本草基因组学发展与应用 陈士林

陈士林中国中医科学院中药研究所InstituteofChineseMateriaMedicaCACMS23药用植物模式物种：草药研究平台本草基因组学连接传统到现代草药的桥梁Herbgenomics:解读草药生命密码Science,347:s27-28,2015本草基因组揭示中药生物学机制三七分子辅助育种紫苏分子辅助育种灵芝成为首个药用模式真菌NatCommun,2012FEATUREDIMAGE：灵芝是研究中药次生代谢途径及其调节令人满意的模式体系Nature网站推介为中国大陆和香港地区亮点研究USATODAY以“揭秘中国仙草基因组”为题报道该研究缺乏模式生物严重阻碍中药研究灵芝药用模式真菌研究体系,突破中药研究缺乏模式生物的瓶颈建立药用模式生物研究策略，推动中药资源研究进入生命科学前沿Science增刊本草基因组学将组学技术全面引入中药研究ShilinChen,etal.Herbalgenomics:Examiningthebiologyoftraditionalmedicines.Science,347:s27-28,2015紫芝基因组分析发现真菌防御与其次生代谢调控紧密相关SciRep,5:11087,2015赤芝组学分析发现RNA编辑参与转录后调控Genetics,196,1047-57,2014组学指导灵芝栽培体系优化福建、湖北等省栽培基地中药研究植物和农学研究本草基因组学建立药用模式生物研究体系RNA-editinginterpenoidssynthesisThecharacterizationofGanodermaRNA-editingGenetics,196,1047-57,2014Curr.Microbiology,2013GanodermacultivationbasementconstructionunderthedirectionofgenomeinformationSecondarymetabolismgeneclustersandtheirexpressionGenomicsrevealsthebiologicalmechanismofLinzhiWebofScience检索：国际上近五年灵芝论文引用数排名第一与广药集团开展中药资源研究战略合作，共同解析丹参基因组高杂合度，高复杂度丹参基因组的测序和组装完成，为其他药用植物基因组解析提供了可行的研究策略第三代转录组研究揭示丹参活性成分合成的分子机理PlantJ,82:951-961,2015IF:6.96丹参二萜合酶功能多样性研究揭示丹参酮骨架合成机制PlantPhysiol,doi:10.1104,2015IF:8.03基因组数据发掘发现多个与萜类和酚酸类合成相关基因JEB,63,2809-23,2012IF:6.31;Planta,2015发掘鉴定在小RNA沉默通路中发挥关键作用的丹参DCL、RDR和AGO家族SciRep,5,9891,2015IF:5.59BMCGenomics,2013;Planta,2015分析bHLH、WRKY、MYB等转录因子对丹参活性成分的调控作用SciRep,5,11244,2015IF:5.59BMCGenomic,2015;MolPlant2016IF:7.2丹参基因组揭示生长素调控生长发育的机理等BiologyOpen2016选育丹参雄性不育系，突破中药材杂种优势育种技术难题“中丹1号”、“中丹2号”通过新品种鉴定药植所丹参新品种鉴定会丹参基因组揭示活性成分合成途径推动丹参育种研究MolPlant,2016•中药比较转录组研究为中药功能基因组研究提供有效候选基因•基于转录组数据发掘的SSR是分子育种研究中的有效分子标记转录组学研究有效候选基因和发掘分子育种标记三七组学研究加新快品种选育推动连作障碍克服三七根茎转录组获得30,852条单一序列，其中70.2%为注释序列，挖掘11条参与三萜皂苷生物合成途径的基因BMCGenomics,12:S5,2011克隆并确定三七皂苷合成途径关键基因Gene，533:295-303,2013克隆三七中编码鲨烯环氧酶的基因(PnSE1、PnSE2),并检测其在三七不同组织部位表达模式药学学报，2:211-218,2013获得编码三七甲羟戊酸途径限速酶MVK1(PnMVK1)基因的全长cDNA序列，完成蛋白结构及表达谱分析药学学报，8:1092-1097,2012土壤宏基因组揭示三七连作障碍---真菌多样性下降微生物群落失衡病原菌增加SciRep，6:31802,2016建立田间检测根结线虫病害的技术体系。EurJPlantPathol,137:667-675,2013克服三七连作障碍的综合策略—土壤复合处理+绿肥回田+生物菌剂+抗病品种系统选育结合基因组学方法选育首个三七抗性新品种“抗七1号”品种田间鉴定农家品种抗病品种田间鉴定汇报会自然病圃中获得母本，经人工病圃纯化后，建立抗病群体采用(RAD-Seq)测序技术筛选抗病株的特异SNP位点辅助系统选育通过传统的单株选育及集团选育并结合现在分子生物学技术，有效缩短三七选育年限加快育种进程。M1234567891012345678910CK400bp抗性400bpM12345678910CK12345678910抗性400bp对照群体400bpM1234567891012345678910CK对照群体三七根腐病的发病率下降了62.9%，有显著的抗病性抗性群体包含12个特异的SNP位点，具有特异的基因型首个三七抗病新品种2016年9月，通过植物新品种登记专家田间鉴定、评审，命名为“苗乡抗七1号”三七研究工作获得各方高度关注陈士林院士工作站在苗乡三七科技园挂牌中国中医科学院中药研究所三七研究基地在文山学院三七研究院挂牌成立利用高通量测序技术研究人参属植物，揭示人参皂苷的潜在合成基因利用转录组技术揭示人参根茎叶花基因表达模式；结合亚细胞定位，克隆鉴定人参抗逆基因PqWRKY1针对参地紧缺问题，建立人参平地栽培创新模式系统选育第一个人参新品种“新开河1号”（建和）宏基因组监测人参土壤微生物群落动态，发现随着种植年限增加，低丰度细菌群落变化显著提出土壤理化性质恶化-益生菌减少-参地化感物质增加的人参连作障碍可能机制通过原产地土壤细菌分离，开发人参栽培新型菌剂×30,0000.5μmBMCGenomics，2013PlantCellTissOrganCult,2013PlantCellRep，2013基因组学研究助力人参现代化栽培体系建立全基因组物理图谱解析濒危穿山甲基因组中国经济网2017-01-03首次使用特异性单链酶切光学物理图谱技术对大型哺乳动物全基因物理图谱层次的比较。提供了更长、更完整的基因组结构信息，有助于基因组大片段结构变异和物种间独特进化关系分析。辅助基因组序列的拼接，在基因组层面挖掘穿山甲生长发育、甲片形成等机制，对穿山甲品种鉴定、遗传背景解析、选种育种及人工繁育提供理论依据。HuangZhihaiXujiang..2016,GigaScienceABC本草基因组学中药合成生物学•从解读生命到书写和编辑生命•陈士林等，药学学报，2012，47（8）：1070-1078•青蒿素的半生物合成实现工业化生产DKRo,etal.Nature,2006；PaddonCJ,etal.Nature,2013•在酵母中生物合成阿片类药物被Science杂志评选为2015年10大科学突破之一•GalanieS,etal.Science,2015青蒿酸产量达到25g/L重构蒂巴因的21个合成步骤和氢可酮的23个合成步骤道地药材概述Menthahaplocalyx薄荷Fritillariacirrhosa川贝母ArtemisiaannuaL.黄花蒿RadixGlycyrrhizae甘草Panaxginseng人参提出道地药材生态型假说生态型是道地药材形成的生物学实质生态型的划分有气候、化学、品种生态型等揭示道地药材遗传特征基因揭示肉苁蓉、麦冬道地药材独特基因R21R41R31R1112345678910111213141516肉苁蓉道地化学特征标记2′-乙酰基毛蕊花糖苷（2′-acetylacteoside）高－内蒙古产肉苁蓉；无－新疆产肉苁蓉基于代谢组学揭示道地药材化学特征标记药学学报,2013,48(4):580-589国产西洋参关外型和关内型两大化学生态型建立自动顶空固相微萃取（HS-SFME）结合GC-MS方法鉴定当归道地性，主成分及聚类分析均能鉴别道地与非道地当归5个成分为道地与非道地当归的指标成分基于代谢组学揭示道地药材化学特征标记建立超高效液相色谱-二极管阵列-飞行时间质谱鉴定茯苓道地性鉴定出31个三萜化合物和其中10个指标性成分可用于茯苓的真伪鉴别和质控ContributorstoclassificationFoodchemistry,186:200-206(2015)FoodChemistry,152:237-244(2014)基于生态多维数据库与挖掘技术的道地药材生态特征以赤道为中心轴，南纬30°北纬30°附近地区为黄花蒿气候生态适宜区域最暖季温度和降水是影响黄花蒿的主要影响因子新疆伊犁塔城地区气候温和，雨量充沛是新疆野生药材如锁阳等主要分布区域基于高光谱遥感技术的道地药材光谱特征中国中药杂志,2014,39(3):427-432解译出四川白河牧场大黄资源量约为35万株左右E-CAM,2014叶绿素含量是影响不同生长期甘草反射率的主要因素（可见光波段范围内）不同生长期、品种、地区的甘草反射光谱不同野生大黄最佳遥感监测时间窗为7月上旬遥感影像确定白河牧场面积为445km2与实际面积误差率为3%提出中药品质生态学研究道地药材的新体系品质品质生态关系生态适宜区划分布生态关系理论技术方法开发利用中药品质生态学核心生态思维道地药材中国实验方剂学杂志,2016,12应用生态思维理念保障与提高道地药材品质LAMP技术中药材快速鉴别标准化检测流程。Rapidauthenticationofthepreciousherbsaffronbyloopmediatedisothermalamplification(LAMP)basedoninternaltranscribedspacer2(ITS2)sequenceSci.Rep.6,25370;(2016)西红花市售价格昂贵，伪品及掺伪现象十分严重。常见混伪品红花（Carthamustincrorius）；金盏花（Calendulaofficinalis）；萱草（Hermerocallis）；姜黄（Curcumalonga）；玉米须（Zeamay）；莲须（Nulumbonucifera）；野胡萝卜（Daucuscarota）。西红花样本经LAMP扩增后，目视检测结果为荧光绿色（管T）。阴性对照（ddH2O）LAMP扩增后显示橙色（管N）。西红花ITS2序列与其常见混伪品ITS2序列存在多个变异位点，适合作为靶序列，设计LAMP特异性扩增引物。共设计6条引物，分别为：F3,B3,FIP,BIP,LF,LR。西红花原植物药材西红花西红花经LAMP扩增后，呈荧光绿色（1-4）；混伪品样本检测结果为橙色（5-11）。实时浊度仪检测结果同显色结果一致。将西红花DNA模板按倍比稀释进行LAMP扩增,显示最小检测模板含量为100fg/ul。LAMP扩增物种特异性检测灵敏度检测环介导等温扩增技术（LAMP）快速鉴别西红花及混伪品基于分子身份证鉴定当归及其中成药WangX,LiuY,WangL,HanJ*,ChenS*.ScientificReports,2016,6:34940.分子身份证定义：某物种独有的一段DNA序列原理：具有此分子身份证，则鉴定含有当归实验：通过当归及近缘种265份ITS2序列分析，找到了当归独有的SNP，开发了一段37bp的分子身份证，设计特异