轉錄因子調控對中藥材質量形成的作用＊

肖 瑩，馮婧嫻，陳萬生＊＊

（1.上海中醫藥大學中藥資源與生物技術中心 上海 201203；2.第二軍醫大學附屬長征醫院藥學部 上海 200003）

道地藥材因其具有優良的種質資源，產于適宜的生態環境，以致較同種藥材在其他地區所產者臨床功效地道實在、療效可靠，千百年來受到藥材市場的推崇。藥材的道地性主要體現在質優（有效成分含量高）和形優（獨特的生物學性狀，包括色澤、形態等）兩個方面[1]。以三七為例，道地產區云南文山所產三七的主要有效成分如多糖、三七素、三七皂苷R1、人參皂苷Rgl、Rd以及總皂苷的含量均顯著高于廣西靖西；同時單株鮮重和產量比廣西靖西的高3-5倍[2]。然而，隨著需求量的增加，道地藥材野生資源日益匱乏，當前藥材品質低下和資源不可持續已經成為制約中醫藥產業發展最大的瓶頸[3]。揭示和闡明道地藥材形成規律及其生態、生物學實質，對道地藥材資源的保護和開發，發展中醫藥產業具有重要意義。

道地藥材獨特品質的形成是特定種質與環境飾變長期交互作用的結果，即“表型=基因型+環境飾變”。優良品質遺傳基因是道地藥材形成與發展的內在因素。遺傳因素通過決定“代謝特質”與“形態特征”對道地藥材品質形成發揮主導作用；環境因子通過“調控基因時空特異表達”間接影響藥材品質[4]。轉錄調節是植物基因表達調節最重要的環節之一。轉錄因子作為轉錄調控最重要的成員，在細胞核內特異性識別并結合基因啟動子上的順式作用元件調控基因的時空表達，發揮中樞核心調控作用，參與植物生長發育、信號轉導、代謝調控及抗逆反應等各個關鍵環節[5]。越來越多的報道表明轉錄因子在調控藥用植物“代謝特質”與“形態特征”方面均發揮了重要作用，且有些轉錄因子可同時對兩個方面發揮調控作用從而影響有效成分的合成積累與生物學形態的塑造形成。因此，轉錄因子有可能是道地藥材“質優”與“形優”的關聯紐帶之一，為從分子層面闡述道地藥材形成規律和內在機制，進而開展藥材品質提升和資源保障提供了重要的切入點（圖1）。

圖1 轉錄因子調控中藥材質量形成的作用

1 轉錄因子對藥用植物“代謝特質”的調控作用

中藥有效成分是中藥具有確切臨床療效的物質基礎。有效成分的有無（真偽）多寡（優劣）是中藥品質的核心部分，有效成分的含量已成為評價中藥品質的主要內容和制定質量控制標準的依據[6]。有效成分的高效合成和/或穩定積累是道地藥材貨真質優最重要的因素之一。

中藥有效成分屬于植物次生代謝產物的范疇，包括酚類、黃酮類、木脂素、生物堿、糖苷、萜類、甾類、皂苷等。這些植物次生代謝產物不僅對植物自身的生存和生長具有重要意義，同時也是中草藥發揮療效的物質基礎，即中藥有效成分[7]。例如：萜類化合物青蒿素是植物青蒿抗瘧疾的有效成分；生物堿類化合物鹽酸小檗堿是黃柏治療腹瀉的有效成分；丹參酮和丹參酚酸類化合物是丹參治療心腦血管疾病的有效成分。

通過轉錄因子調控植物次生代謝途徑酶基因表達，整體激活中藥有效成分生物合成路徑，是實現中藥有效成分高效合成和定向積累的有效途徑，已取得許多令人興奮的研究進展。多種轉錄因子如bHLH、bZIP、WRKY、AP2/ERF 等均參與藥用植物中包括萜類，生物堿類，苯丙烷及其衍生物類等多種次生代謝產物的合成積累[8-10]。例如：青蒿中的青蒿素是一種倍半萜類化合物，作為目前世界范圍內治療瘧疾的首選藥物而受到廣泛關注，其生物合成途徑逐漸被研究清晰。轉錄因子AaERF1 和AaERF2 通過與青蒿素生物合成途徑關鍵酶基因ADS 和CYP71AV1的啟動子結合激活青蒿素生物合成途徑，調控青蒿酸和青蒿素的高效合成[11]；同樣，轉錄因子AaORA，AaTAR1，AaGSW1均通過調控ADS 和CYP71AV1 的表達影響青蒿素、青蒿酸和二氫青蒿酸等化合物的生物合成[12]。目前應用較廣的天然抗腫瘤成分長春堿和長春新堿是來源于藥用植物長春花的萜類吲哚生物堿，其生物合成受到甲基茉莉酸（MeJA）響應的AP2/ERF 轉錄因子家族成員ORCA3 的影響。ORCA3 可直接作用生物合成途徑上TDC、STR、CPR等多種關鍵酶，影響長春堿和長春新堿的合成。而bHLH轉錄因子BIS1能與環烯醚萜路徑的G8O 等關鍵酶基因互作，促進長春花中萜類吲哚生物堿的生物合成[13]；本課題組從丹參中分離獲得了信號分子甲基茉莉酸MeJA 響應的轉錄因子SmMYC2a 和SmMYC2b，并發現他們與SmHCT6、SmCYP98A14 等酶互作同時調控丹參酚酸類和丹參酮類成分的生物合成[14]；我們從菘藍（板藍根的基源植物）中分離獲得了AP2/ERF轉錄因子Ii049，并發現該轉錄因子通過參與水楊酸SA 信號轉導調控落葉松脂素等板藍根抗病毒活性成分的生物合成[15]。

2 轉錄因子對藥用植物“形態特征”的調控作用

道地藥材的品質形成是道地藥材的基因型和特定的生態環境長期飾變的共同作用，與非道地藥材相比，通常顯現出獨特的生物學性狀。例如，寧夏枸杞較其他產區者，粒大、色紅、肉厚、質柔潤、籽少；懷地黃的根更加粗壯；甘肅岷縣的當歸主根肥大而長，支根少而粗壯，內外質地油潤，氣味清香。道地藥材這些獨特的生物學性狀與藥材的品質密切關聯。傳統“辨狀論質”方法即是以特定形態特征作為中藥品質評判的標準，在藥材商品的鑒定、規格分級等生產實踐中廣泛應用[16]。以丹參為例，現行的丹參商品規格，一等品丹參需主根直徑＞1 cm，表面紫紅色或黃紅色，斷面紅色或棕色；二等品則直徑介于0.4-1 cm之間[17,18]。此外，大量丹參種質研究發現，葉型[19,20]；株型[21]；花色[22]等性狀也與丹參的品質具有顯著的相關性。因此，挖掘影響藥材特定形態特征形成的關鍵遺傳基因是揭示道地藥材優良品質形成機制的重要內容之一。

轉錄因子對藥用植物形態特征的調控作用近年來聚焦于青蒿素儲存分泌的產所青蒿腺毛發育的相關研究中。青蒿葉片上分布的腺毛發育增強，密度增大，或者處于分泌期的數量增多等，都可能提高青蒿中青蒿素的產量。MYB 轉錄因子家族成員參與青蒿腺毛的生長發育過程，在過量表達AaMYB1的青蒿植株中，腺毛的數量顯著增加[23]；另一個MYB 家族轉錄因子AaMIXTA1主要在分泌型腺毛的兩個基細胞中優勢表達，能夠促進分泌型腺毛的生成，增加腺毛的密度[24]；轉錄因子AaHD1 通過參與茉莉酸介導的腺毛生成過程促進腺毛的生成[25]；而AaHD8 不僅能夠直接激活青蒿角質層生物合成途徑上的基因，還能促進AaHD1的表達，甚至可以與AaMIXTA1互做形成調控complex進一步促進腺毛的生成和角質層的形成[26]。本課題組通過調控AP2轉錄因子AaTAR1促進了青蒿腺毛的發育[27]。以上轉錄因子對青蒿腺毛發育的調節作用，為促進青蒿素在青蒿植物中的生物合成創造了良好的條件，均大幅提高了青蒿素的含量。

在一些模式植物的研究中，能夠調控組織器官生長發育的轉錄因子也相繼被報道。其中擬南芥中的LHY 轉錄因子能夠影響開花時間[28,29]；而AtMYB35，AtMYB80，AtMYB33，AtMYB65等會影響花藥的發育[30-33]；AtMYB26通過調控木質素的合成影響藥室內壁次生壁加厚來影響花藥開裂等多種方式影響花的生長發育[34]。轉錄因子ABI4通過誘導一系列脫落酸ABA 相關反應基因的表達，或與bZIP 轉錄因子ABF3 等相互作用影響植物側根的生成[35,36]。以上研究為揭示紅花、西紅花等以花入藥，丹參、板藍根等以根入藥的藥材的形態特征形成機制提供了有益借鑒，有望通過轉錄因子的調控獲得與中藥品質相關聯的預期生物學性狀或形態特征，進而達到中藥品質改良和提升的目的。例如，本課題組發現MADS 轉錄因子家族基因AGL6 表達與西紅花的柱頭發育密切關聯，推測其可能通過改變柱頭生物量調控西紅花酸等藥效成分的生物合成；我們通過轉錄因子IiWRKY34 調控板藍根的根系發育，不僅有效增加了板藍根的產量，顯著促進了抗病毒活性木脂素類成分的生物合成，還提高了植物抗鹽、抗旱的能力。

3 小結與展望

基因組學、轉錄組學、代謝組學、生物信息學等組學技術和分子生物學技術的快速發展，極大加速了轉錄因子的分離、篩選和功能研究的進程，也為解密道地藥材品質形成機制復雜命題帶來了前所未有的契機。從轉錄因子入手，揭示其對中藥“代謝特質”和“形態特征”的調控作用，是解析這一復雜命題的有效途徑，對實現道地藥材種質資源保存、選用乃至品質提升與遺傳育種具有重要意義。

當前，藥用植物野生資源日漸耗竭，人工栽培品已逐漸成為中藥材的主要來源。針對當前藥材品質低下和資源不可持續的問題，如何人為地提高種植藥材的質量，保證其與道地藥材的品質相類同，這是從事中藥材工作的同仁們共同面臨的新課題。本課題組長期聚焦“基于藥效物質的中藥品質調控”研究，秉承“質量源于設計”的研究理念，形成了“組學數據獲得與挖掘→品質形成機制發現和驗證→目標導向的品質改良和優化→質量評價→種質創新”的中藥材種質資源評價及創制的研究思路。我們以丹參、板藍根等大宗藥材為對象，在闡釋其品質形成機制的基礎上，開展優良種質識別、培育、種植和推廣研究：將中藥材品質關聯的遺傳基因（如轉錄因子等）作為分子標記（Q-Marker），對種質識別、種苗選育和栽培管理等各關鍵環節進行全程質量監控，促進植株優良性狀的形成，從而實現藥材品質的“精準調控”。我們相信，隨著道地藥材品質形成機制的深入研究，轉錄因子等遺傳基因對中藥品質調控作用的逐漸闡明，藥材種植“精準調控”技術的逐步推廣，優質藥材的獲得模式從“被動篩選”向“主動創制”的轉變將得以實現。