逆境中求生存，藥材get道地性

原文地址：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2023/4/497727.shtm

新會陳皮產于廣東省江門市的新會區，是中國藥典指定的廣陳皮道地藥材，其品質顯著高于廣東周邊和其他區域種植的陳皮。 

  ?

茶枝柑果實         受訪者供圖 

  ?

  廣陳皮   受訪者供圖

 藥材道地性究竟是如何產生的？為什么在逆境中才能長出好的道地中藥材？

3月28日，華南農業大學與華大生命科學研究院在國際學術期刊《微生物組》（Microbiome）合作發表了研究論文。該研究揭示了廣陳皮道地產區特殊的土壤環境以及微生物組成如何促進廣陳皮活性成分單萜合成和積累的生物學機制。該成果在解析廣陳皮道地性形成機制上取得了理論突破，為中藥材道地性評價提供了全新思路，也為道地藥材專用菌肥研發提供了技術支撐。

道地性是否與特殊環境有關？

陳皮藥材分為“陳皮”和“廣陳皮”。廣陳皮特指種植于廣東新會地區的蕓香科柑橘屬茶枝柑(Citrus reticulate ‘Chachi’)果實的果皮，廣陳皮是廣東省首批立法保護的八大嶺南中藥之一。

論文共同通訊作者、華南農業大學藥用植物研究中心教授吳鴻介紹，黃酮類和萜烯類化合物是廣陳皮中重要的兩大類功效成分，在廣陳皮的品質評定和臨床療效中起著重要作用。

“藥用植物功效成分合成是從物種遺傳調控，到產地氣候、土壤養分、根系微生物等多維度互作的一個系統過程，但對其道地性形成的生物學機制研究依然不夠充分。”論文共同通訊作者、華大生命科學研究院研究員劉歡說，在遺傳背景相同的情況下，土壤營養、根系微生物組如何影響植物藥用成分合成和積累的生物學機制還知之甚少。

通過代謝組檢測發現，在茶枝柑果皮中存在18種不同類型的揮發油成分。其中7種單萜（包含β-月桂烯、α-蒎烯、β-蒎烯、α-萜品烯等）成分的含量在道地產區顯著高于非道地產區。果皮中的這些單萜成分具有抗氧化、抗菌、抗病毒、抗炎和抗腫瘤的功效，是廣陳皮中的重要的活性成分，可以作為廣陳皮原材料質量評價的指標。

人們已經知道，中藥要種植在逆境中，在逆境中才能長出好的中藥材。那么新會產區究竟有著什么樣的特殊環境？這些特殊的環境因子又是如何調控陳皮藥用成分合成的呢？

研究者通過檢測道地產區和非道地產區的土壤理化性質發現，道地產區土壤中具有較高的營養元素含量，為植物提供充足的營養。除此之外，道地產區土壤中的鹽度最高可達0.49（均值為0.32），其他產區的鹽度最高為0.16（均值為0.11），道地產區土壤中的鹽分比其他產區高出3.2倍，較高的鹽度影響植物的生理代謝，為鹽脅迫。

原來，新會位于海水與江水的交匯之處（西江支流、潭江、銀洲湖出海口三水交匯之處）。每年汛期西江會將云貴高原的土壤元素帶到銀洲湖，與潭江水交匯，在南海海潮倒灌時形成獨有的“三水融通”“咸淡相交”水土特色，其豐富營養元素和海水鹽類成就了新會土壤高營養和高鹽度的特殊環境，同時引入了大量耐鹽脅迫的微生物類群。 

  ?

茶枝柑樣本采集   受訪者供圖 

他們采集來自道地產區（廣東新會）和非道地產區（廣東惠州、臺山和廣西貴港）等7個果園中的土壤、根系微生物以及根、葉、果樣本，采用多組學方法系統性地挖掘“土壤養分-根系微生物-廣陳皮品質成分”的內在關聯機制，從植物基因表達、土壤養分和根系微生物組三個維度對廣陳皮品質形成的機理進行研究。

土壤環境影響藥材有效成分積累

“不同的土壤環境影響了根系基因的差異表達。”劉歡介紹，將道地產區特殊的土壤養分與根系高表達的基因的進行關聯分析發現，道地產區特殊的土壤環境(如高鹽、Mg、Mn和K)與植物鹽脅迫響應基因以及萜烯骨架合成酶基因的表達顯著相關。

通過檢測根、葉、果實中的基因轉錄差異發現，萜類合成相關的基因、鹽脅迫相關基因以及免疫反應相關的基因在道地產區高表達，且這些高表達的基因與7種單帖成分的含量呈現顯著正相關。

“說明這些基因的表達可能影響道地產區單萜成分的積累。”劉歡說，另外，道地產區根樣本中生物和非生物脅迫反應相關的基因數量比非道地產區的更多，說明道地產區和非道地產區土壤中的生物（如微生物組成）和非生物環境（土壤養分）條件可能不同。

吳鴻說，道地產區土壤中的高營養為植物的生長發育提供了充足的營養，Mg和Mn作為單萜合成酶的輔酶提高單萜合成酶的活性, 土壤中的高鹽度逆境通過鹽脅迫反應促進了單萜成分的合成。

此外，根系微生物組成可以調節植物營養吸收，幫助植物抵御逆境脅迫，影響藥用植物功效成分的合成。研究者進一步研究發現，道地產區和非道地產區的根際土壤和根內微生物組成存在顯著差異。

劉歡介紹，在道地產區富集的根際土壤中有大量微生物基因組中存在大量耐鹽相關的基因和萜類合成相關的基因，說明這些微生物具備耐鹽的特性，且具備合成萜類化合物的潛能。通過將微生物組成與單萜成分進行關聯分析，鑒定出了與單萜含量顯著相關的根際和根內微生物類群。

為中藥材品質提升提供依據

那么根際土壤及其微生物群落影響單萜成分積累的機理是什么？他們隨后展開了進一步的研究。

通過分離根際和根內微生物菌株，合成菌群實驗證實，來自根際土壤中的鏈霉菌Strep-4能夠通過誘導植物的系統性抗性來促進茶枝柑活性成分單萜的合成和積累。

同時，加入一株根內共生的沙雷氏菌Serra-11可以進一步增強鏈霉菌Strep-4的效果。

基因組測序發現，沙雷氏菌Serra-11具備合成單萜的潛能，可以直接進入根內合成單帖的前體物質，從而進一步增強單萜的積累。

“這些研究表明，根際土壤和內共生細菌通過觸發植物免疫反應或為植物提供單萜合成中間產物共同促進了茶枝柑果實中單萜類化合物的積累。”吳鴻說。

劉歡告訴《中國科學報》，通過宏基因組學研究根系微生物組的結構和功能，與植物的表型進行關聯分析，可以科學地發現與植物的生長、產量，品質以及抗病有關的微生物類群，同時發現大量具有潛在應用價值微生物的物種類群和基因資源。

研究者從“土壤養分-根系微生物-植物基因調控模式”三個維度系統性研究廣陳皮功效成分（萜烯類）高效合成的關聯調控機制。該研究鑒定了影響中藥材品質成分的關鍵土壤養分及目標微生物類群及其作用機理，科學地揭示了道地性藥材廣陳皮“道地性”的成因，為中藥材的配方施肥、有益微生物的分離、種植規劃、品質提升提供了科學依據，為廣陳皮中藥材產業的高質量可持續發展提供重要保證。

不過，吳鴻強調說，高鹽度的逆境促進了茶枝柑鹽脅迫反應相關的基因表達，但是鹽脅迫的合理程度以及鹽脅迫反應基因如何影響功效成分的合成還需要通過試驗進一步驗證。