内容简介
《分子生药学》是科学出版社“十四五”普通高等教育研究生规划教材之一。《分子生药学》密切结合中药生产中的实际问题及前沿科技进展,既突出学科*新研究成果,又通过大量的案例为读者提供研究思路与方法。内容涉及中药分子鉴定、道地药材形成的分子机制、活性成分合成生物学生产等八个章节。
目录
目录
**章 概述 1
第二章 中药分子鉴定 4
**节 中药分子鉴定概述 4
第二节 中药分子鉴定方法 7
第三节 中药分子鉴定的新应用 37
第三章 中药种质资源 89
**节 中药种质资源概述 89
第二节 中药种质资源的遗传多样性 102
第三节 中药种质资源的分子标记辅助育种 132
第四章 中药活性成分的生物合成 153
**节 中药多组学研究与活性成分生物合成途径解析 153
第二节 生物合成关键酶的发现、催化机制及应用研究 177
第五章 中药资源活性成分的调控 224
**节 中药活性成分的转录水平调控机制 224
第二节 中药活性成分的表观遗传调控机制 246
第六章 药用植物生长发育过程及其分子机制 261
**节 药用植物组织器官发育的分子机制 261
第二节 药用植物营养元素吸收与运输的分子机制 270
第三节 药用植物对胁迫响应的分子机制 277
第四节 植物生长物质对药用植物的调控作用 286
第七章 道地药材及其品质形成机制 295
**节 道地药材的属性及其形成的生物学机制 295
第二节 道地药材形成的遗传机制 299
第三节 道地药材形成的环境机制 310
第八章 中药生物技术新资源 336
**节 组织细胞和植物工厂 336
第二节 微生物发酵生产 353
第三节 生物转化 372
试读
**章 概述
分子生药学是在分子水平上研究中药的鉴定、质量的形成、中药资源保护与生产的一门学科,具有很强的交叉性和探索性,其发展推动了中药学、分子生物学、农学、植物生理学、植物生态学等不同学科的交叉融合。
1995年黄璐琦院士在《展望分子生物技术在生药学中的应用》的文章中*次提出了“分子生药学”。2000年**本《分子生药学》专著出版,标志着分子生药学学科的建立并进入快速发展期,在这一时期DNA分子标记技术广泛应用于中药资源研究,中药资源遗传多样性、分子系统学研究成果呈现强劲的增长趋势,为中药材品种整理和质量标准化研究、中药资源保护与可持续利用提供了新的策略。2006年《分子生药学》(第二版)出版,2015年《分子生药学》(第三版)出版,分别获得中华中医药学会学术著作一等奖、中国出版政府奖图书奖。自2009年利用454测序技术进行青蒿转录组研究起,已发表了200余种中药资源转录组、100余种中药资源基因组研究,以基因的结构、表达、调控为核心的分子生药学研究日新月异,为中药理论创新、中药质量控制和中药新品种定向选育奠定基础。
2012年分子生药学成为国家中医药管理局重点培育学科,2023年入选高水平中医药重点学科建设项目。目前它已形成10个稳定的研究方向,包括中药资源分子系统学、中药资源分子谱系地理学、中药分子鉴定、道地药材形成的分子机制、中药资源功能基因组研究、中药资源活性成分的生物合成和代谢调控、珍稀濒危中药资源多样性与保护、中药资源基因工程、中药资源活性成分的生物技术生产、中药材分子标记辅助育种等。
一、分子生药学的产生
中药是指在中医理论指导下,用于预防、治疗、诊断疾病并具有康复与保健作用的物质。中药主要来源于天然药及其加工品,包括植物药、动物药、矿物药及部分化学、生物制品类药物,其中以植物药居多。对于生物来源的中药,其原料的形成、鉴定、质量控制、可持续利用直接影响中药的临床使用及中药产业的发展。
尽管目前对生物来源中药的研究已经历了古代、近代、现代、自然时期,但是依然有一些重要问题未得到阐明,如多来源药材的鉴定、道地药材的形成机制等,同时随着中药材规范化栽培的发展,又产生了新的问题,如在药用植物生长发育过程及产地加工过程中,药用植物体内生理变化与质量形成的相关性等问题。从生物资源出发,各种生命现象是通过其核酸、蛋白质的结构和功能影响生物的生长发育、消亡、物质和能量代谢、遗传、衰老等重要生命活动而产生的。从分子水平上阐释中药资源保护、鉴定、生产中的诸多生物学问题,并寻找相应的解决策略、研究和检验方法,将为中药资源的可持续发展提供科学理论和有效工具。
作为现代生命科学的共同语言,分子生物学的理论与技术不断发展,与中药学交叉融合、广泛联系,促进了新的研究领域和增长点的产生,逐渐形成分子生药学这一交叉学科。
二、分子生药学的主要内容
分子生药学的主要研究对象是生物来源的中药及其资源以及相关产品,已形成了以“基础研究为重点,以创新研究为核心,以应用研究为目标”的学科建设思路,更加注重将理论与实践紧密结合,突出中医药特色,解决生药学的实际问题。经过近三十年的发展,分子生药学理论体系不断发展完善,先后提出了中药分子鉴定的使用原则、珍稀濒危常用中药资源五种保护模式、道地药材形成的生物学本质、基于一个系统的“功能基因挖掘-合成途径解析-生物合成生产”的中药活性成分合成生物学研究模式等。核心研究内容包括:
(一)从分子水平研究中药的鉴定
1. 从分子水平评价中药基原物种的进化关系
物种有所谓的“好”物种,即分类学家没有争议的物种,如人参Panax ginseng C. A. Mey.;也有“坏”物种,即分类学家有争议的物种,如小蓟的基原植物,《中华人民共和国药典》(以下简称《中国药典》)认为是刺儿菜Cirsium setosum(Willd.)MB.,而Flora of China认为应将其合并入丝路蓟Cirsium arvense(Linnaeus)Scopoli,将其学名修订为Cirsium arvense var. integrifolium Wimmer et Grabowski。其次,物种的进化机制十分复杂,利用物种形态和基因片段表示物种进化关系可能是一致的,也可能是不一致的,如果基因树可以反映物种的进化,此时该物种可以利用基因片段进行分子鉴定。因此,在进行分子鉴定之前,*先应对物种进行评价。
2. 从分子水平研究中药鉴定
目前《中国药典》已经建立了较为完善的中药性状、显微和理化鉴定体系,但是关于动物药的鉴定、正品和近缘混伪品的鉴定、配方颗粒和中成药的鉴定等问题,仍需要探索新的鉴定方法。分子鉴定因具有较高的分辨率及客观性越来越受到人们的重视,目前特异性聚合酶链反应(PCR)鉴定方法、聚合酶链反应-限制性片段长度多态性(polymerase chain reaction-restriction fragment length polymorphism,PCR-RFLP)方法已经被收入《中国药典》一部,聚合酶链式反应法(通则1001)、中药材DNA条形码分子鉴定法(指导原则9107)被收入《中国药典》四部。免疫技术被逐渐应用于中药材化学成分、农药残留、真菌毒素污染的检测,真菌毒素测定法(通则2351)被收入《中国药典》四部。
(二)中药活性成分的生物合成
1. 从分子水平解析中药活性成分的生物合成途径
中药生物技术资源是中药资源的重要组成部分,是解决濒危中药资源的途径之一。合成生物学是创制中药生物技术资源的重要策略和工具,解析活性成分的生物合成途径及其调控网络是利用合成生物学策略实现中药活性成分合成的前提。克隆活性成分的生物合成途径基因,逐步解析活性成分的生物合成途径是分子生药学的重要任务之一。目前,紫杉醇、青蒿素等的生物合成途径解析已取得较大进展。
2. 研究中药活性成分的生物技术生产
随着中药活性成分的不断阐明,组分中药逐渐成为新药开发的一个方向;在此基础上,随着中药活性成分生物合成途径的不断阐明,利用生物技术生产活性成分越来越受到人们的重视,规模化细胞工厂、微生物发酵、植物生物反应器等被用于合成中药活性成分。中药活性成分的生物技术生产是分子生药学的重要研究任务,生物合成和化学合成组合将成为活性成分的生产方式之一。
(三)从分子水平研究中药质量的形成
1. 从分子水平研究道地药材的形成
道地药材是中药质量评价的原创综合性指标,道地药材及其形成机制研究是一项复杂的工作,是分子生药学重要的研究任务。道地药材具“优形优质”特征、特定的基因组结构及其特征以及表型可塑性。随着道地药材研究的深入,越来越多的实验证据表明道地药材化学成分组成等表型是由其内在基因及其基因调控网络决定的,并受到生长环境、采收阶段、产地加工方式等外因的影响。道地药材形成机制研究涉及多领域、多层面、多技术,通过在分子层面上认识单个基因或蛋白质的物理与化学特性,进一步解析基因和蛋白质构成的相互作用网络,是诠释道地药材形成的基础和关键。种群进化、复杂性状形成、防御、植物全能性将成为道地药材分子生药学研究领域*受关注的科学问题。
2. 从分子水平研究中药种质资源
随着中医药产业发展,药材需求量日益增加,野生中药资源日渐匮乏,中药材的栽培品种和栽培面积不断扩大,目前约30%的中药材品种类型是人工栽培,占有市场药材供应总量的70%以上。中药材的栽培生产以培育药用植物产品为目标,包括种质选择、环境调控、适时采收和产地加工等一系列操作过程,其中种质选择是影响药用植物产品产量和品质的关键性因素。人们试图从野生优质中药种源中寻找优良种质,分子生药学可以从遗传角度揭示不同种源的差异,建立DNA指纹图谱不仅可区分常用栽培品种,还可用于区分亲本及其杂交种;其次,中药材品种选育的主要目标是使中药材的生物学性状稳定、产量和药用成分可控,但大多数中药材的生长周期长,在进行育种的时候,也可以通过生物技术育种与传统育种结合,有效提高其品种选育的效率。
3. 从分子水平上研究中药材栽培养殖过程的质量控制
在中药材规范化种植过程中,药材的生长环境、栽培或养殖措施、生长年限、采收期、产地加工等因素均会对药材的质量产生重要的影响,这种影响是系统且复杂的。分子生药学将通过揭示上述复杂影响形成过程中的生物学机制,并建立以表型特征、遗传物质、化学物质为核心指标的道地药材“优形优质”质量控制体系,保证栽培药材质量的一致性。
三、分子生药学的内涵与外延
从名称来看,分子生药学和生药学有着密切的关系,有人误认为分子生药学是生药学的一个研究方向,实际则不然。分子生药学的理论基础是分子生物学,和生药学明显不同,分子生药学是在分子水平上研究中药的鉴定、质量的形成、中药资源保护与生产的一门学科。因此,药用植物学、生药学(中药鉴定学)、中药资源学、中药栽培学、天然药物化学(中药化学)都和分子生药学有着密切的关系。
分子生药学是一个开放的学科,在发展的过程中立足中药领域的基础科学问题和实际应用问题,不断利用和吸收生命科学、药学发展*新成果,丰富内涵与外延。
(黄璐琦 袁 媛 刘春生)
第二章 中药分子鉴定
随着近年来乌梢蛇、蕲蛇、金钱白花蛇、川贝母、霍山石斛等药材的DNA分子鉴定方法,以及聚合酶链式反应法、中药材DNA条形码分子鉴定法陆续被《中国药典》收载,中药分子鉴定已成为传统鉴定方法的有力补充。同时,中药分子鉴定向着快速、简便和高度自动化方向发展,不但用于解决中药的真伪鉴别问题,还在中药材生长年限、中成药中的原料药、中药材杂交品种以及共存微生物鉴定等方面得到应用。
**节 中药分子鉴定概述
中药是在中医药学理论指导下认识和使用,并能以中医药学理论体系的术语表述其性能、功效和使用规律,用于预防、诊断、治疗疾病及康复保健等方面的物质,包括植物、动物和矿物三大类。中药质量的保证是中医药事业健康发展的基石,而中药鉴定是保证中药质量的*要环节。由于中药市场存在掺杂制假、以次充好等现象,导致部分中药材或饮片合格率较低,同时针对一些疑难药材,如近缘种药材、贵重药材、动物药材等的鉴定方法,以及以多味中药材或饮片为原料的中成药检测方法和水平还不能满足市场监管的需要。随着分子生物学技术的快速发展,相对于传统中药鉴定方法而言,使用DNA分子特征作为遗传标记进行中药材基原鉴定,其结果会更加准确、可靠。
一、中药分子鉴定的概念及常用方法
中药分子鉴定是利用植物和动物药中的大分子信息(包括DNA、mRNA和蛋白质)进行中药鉴别的方法。物种间的差距归根结底在于DNA等遗传物质的不同。DNA分子稳定性高,DNA多态性几乎遍及整个基因组,容易找到种一级的鉴定特征,甚至可以进行种下等级的鉴定,在痕量样品和出土标本中仍可检测到DNA标记。在鉴定过程中利用DNA分子标记等技术来检测生物个体间DNA水平的遗传变异,分析不同中药品种的基因组成,可以实现中药的分子鉴定。
中药分子鉴定具有特异性强、稳定性好、微量、便捷和准确等特点,特别适合近缘品种、易混淆品种、珍稀品种、破碎药材、陈旧药材、腐烂药材及样品量极为有限的植物模式标本、出土的中药标本等珍贵样品、可获取DNA的中药及其制剂的鉴定,但对于不同药用部位的鉴定具有一定的局限性。
目前常用的中药分子鉴定方法一般分为三类:①基于PCR的分子鉴定,如特异性PCR鉴定;②PCR-RFLP法;③基于DNA测序的分子鉴定,如DNA特征性片段鉴定、DNA条形码鉴定。
二、中药分子鉴定产生的背景
中药种类繁多,使用历史悠久,来源复杂。由于一些药材名称或外形相似,或基原相近,甚至个别人为有意造假牟利等原因,存在药材误种、