赵小惠，刘霞，陈士林，向丽

1.武汉理工大学 化学化工与生命科学学院，湖北 武汉 430070；2.中国中医科学院 中药研究所/中药鉴定与安全性检测评估重点实验室，北京 100700

1 药用植物遗传资源概念及保存意义

药用植物遗传资源是指具有实用或潜在实用价值的任何含有遗传功能的材料，包括药用植物(真菌)的种子种苗等活体材料、药用部位(药材)、组织及细胞培养材料、DNA实体等遗传材料及基因组和基因数据等相关信息[1]。通过利用自然条件或是人工创造适宜条件等人为方式延续遗传资源，保证其不流失，对种质资源进行保存，包括对植株、种子、花粉、营养体、分生组织和基因等遗传载体的保存，以防止资源流失，便于研究和利用[2]。药用植物遗传资源是中药新药研发、优良品种选育的基础，是关系到中医药行业、国民经济与人民生活的基础性资源，是国家的重要战略物资[3]。目前，存在药用植物资源过度开发以及生态环境恶化的问题，导致部分药用植物资源枯竭甚至灭绝[4]。充足的药用植物种质资源是提高中药材质量的核心之一，也是培育新品种和生产发展的重要物质基础。药用植物资源的保护有利于传统道地药材品种品质改良，从源头上整体提高我国中药产品质量和中药材生产技术水平，提高中药产业的国际地位，进而增强我国的国际竞争力。保护药用植物遗传资源，既是对我国生物多样性、生态环境和自然资源的保护，又是实现药用植物可持续利用的必要举措。

2 药用植物遗传资源保护体系

我国目前对药用植物遗传资源的保存主要包括对药用植物活体资源、药材及DNA实体资源以及基因组和基因数据资源的保护。对不同的药用植物遗传资源形式采用不同的保护措施，形成药用植物遗传资源保护体系，见图1。

图1 药用植物遗传资源保护体系

对于药用植物种质资源而言，保护策略主要分为就地保护与迁地保护两种。就地保护(In Situ)，顾名思义，不改变药用植物原有生态环境，对药用植物种质进行原地保存[5]，主要保护方式包括建立各种类型自然保护地，如自然保护区、风景名胜区、森林公园、湿地公园等，对药用植物资源及生态系统进行长期保护。这种保护方式的优势在于，在保护药用植物种质的同时，保护了药用植物赖以生存的生态系统和自然生境，这使得药用植物在自然环境中的生存得以维持和恢复。迁地保护(Ex Situ)，指将药用植物迁移到其自然生境之外进行保护[6]，主要保护方式包括建立药用植物园、中药材种植资源圃以及药用植物离体种质库、药用植物标本馆及离体组织培养保存库等[7]。相对于就地保护，迁地保护适用于生境破坏严重、自然状态下繁殖更新困难以及居群或个体数量稀少的植物物种，有助于药用植物物种多样性保护，同时也有助于药用植物产业可持续发展[8]。

药材DNA实体资源的保护策略也可分为两类，一种是对药材实体进行保护，即建立药材样本实体库，另一种是对总DNA实体进行低温保存。药材样本实体库的建立在保护药材总DNA的基础上还可以对药材实体进行保存，做到了对药材总DNA根本上的保护。但是，这种方法也有其弊端，长时间的保存可能会使药材遗传材料降解，因此可将总DNA从药材实体中提取出来后进行低温保存，更大程度地保护了药用植物总DNA资源，同时也可以节省保存空间。

基因数据资源的保护主要是通过建立数据库对基因、DNA条形码、基因组、转录组等相关信息进行保护。数据库的建立开拓了新的药用植物遗传资源保护方式，丰富了药用植物遗传资源保存策略，同时，也对药用植物遗传资源保护方式提出了新的挑战——网络安全管理，主要包括硬件与软件建设与数据安全[9]。硬件的老化会增大网络延迟的可能，导致网络崩溃进而造成数据丢失，威胁到数据安全[10]。因此要对老化的硬件进行及时的淘汰与更新，管理人员也应及时对软件进行更新维护。维护数据安全首先要建立健全药用植物遗传资源基因信息库的安全体系，对不同的用户开放不同的使用权限[11]。同时，管理员应该对基因库数据进行备份及加密处理，以防数据丢失与泄露[12]。此外，管理员应对基因数据库进行实时地维护与监控，及时发现并解决问题。

3 药用植物遗传资源保存现状

我国药用植物种质资源种类丰富，第三次全国中药资源普查中国植物药资源有11 118种及种下单元[13]。如何收集、保存、评价药用植物遗传资源是一项长期、艰苦、巨大的工作。

目前，我国的药用植物遗传资源的收集保存形式主要包括以自然保护区、药用植物园、资源圃等形式保存的活体植物库，以种子保存为主的离体种质库，以药用部位(药材)及其DNA实体为主的药材及DNA实体库和基因数据库等[14]。

在药用植物遗传资源收集、保存、评价的基础上，利用现代化的技术手段，通过大数据进行深入发掘和利用，为后期良种培育、生物合成等提供基础材料及遗传背景[15]。

表1 药用植物遗传资源分类与保护

3.1 种质资源库

种质资源指一切能够繁殖的具有一定种质的生物体，保存方式主要包括原地保存、异地保存和设施保存3种。其中，设施保存主要是指建立药用植物种质资源库，即其贮藏对象为种质资源。主要依靠仪器设备对贮藏环境进行控制，可实现对药用植物种质的长期贮存。其优势在于，可对药用植物活体物质进行保存[16]。根据种质资源保存温度及保存部位的不同，主要可分为种子低温保存、超低温保存及种质离体保存等不同保存方式[17]。药用植物种质资源库通常以野生或栽培的药用植物种质资源及其近缘植物以种子为主体，同时包括一些资源圃或者离体组织培养材料等。若科研、教学和育种机构需要材料，可随时提供，以用于研究用途和国际交流。种质资源库主要有两大类：植株库和离体种质库。

1967年，美国的CBS技术研究所发表开发电视录像商品的计划时第一次提出新媒体的概念，由此可以看出，新媒体的概念已经很早就出现了。当下，对于新媒体的概念众说纷纭，在这篇论文中将新媒体的概念定义为：新媒体概念是相对于传统媒体来说的，是随着新技术、新需求、新网络以及新信息发展起来的一种媒体形式，具体来说，就是将电视、报纸、广播以及杂志等分类为传统媒体，那么电脑以及智能手机等就可以归类为新媒体。

3.1.1 植株库 植株库包括各种自然资源库、药用植物园以及资源圃。与迁地保护相比，就地保护可保存数量高，保存成本低，并且就地保护更容易保护生境及多样性，是生物保护的最佳手段。因此，可通过建立各种自然保护区或药用植物园等途径对药用植物种质资源进行保护[18]。世界上第一个保护区建立于1872年，即美国黄石公园，此后，自然保护区建设事业发展迅速。根据《中国生态环境状况公报(2018年)》统计数据显示，我国现共有不同级别，不同类型的自然保护区2750个[19]。其中，大盘山国家级自然保护区，以药用生物种质资源为重点保护对象，是我国药用植物野生种或近缘种的种质资源库[20]。我国为重点保护农业生态系统，除建立了自然保护区、自然公园外，还为作物建立了野生亲缘种保护点和农业类保护地区共24个[21-22]。作为药用植物遗传资源的主要载体，药用植物活体资源保存了丰富的遗传基础及变异资源。自然状态下，野生资源及自然保护区具有最多的药用植物原始遗传资源，是丰富度最高的地区。

药用植物园是迁地保护的方法之一，即指通过人工干预，将遗传种质迁移至其原生境之外的地方保存[23]。需要注意的是，采用迁地和引种栽培保护药用植物种植资源时，需符合其相应的方法及条件要求。我国幅员辽阔，各地气候资源特点也不尽相同。目前，全国共有38所专业药用植物园，如中国医学科学院药用植物研究所及其分所体系的北京药用植物园、广西药用植物园、西双版纳南药园、海南兴隆南药园、重庆药用植物园、贵阳药用植物园等。各药用植物园的建立因地制宜，其适宜保存的种植类别各有异同，已经成为一个完整的专业的药用植物种质迁地保护体系，在全国乃至全世界都处于领先位置[24]。全国的药用植物园分属于中央直属或地方农林单位、科研院校、医药企业等不同管理部门，几乎遍布我国所有省、市或自治区，已引种保存全国本土药用植物约7000余种，约占我国药用植物资源的63%，其中珍稀濒危物种200多种[25]。

资源圃主要用于保存与储备种质资源[26]。由于药用植物种类繁多，且不同的物种具有道地性，对繁殖区域生态环境有较高要求，因此资源圃既包括综合库，也包括单物种库[27]。单物种库通常对环境有特殊要求，且该物种种质资源较多，如吉林人参苗圃库、云南文山县三七苗圃库、贵州贵阳市紫苏苗圃库、广西融安县青蒿(黄花蒿)苗圃库等。其中，吉林靖宇县人参苗圃库收集保存了超过2000份种质材料，云南文山三七苗圃库收集了10 700余份种质材料，广西融安青蒿苗圃库收集了1488份种质材料。综合库通常包括的物种较多，如由中国中医科学院中药研究所、湖北中医药大学与湖北康农种业股份有限公司共同合作建立华中康农中草药品种资源圃库等，繁育了以湖北地区为核心辐射华中地区的药用植物，目前已对100余种药用植物优良品种进行了繁育，包括紫苏、黄花蒿、半夏、麦冬、木瓜、黄精、葛根等。

3.1.2 离体种质库 我国第一座药用植物专业种质库于20世纪90年代在浙江杭州建成，由于种质搜集困难且成本较高，当地气温条件也给种质库的运行增加了成本，因此该库并未能持续运转[28]。直至2006年，中国医学科学院药用植物研究所成功建立并运行了国家药用植物种质资源库。作为我国第一个国家药用植物种质资源库[29]，该库最多可容纳10万份种质材料，同时具有长期库和中期库。长期以来，我国生物资源种质库保存系统存在重大的缺陷，该库的建立弥补了这一缺陷。同时也为种质资源保存及交流使用提供了一个全国性的开放交流平台[30]。截至2016年为止，国家药用植物种质资源库共入库193个科1017个属，2万余份材料，收集了12 112份种质资源。

国家南药基因资源库，也称国家基本药物所需中药材种质资源库，是国家级综合性种质资源库。该库除保存基本药物所需外，还是我国唯一一个收集保存顽拗性植物种质的种质资源库，在保护我国顽拗性种质资源方面具有重要的意义。该库结合当地生态环境与中药资源特点，收集并保存了我国南部热带和亚热带地区中药种质资源。与国家药用植物种质资源库——低温低湿种质资源库相配套，结合药用植物种质资源圃，形成完整的中药种质资源保护体系，对我国中药种质资源形成完整的保护。国家南药基因资源库具有液氮罐、超低温保存室等可保存20万份顽拗性药用植物种子、植物离体材料、DNA材料的先进设施，建成集种子收集、鉴定、检测和保存为一体的技术体系和科研平台。

国家中药种质资源库(四川)位于成都中医药大学，是全国范围内规模最大的中药种质资源保存库，是我国名副其实的中药战略资源储备库。该库旨在建立一个完整的中药种质资源保存体系、研发更为高效的保护设施，致力于成为具有国际影响力的科学研究中心，为中药种质的资源分类鉴定评价、保存研究和可持续利用提供一个综合化的体系与平台。国家中药种质资源库(四川)库容可收集20万份中药种质，目前已收集超过3万份药用植物种质资源，保存期限50年，是目前国内规模最大的中药种质资源保存库。

3.2 药材及DNA实体库

药材及其DNA实体库主要指与药用植物基因相关的实体材料库，包括药材样本实体、药用植物总DNA实体、cDNA原件实体，以及一些核酸文库，例如BAC文库、YAC文库实体等[31]。

中药基因实体库主要包括国家中药基因实体库及深圳国家基因库。国家中药基因实体库是国家中药质量标准库的一部分，由中国中医科学院中药研究所建立，是针对我国独特的传统医药资源建立的大规模药材实体库和基因实体库。该库包括中药材实体、总核酸DNA实体、cDNA原件实体，以及一些核酸文库例如BAC文库、YAC文库等。中国中医科学院中药研究所建设的国家中药基因实体库收集了123种3735个批次药材实体及DNA实体，保存了人参、三七、黄花蒿、红豆杉、银杏、虫草等重要药用植物的基因组数据以及转录组数据。

3.3 基因数据库

药用植物基因数据库指含与药用植物相关的基因和基因组资料的DNA数据库，主要任务是收集和保藏各种与药用植物相关的基因组、转录组、DNA条形码序列、功能基因等基因数据[33]。目前已有的与药用植物基因相关的数据库主要包括：1)国家中药基因库(www.ntcmgb.org)；2)中药材DNA条形码数据库(http：//www.tcmbarcode.cn/)；3)本草基因组数据库；4)云南药用植物基因组学数据(http：//www.herbal-genome.cn)。

国家中药基因库由中国中医科学院2016开始建设，2018年12月完成。该库是针对我国独特的传统医药资源所进行大规模的基因实体和资源信息库。国家中药材基因样本数据库包括中药材总核酸DNA实体、cDNA等中药材原件实体，以及一些列中药材核酸文库例如BAC文库、YAC文库等，并在此基础上获得不同层面中药材基原核酸数据信息如DNA条形码数据、基因组数据、转录组数据等。该库已收集以人参、西洋参为代表123种药基原物种DNA实体库，3735批次实体，123种药基原物种基因信息；根据国家中药质量标准库中药材基因库的入库及保存，完成了相应总DNA的超低温保存工作；完成了人参、三七、西洋参、黄花蒿、甘草、银杏、虫草、金银花、菊花、穿心莲、丹参、紫苏、茯苓、栀子14种药用植物药用部位表达基因cDNA库。完成大部分物种的DNA条形码工作以及人参、菊花等重点品种的DNA序列解析工作，建立了国家中药材基因数据库，实现了数据库的联网、查询、对外交换等功能。陈士林课题组[34]在国际科技合作等项目的资助下，通过近十年的潜心研究和大量筛选实验，在国际上首先发现并验证核基因组ITS2序列，适于鉴定中药材等存在DNA降解的材料。首次提出核基因组ITS2序列作为中草药通用DNA条形码，创建了崭新的中草药DNA条形码生物鉴定体系，并构建了较完备的中草药DNA条形码网络鉴定数据库。中药材DNA条形码数据库是全球最大的药用植物DNA条形码分子身份证数据库，包含以ITS2为主psbA-trnH为辅的100万余条DNA分子序列，涵盖中国、日本、韩国、印度、欧盟和美国等药典收载的95%以上的药用植物品种，可以通过DNA序列比对，快速地检测药用植物物种及其科属[35]。

云南位于我国西南边境，具有独特的生物资源。为充分研究利用这些生物资源，云南农业大学利用现代分子生物学技术，对其进行了全基因组测序及分析，并建立了云南药用植物基因组学数据。该团队结合第二代及第三代测序技术，已顺利完成包括铁皮石斛、玛卡、丹参、辣木等物种在内的基因组组装，为云南省特色生物资源的开发利用奠定了基础。药用植物遗传资源的收集、保存和评价为分子遗传学研究提供了必需的基础遗传材料。

4 药用植物遗传资源的发掘与利用

4.1 为药用植物新品种选育提供丰富的遗传变异

药用植物野生资源丰富，丰富的遗传变异是药用植物优良新品种选育的基础(图2)。由于药用植物种类繁多，育种工作起步较晚，育种背景复杂，因此丰富的遗传变异为优良品种培育提供了大量的优良变异，为选育优质、高产、抗性药用植物新品种提供了丰富的种质资源[36]。种质资源在药材优良品质形成过程中起着关键性作用，是培育优良品种的遗传物质基础。长期以来的自然和人工选择，使种质资源具有优良的性状以及抗虫抗灾等特性，是品种改良的源泉[37]。因此，种质资源研究在中药材育种中具有重要意义。种质资源的调查、收集和保存具有承上启下的作用，一方面，它既是保护中药资源的重要措施；另一方面又为遗传育种提供更多选择。每个植株个体都是该物种的基因库的组成部分，包括该植株的每一个基因，其中蕴藏着丰富的已知或未知的有用基因[38]。在确保遗传资源的基础上再进行人为筛选与培育，选择具有优良品质的种质资源，有助于更好地开发利用药用植物资源。

图2 药用植物遗传资源应用与展望

近20年来，人们通过系统选育、杂交育种、多倍体育种等常规育种方法，已培育出了人参、西洋参、地黄、丹参、罗汉果、白术、柴胡、桔梗、枸杞、厚朴等许多中药材新品种[39-48]，如尹锐[39]通过对人参转录组中NBS类抗病基因进行研究，为人参抗病基因的开发与利用提供理论基础和资源信息支撑，同时开展人参黑斑菌诱导人参抗病的机制及其分子检测方面的研究，为人参抗黑斑病抗病育种和人参黑斑病的防治提供科学依据。

4.2 为药用植物分子育种提供丰富的基因资源

药用植物分子育种技术就是将分子生物学技术应用于育种中，在分子水平上进行育种，它是常规育种的一个新发展[49]。分子标记辅助育种是分子育种研究和应用最多的一个方向，如董林林等[50]采用DNA分子标记辅助三七抗病新品种的选育，沈奇等[51]采用SNP特征性标记辅助紫苏育种。分子育种和常规育种的区别就在于，一个注重表型选择，一个强调基因型选择。常规育种是分子育种的基础，同时分子育种又以培育优异表型为目标。通过发现基因型和表现型之间的联系，并建立两者之间的选择关系，以基因型来选择表现型。基因型的选择往往比表现型选择更快速、准确且高效，这使得分子育种战胜常规育种，成为未来药用植物育种学的发展方向。

药用植物育种是改善药材品质的重要途径[52]。其中，疗效是药材的一大重要品质。提高疗效从分子角度来看就是提高药材中的有效成分含量，这既是药用植物分子育种的主要目标，也是其基本要求[53]。育种的基础在于丰富的种质资源，而关键性基因的发现和利用往往就决定了育种上突破性的成果[54]。

4.3 为生物合成提供丰富的参考基因信息

药用植物天然产物的生物合成是基于分子遗传学技术，利用微生物或者植物细胞，通过对目标功能基因进行复制、转录和翻译，以达到在微生物或者植物细胞中合成药用植物有效成分的目的，即药用植物有效成分的异源合成[55]。药用植物天然产物的生物合成主要有两种途径，一种是植物合成，另一种是微生物合成。两者之间的主要区别在于，底盘细胞一为植物细胞，一为微生物细胞；此外，植物合成途径主要利用代谢调控手段对植物次级代谢途径进行优化；而微生物合成途径则利用生物学技术对其进行遗传改造。相比较而言，微生物合成途径繁殖速度更快，操作更简便。目前已实现在酿酒酵母或大肠杆菌中合成多种中药功效成分，比如青蒿酸、大麻素、人参皂苷Rh2、灯盏花素、大黄素等[56-59]。近年来，通过专家学者们的不断研究，多种药物活性成分均在微生物底盘细胞成功合成，且发酵浓度逐步提升。

5 讨论

药用植物遗传资源是中医药产业的源头，对我国中医药事业的发展有着举足轻重的作用[60]。国际上对药用植物基因资源的争夺也十分激烈，因此保护和掌握丰富的基因资源对我国中医药产业的发展具有十分重要的意义。

5.1 完善保护体系及相关制度

我国药用植物资源品种繁多，种类丰富，目前并未全部掌握，应加快整个药用植物遗传资源体系的建立。另外，虽然现在对药用植物遗传资源的保护意识越来越重，但由于长期以来保护体系以及相关制度并不明确，仍需要长足的努力，比如加强各类民族药用植物以及濒危药用植物等遗传资源的保护力度。部分药用植物存在名称混乱，基原并不确定的情况，亟待解决。建议对药用植物遗传资源进行清查分类整理，明确其基原植物，并建立相应的药用植物遗传资源库。此外，对濒危药用植物遗传资源的保护也迫在眉睫，应尽快重新制定濒危药用植物保护名录及等级，根据相应的生境条件制定保护措施，如原地保护、易地保护、离体保护等。

5.2 推进药用植物千种基因组计划

随着科技不断进步，生物技术日益更新与完善，药用植物遗传资源保护方式也需要推陈出新，需要不断开发更有效、更简便、更安全的药用植物遗传资源保护方式。中国医学科学院药用植物研究所(IMPLAD)与美国Illumina公司签署协议，启动国际千种药用植物基因组计划，创建世界首个药用植物参考基因库。以“组”学、基因测序、生物信息学、系统生物医学等先进技术为先导，加强多学科的交叉融合，旨在药用植物资源的精准鉴定领域取得突破。推进药用植物千种基因组计划，对我国药用植物遗传资源进行充分解读及利用。

对现有已保存的药用植物遗传资源来说，研究是一项长期且艰巨的工作，具有重大的时代与历史意义。还需要专家学者的共同努力，携手将药用植物这一瑰宝发扬光大。