(guò)與青蒿素生物合成途徑關(guān)鍵酶基因ADS 和CYP71AV1的啟動(dòng)子結(jié)合激活青蒿素生物合成途徑，調(diào)控青蒿酸和青蒿素的高效合成[11]；同樣，轉(zhuǎn)錄因子AaORA，AaTAR1，AaGSW1均通過(guò)調(diào)控ADS 和CYP71AV1 的表達(dá)影響青蒿素、青蒿酸和二氫青蒿酸等化合物的生物合成[12]。目前應(yīng)用較廣的天然抗腫瘤成分長(zhǎng)春堿和長(zhǎng)春新堿是來(lái)源于藥用植物長(zhǎng)春花的萜類(lèi)吲哚生物堿，其生物合成受到甲基茉莉酸（MeJA）響應(yīng)的AP2/ERF 轉(zhuǎn)錄因子家族成員ORCA3 的影響。ORCA3 可直接作用生物合成途徑上TDC、STR、CPR等多種關(guān)鍵酶，影響長(zhǎng)春堿和長(zhǎng)春新堿的合成。而bHLH轉(zhuǎn)錄因子BIS1能與環(huán)烯醚萜路徑的G8O 等關(guān)鍵酶基因互作，促進(jìn)長(zhǎng)春花中萜類(lèi)吲哚生物堿的生物合成[13]；本課題組從丹參中分離獲得了信號(hào)分子甲基茉莉酸MeJA 響應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子SmMYC2a 和SmMYC2b，并發(fā)現(xiàn)他們與SmHCT6、SmCYP98A14 等酶互作同時(shí)調(diào)控丹參酚酸類(lèi)和丹參酮類(lèi)成分的生物合成[14]；我們從菘藍(lán)（板藍(lán)根的基源植物）中分離獲得了AP2/ERF轉(zhuǎn)錄因子Ii049，并發(fā)現(xiàn)該轉(zhuǎn)錄因子通過(guò)參與水楊酸SA 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)控落葉松脂素等板藍(lán)根抗病毒活性成分的生物合成[15]。

2 轉(zhuǎn)錄因子對(duì)藥用植物“形態(tài)特征”的調(diào)控作用

道地藥材的品質(zhì)形成是道地藥材的基因型和特定的生態(tài)環(huán)境長(zhǎng)期飾變的共同作用，與非道地藥材相比，通常顯現(xiàn)出獨(dú)特的生物學(xué)性狀。例如，寧夏枸杞較其他產(chǎn)區(qū)者，粒大、色紅、肉厚、質(zhì)柔潤(rùn)、籽少；懷地黃的根更加粗壯；甘肅岷縣的當(dāng)歸主根肥大而長(zhǎng)，支根少而粗壯，內(nèi)外質(zhì)地油潤(rùn)，氣味清香。道地藥材這些獨(dú)特的生物學(xué)性狀與藥材的品質(zhì)密切關(guān)聯(lián)。傳統(tǒng)“辨狀論質(zhì)”方法即是以特定形態(tài)特征作為中藥品質(zhì)評(píng)判的標(biāo)準(zhǔn)，在藥材商品的鑒定、規(guī)格分級(jí)等生產(chǎn)實(shí)踐中廣泛應(yīng)用[16]。以丹參為例，現(xiàn)行的丹參商品規(guī)格，一等品丹參需主根直徑＞1 cm，表面紫紅色或黃紅色，斷面紅色或棕色；二等品則直徑介于0.4-1 cm之間[17,18]。此外，大量丹參種質(zhì)研究發(fā)現(xiàn)，葉型[19,20]；株型[21]；花色[22]等性狀也與丹參的品質(zhì)具有顯著的相關(guān)性。因此，挖掘影響藥材特定形態(tài)特征形成的關(guān)鍵遺傳基因是揭示道地藥材優(yōu)良品質(zhì)形成機(jī)制的重要內(nèi)容之一。

轉(zhuǎn)錄因子對(duì)藥用植物形態(tài)特征的調(diào)控作用近年來(lái)聚焦于青蒿素儲(chǔ)存分泌的產(chǎn)所青蒿腺毛發(fā)育的相關(guān)研究中。青蒿葉片上分布的腺毛發(fā)育增強(qiáng)，密度增大，或者處于分泌期的數(shù)量增多等，都可能提高青蒿中青蒿素的產(chǎn)量。MYB 轉(zhuǎn)錄因子家族成員參與青蒿腺毛的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程，在過(guò)量表達(dá)AaMYB1的青蒿植株中，腺毛的數(shù)量顯著增加[23]；另一個(gè)MYB 家族轉(zhuǎn)錄因子AaMIXTA1主要在分泌型腺毛的兩個(gè)基細(xì)胞中優(yōu)勢(shì)表達(dá)，能夠促進(jìn)分泌型腺毛的生成，增加腺毛的密度[24]；轉(zhuǎn)錄因子AaHD1 通過(guò)參與茉莉酸介導(dǎo)的腺毛生成過(guò)程促進(jìn)腺毛的生成[25]；而AaHD8 不僅能夠直接激活青蒿角質(zhì)層生物合成途徑上的基因，還能促進(jìn)AaHD1的表達(dá)，甚至可以與AaMIXTA1互做形成調(diào)控complex進(jìn)一步促進(jìn)腺毛的生成和角質(zhì)層的形成[26]。本課題組通過(guò)調(diào)控AP2轉(zhuǎn)錄因子AaTAR1促進(jìn)了青蒿腺毛的發(fā)育[27]。以上轉(zhuǎn)錄因子對(duì)青蒿腺毛發(fā)育的調(diào)節(jié)作用，為促進(jìn)青蒿素在青蒿植物中的生物合成創(chuàng)造了良好的條件，均大幅提高了青蒿素的含量。

在一些模式植物的研究中，能夠調(diào)控組織器官生長(zhǎng)發(fā)育的轉(zhuǎn)錄因子也相繼被報(bào)道。其中擬南芥中的LHY 轉(zhuǎn)錄因子能夠影響開(kāi)花時(shí)間[28,29]；而AtMYB35，AtMYB80，AtMYB33，AtMYB65等會(huì)影響花藥的發(fā)育[30-33]；AtMYB26通過(guò)調(diào)控木質(zhì)素的合成影響藥室內(nèi)壁次生壁加厚來(lái)影響花藥開(kāi)裂等多種方式影響花的生長(zhǎng)發(fā)育[34]。轉(zhuǎn)錄因子ABI4通過(guò)誘導(dǎo)一系列脫落酸ABA 相關(guān)反應(yīng)基因的表達(dá)，或與bZIP 轉(zhuǎn)錄因子ABF3 等相互作用影響植物側(cè)根的生成[35,36]。以上研究為揭示紅花、西紅花等以花入藥，丹參、板藍(lán)根等以根入藥的藥材的形態(tài)特征形成機(jī)制提供了有益借鑒，有望通過(guò)轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控獲得與中藥品質(zhì)相關(guān)聯(lián)的預(yù)期生物學(xué)性狀或形態(tài)特征，進(jìn)而達(dá)到中藥品質(zhì)改良和提升的目的。例如，本課題組發(fā)現(xiàn)MADS 轉(zhuǎn)錄因子家族基因AGL6 表達(dá)與西紅花的柱頭發(fā)育密切關(guān)聯(lián)，推測(cè)其可能通過(guò)改變柱頭生物量調(diào)控西紅花酸等藥效成分的生物合成；我們通過(guò)轉(zhuǎn)錄因子IiWRKY34 調(diào)控板藍(lán)根的根系發(fā)育，不僅有效增加了板藍(lán)根的產(chǎn)量，顯著促進(jìn)了抗病毒活性木脂素類(lèi)成分的生物合成，還提高了植物抗鹽、抗旱的能力。

3 小結(jié)與展望

基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、代謝組學(xué)、生物信息學(xué)等組學(xué)技術(shù)和分子生物學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，極大加速了轉(zhuǎn)錄因子的分離、篩選和功能研究的進(jìn)程，也為解密道地藥材品質(zhì)形成機(jī)制復(fù)雜命題帶來(lái)了前所未有的契機(jī)。從轉(zhuǎn)錄因子入手，揭示其對(duì)中藥“代謝特質(zhì)”和“形態(tài)特征”的調(diào)控作用，是解析這一復(fù)雜命題的有效途徑，對(duì)實(shí)現(xiàn)道地藥材種質(zhì)資源保存、選用乃至品質(zhì)提升與遺傳育種具有重要意義。

當(dāng)前，藥用植物野生資源日漸耗竭，人工栽培品已逐漸成為中藥材的主要來(lái)源。針對(duì)當(dāng)前藥材品質(zhì)低下和資源不可持續(xù)的問(wèn)題，如何人為地提高種植藥材的質(zhì)量，保證其與道地藥材的品質(zhì)相類(lèi)同，這是從事中藥材工作的同仁們共同面臨的新課題。本課題組長(zhǎng)期聚焦“基于藥效物質(zhì)的中藥品質(zhì)調(diào)控”研究，秉承“質(zhì)量源于設(shè)計(jì)”的研究理念，形成了“組學(xué)數(shù)據(jù)獲得與挖掘→品質(zhì)形成機(jī)制發(fā)現(xiàn)和驗(yàn)證→目標(biāo)導(dǎo)向的品質(zhì)改良和優(yōu)化→質(zhì)量評(píng)價(jià)→種質(zhì)創(chuàng)新”的中藥材種質(zhì)資源評(píng)價(jià)及創(chuàng)制的研究思路。我們以丹參、板藍(lán)根等大宗藥材為對(duì)象，在闡釋其品質(zhì)形成機(jī)制的基礎(chǔ)上，開(kāi)展優(yōu)良種質(zhì)識(shí)別、培育、種植和推廣研究：將中藥材品質(zhì)關(guān)聯(lián)的遺傳基因（如轉(zhuǎn)錄因子等）作為分子標(biāo)記（Q-Marker），對(duì)種質(zhì)識(shí)別、種苗選育和栽培管理等各關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行全程質(zhì)量監(jiān)控，促進(jìn)植株優(yōu)良性狀的形成，從而實(shí)現(xiàn)藥材品質(zhì)的“精準(zhǔn)調(diào)控”。我們相信，隨著道地藥材品質(zhì)形成機(jī)制的深入研究，轉(zhuǎn)錄因子等遺傳基因?qū)χ兴幤焚|(zhì)調(diào)控作用的逐漸闡明，藥材種植“精準(zhǔn)調(diào)控”技術(shù)的逐步推廣，優(yōu)質(zhì)藥材的獲得模式從“被動(dòng)篩選”向“主動(dòng)創(chuàng)制”的轉(zhuǎn)變將得以實(shí)現(xiàn)。