邹丽秋　匡雪君　李滢　孙超

[摘要] 五加科人参属中含有多种药用植物，其中最著名的是人参，西洋参和三七。随着高通量测序技术的发展，使得转录组测序成为挖掘功能基因、筛选分子标记、阐明代谢途径的有力工具。人参等植物的转录组测序为其功能基因组学等方面的研究提供了丰富的基因信息。该文综述了近年来人参、西洋参、三七转录组的研究进展，重点介绍了人参皂苷合成途径的代谢调控及候选基因的挖掘，以期为这3种药用植物的功能基因组学研究提供借鉴。

[关键词] 人参； 西洋参； 三七； 转录组

Advance in transcriptomic studies of ginseng species

ZOU Liqiu， KUANG Xuejun， LI Ying， SUN Chao*

（Institute of Medicinal Plant Development， Chinese Academy of Medical Sciences and Peking

Union Medical College， Beijing 100193， China）

[Abstract] There are many valuable medicinal plants in Ginseng genus belonging to Araliaceae. Among them， Panax ginseng， P. quinquefolium and P. notoginseng are the most famous species. With the development of nextgeneration sequencing （NGS） technologies， sequencing and analysis of transcriptomes have become powerful tools for discovery of novel genes， screening molecular markers and elucidation of specific biosynthetic pathway of secondary metabolites. Their transcriptomes provided abundant genes for further study on functional genomics. Here this paper summarized the recent advances in the transcriptomic studies of these three medicinal plants， including discovery of novel genes and elucidation of metabolic regulation， which will contribute to functional genomics in ginseng species.

[Key words] Panax ginseng； Panax quinquefolium； Panax notoginseng； transcriptome

doi：10.4268/cjcmm20162209

五加科人参属含有多种药用植物，其中人参、西洋参、三七因其独特的药用价值研究得最为深入。三萜皂苷是这3种药用植物的主要活性成分，到目前为止，已有超过150种人参皂苷从人参属中得到分离[12]。根据苷元结构的不同，可以将人参皂苷分为达玛烷型皂苷和齐墩果烷型皂苷两大类，其中达玛烷型皂苷又可以分为原人参二醇型皂苷和原人参三醇型皂苷[3]。人参皂苷的骨架主要由异戊二烯途径合成，在植物中有2条异戊二烯途径，一条是存在于胞液中的甲羟戊酸（MVA）途径，另一条是存在于质体中的磷酸甲基赤藓糖醇途径（DXP/MEP）。人参皂苷的合成途径可以分为3个阶段：首先乙酰辅酶A转化为IPP和DMAPP，然后IPP和DMAPP在烯丙基转移酶和萜类合酶的作用下形成2，3氧化鲨烯，2，3氧化鲨烯是植物甾醇和三萜皂苷的分支点，最后2，3氧化鲨烯在达玛烷合酶（DS）、P450和糖基转移酶（GT）的作用下生成达玛烷型和齐墩果烷型皂苷[4]。由于植物甾醇的重要性使得参与乙酰辅酶A到2，3氧化鲨烯生物合成的酶都已得到鉴定，而现阶段主要集中于下游途径P450及GT的挖掘及鉴定。

人参为四倍体 （2n=4x=48），据报道其基因组大于3.2 Gb[56]，对于这种基因组较大、杂合度高、存在多倍体的非模式植物而言，要完成全基因组测序是比较困难的。而转录组测序则是一种快速、经济、高效获取基因信息的方式。转录组概念是由Velculescu V E等[7]首次提出的，其受外源和内源因子的调控，它是物种基因组和外部物理特征的动态联系，反映生物个体在某一特定发育或生理阶段、特定器官、组织或细胞中所有基因表达水平的数据[8]。因此分析转录组数据对解析次生代谢途径、阐明代谢调控机制、筛选分子标记等方面的研究具有重要的作用。

1 人参转录组

人参主要分布于亚洲东部，如中国、韩国、日本等国家[9]，在中国人参以根入药已经有2 000年的历史，早在明朝就对人参进行了栽培种植。人参皂苷是人参中主要的活性成分，据报道已从人参中分离超过40种人参皂苷 [10]。近年来关于人参的转录组研究较多，现已经完成了人参的毛状根、根、茎、叶和花，不同品种，不同年限及茉莉酸甲酯诱导前后的转录组测序，获得了丰富的基因信息，为人参的代谢调控、人参皂苷合成途径的解析、分子标记的筛选、品种的改良及抗病性等方面的研究奠定了坚实的基础（表1）。

相对于人参皂苷的上游合成途径，现对其下游途径了解较少，在下游途径中P450和GT发挥着重要的作用，据报道至少有2个P450参与三萜骨架的氧化，其分别在C12和C6位进行羟基化生成原人参二醇和原人参三醇型皂苷，而GT参与人参皂苷生物合成的最后一步反应通过转移糖基到产物上，增加产物的稳定性和溶解性[22]。关于人参皂苷合成途径的解析现主要集中于下游P450和GT的挖掘及鉴定。Li等[14]采用454测序平台对四年生人参的根、茎、叶和花进行了转录组测序，在该研究中研究者挖掘到了参与皂苷生物合成的所有基因，其中有326条unigenes被注释为P450s，有129条unigenes被注释为GTs。Chen等[12]对11年人参根进行了转录组测序，通过基因注释后有133个P450s unigenes和235个GTs unigenes得到挖掘，其中有6个GTs与西洋参中的候选GT表现出了高度的相似性。Cao等[17]对茉莉酸甲酯处理后的人参毛状根进行了转录组测序，通过分析筛选出335个P450s unigenes和116个GTs unigenes，其中分别有161个P450s unigenes和71个GTs unigenes经茉莉酸甲酯诱导后表达上调。 Jayakodi等[18]通过比较一年生和六年生人参根的转录组信息筛选出了188个GTs unigenes，同时还发现原人参二醇合酶（CYP716A47）与原人参三醇合酶（CYP716A53V2）也在该转录组数据中存在。

人参为多年生草本植物，适应于潮湿阴暗的环境，而长期处于这样的环境使得人参易受病虫害感染降低品质，因此明确人参病虫害感染机制、筛选抗性基因对于人参的栽培及育种具有重要的意义。Gao等[21]采用Illumina测序平台首次对锈腐菌处理后的人参进行了转录组测序，比较锈腐菌处理不同时间的样本发现有2 494个unigenes表达上调，4 526个unigenes表达下调，同时该研究小组还挑选出了与抗性相关的unigenes 257个，其中有29个是与抗性相关的转录组因子。病程相关蛋白（PRP）是植物受病原物侵染或非生物因子刺激后产生的一类水溶性蛋白，其在植物抵制病菌侵染方面具有重要作用。在该研究中有2个unigenes （c55244_g1和 c58299_g4） 注释为PRP，且在锈腐菌处理后表达上调。该研究不仅加深了人们对于人参抵制病菌侵染的认识，同时也为人参品种选育及增强抗性等方面的研究奠定了基础。

MicroRNA是一类小的内源非编码RNA，在植物中MicroRNA通过剪切转录本、翻译抑制、染色质修饰等过程调节靶基因的表达。Wu等[13]通过Illumina测序平台对五年生的人参根、茎、叶和花进行了转录组测序，在该研究中鉴定了多个miRNAs，其中73个保守miRNAs属于33个miRNAs家族，28个非保守miRNAs属于9个miRNAs家族。在鉴定的保守miRNAs中miR482和miR2118可能参与抗病蛋白的调节。为了研究miRNAs是否能参与环境胁迫的应答，该研究小组分析了胚胎愈伤组织在脱水和热击条件下非保守miRNAs的表达模式，发现分别有5个和10个miRNAs与脱水和热击应答有关。此外，Li等[14]通过分析人参不同部位的转录组数据挖掘了14个microRNAs。人参中microRNAs的挖掘及鉴定将有利于人参代谢调控及胁迫应答方面的研究。

人参为多年生草本植物，生长年限长，现主要通过栽培种植获取，但栽培品种与野生品种的人参皂苷有明显的含量差异。因此明确不同品种及不同生长环境下人参中基因的差异表达对于人参的品种选育具有重要的作用。Gang等[19]首次对野生和栽培品种的人参转录组进行了比较，通过分析发现参与人参皂苷生物合成的关键基因HMGCoA合成酶（HMGS）、甲羟戊酸激酶（MVK）、鲨烯环氧酶（SE）在野生人参中表达量高，这与野生人参中皂苷含量较高相一致。此外，一些与抗病相关的基因（R genes）在野生人参和栽培人参中表现出明显的差异表达。在该研究中有2 153个unigenes被注释为R genes，其中有28个R genes在野生人参和栽培人参中表现出差异表达，有27个R genes在野生人参中表达上调，这与野生人参具较好的抗病能力有关。Jayakodi等[15]分析了不同栽培品种人参毛状根及根的转录组，通过分析发现毛状根与根中参与皂苷合成的基因没有差异表达，且毛状根具有易获取、培养简单、生长快等特点，因此该研究小组认为在转录组研究中毛状根是一种很好的材料。

2 西洋参转录组

西洋参是五加科人参属中重要的药用植物之一，其主要分布于北美森林。在中国西洋参被作为补药已有300多年的历史，到目前为止，已有超过30种人参皂苷从西洋参中得到分离[2324]。现代药理研究表明西洋参具有多种药理活性，其中包括抗癌、降压、降血糖、神经保护及免疫调节等[2528]。近年来，由于西洋参具有显著的药理活性且副作用较小，使得人们对西洋参的市场需求日益增大，因此明确西洋参中皂苷生物合成的催化机制及代谢调节将有利于西洋参种资质源的优化（表2）。

与人参转录组研究相比较，西洋参的转录组研究开始较晚且研究较少。2010年Wu等[29]利用ABI 3730 测序平台对四年生西洋参的根、叶、花进行了转录组测序，由于是采用一代测序平台测序使得获取的转录组数据较少，仅有6 678 条ESTs，在该研究中通过基因功能注释筛选出了可能参与人参皂苷生物合成的候选基因，其中包括参与上游途径的大多数基因和下游途径的P450和GT，但是参与2，3氧化鲨烯环化的酶在该研究中未找到。随着测序技术的不断更新，二代高通量测序技术逐渐应用到了西洋参的转录组研究中。2010年Sun等 [30]首次利用二代测序平台454 GS FLX对四年生西洋参的根进行了转录组研究并获得209 747 条reads，在该研究中不仅筛选出了参与人参皂苷骨架合成的所有候选基因还筛选出了4个OSC（CAS，DS，AS1，AS2），其中CAS和DS在西洋参的花中表达量最高，而AS1和AS2在西洋参的各个部位表达量都相对较低，这说明了在西洋参中达玛烷型皂苷的生物合成比较活跃。

随着转录组测序的不断深入，现测序材料已不局限于根、茎、叶和花等部位，除此之外，在明确人参皂苷的合成途径后现更关注于人参皂苷的代谢调控和分子标记。2013年Sun等 [34]通过分析三年生西洋参的转录组数据，挖掘出了可能参与人参皂苷代谢调控的转录因子WRKY，在该研究中753个unigenes能注释为转录因子，其中有45个unigenes被注释为WRKY转录因子，该研究小组随机挑选了10个WRKY来进行表达分析，经过茉莉酸甲酯诱导后有4个WRKY表达上调至少2倍，其中有一个转录因子pgWRKY1在茉莉酸甲酯诱导后3 h表达量增加了20倍， 并发现pgWRKY1不但可以调控人参皂苷的生物合成，而且与植物的抗逆性有关。2013年Wu等 [31]对不同生长阶段的西洋参进行了454测序通过基因注释找到了参与皂苷骨架生物合成的所有酶，除此之外，他们还挑选出了175个P450s和164个GTs，通过共表达分析发现有6个P450s和6个GTs与DS具有共表达模式，通过分析西洋参不同生长阶段的转录组数据发现达玛烷型皂苷的生物合成位于西洋参衰老前，该研究为后续特定生长阶段的西洋参研究奠定了基础。

为了明确西洋参种子在低温层积不同时间的基因表达差异，Qi等[33]对低温层积处理90，135，180 d的西洋参种子进行了转录组测序，通过测序获得了27 million reads，比较低温层积处理不同时间的种子发现有368个差异表达基因是上调2倍以上，有182个差异表达基因是显著下调，这些结果说明这些基因可能参与层积处理的转换。通过基因注释发现有3个unigenes被注释为休眠有关蛋白（DRM），其中DRM1在90，180 d的表达量显著提高，该结果暗示基因DRM可能参与西洋参种子的形态发生及生理休眠。Jo等[32]采用454 GS FLX测序平台对3个人参品种和1个西洋参进行了转录组测序，通过测序获得308 313条reads，该研究小组

通过SAMtools从西洋参中筛选出了14 442条SNPs，其中纯合SNPs有5 149条，杂合SNPs有9 247条，该研究中SNPs的挖掘将有利于将来人参属的品种鉴定。

3 三七转录组

三七主要分布于缅甸、尼泊尔及中国西南部[35]，在中国栽培三七已有400年的历史[36]。三七具有多种药理活性，包括抗血栓、抗动脉硬化、降压等[37]。目前已从三七分离超过60种三萜皂苷，其中主要有三七总皂苷、绞股蓝总苷、人参皂苷等[35]，其中达玛烷型皂苷及人参皂苷Rg1，Rb1，Rd和三七总皂苷R1主要分布于三七的根中[38]，齐墩果烷型皂苷Ro在三七中未被发现[35]（表3）。

与人参和西洋参的转录组测序相比三七的转录组测序是最少的。Luo等[39]首次对四年生的三七根进行了454测序，通过测序获得了188 185条reads，MVA途径的大多数基因在该研究中都被发现。在该研究中还发现了全长的DS，其与人参和西洋参中的DS相比分别具有98.7%和99%的相似性。据报道在三七中一直未检测到齐墩果烷型皂苷Ro，但在该研究中却发现了基因AS，他们推测齐墩果烷型皂苷在三七中未被检测到的可能原因是齐墩果烷型皂苷在三七中含量低不易被检测或者三七中虽然有基因AS但是由于缺失AS的下游基因所以不能产生齐墩果烷型皂苷。在该研究中还筛选出了174条P450和242条GT，通过与DS的共表达分析最后挑选出25条P450和16条GT作为参与人参皂苷生物合成的候选基因。Niu等[41]根据三七的转录组数据首次分析了三七人参皂苷合成途径关键基因（FPS，SS，SE，DS）的表达模式，通过分析发现这些基因均在三七花中高表达，这与之前报道结果相似，即除了根以外三七的花也是人参皂苷的来源之一。

Liu等[40]利用Illumina测序平台对三年生三七的根、叶、花进行了转录组测序获得了19 Gb的转录组数据，在该研究中所有参与三萜皂苷生物合成的基因都能被找到，最后该研究小组挑选出350个P450和342个GT作为人参皂苷结构修饰的候选基因，其中CYP716A53V2与人参和西洋参中的CYP716A53V2相比具有大于96%以上的相似性，且该基因在三七根中表达量最高，这就解释了原人参三醇在三七根中含量高的原因。由于三七多生长在半阴和潮湿的环境下，其容易受虫害和真菌感染，因此三七会合成一些生物碱物质来抵制病虫害。在该研究中发现了3个生物碱的合成途径，其包括异喹啉合成途径、吲哚生物碱合成途径、托品烷及哌啶合成途径。总共有72条unigenes与生物碱合成途径的6个酶相关，生物碱合成途径相关基因的挖掘及筛选将有利于将来三七抗性相关的研究。

4 展望

三萜皂苷是名贵药材人参、西洋参、三七中的主要活性成分，其具有抗肿瘤、抗炎、抗氧化等多种药理活性，但由于人参等植物栽培年限长，生长环境特异，使其易受病虫害感染降低药材的品质，因此解决人参皂苷的充足供应是人参属药材可持续发展的重要前提。转录组学是功能基因组学的一个重要分支，其在发现次生代谢产物生物合成关键基因、阐明次生代谢调控、筛选分子标记等方面具有重要的应用价值。首先，通过转录组测序可以筛选出人参皂苷合成途径的关键基因，利用代谢工程技术和生物技术手段调节合成途径中关键基因的表达可以增加人参皂苷的生物合成[4245]。利用合成生物学手段发酵生产人参皂苷也是当前的研究热点之一[4651]。此外，转录组测序是筛选分子标记的有效手段之一，通过转录组测序挑选出与人参皂苷合成相关的分子标记是人参属药用植物遗传育种和品种选育的重要前提。转录组学研究作为本草基因组学（herbgenomics）的重要组成部分之一，其在中草药的代谢组学与合成生物学等方面的研究中具有重要的应用前景[5253]。

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[责任编辑 孔晶晶]