烏頭屬5種植物ITS2和psbA-trnH鑒別適用性研究

朱高倩 ， 李雙良 ， 馬莉 ， 周培軍 ， 王麗 ， 符德歡

（1.云南省藥物研究所，云南昆明 650111；2.云南白藥集團創新研發中心，云南昆明 650111；3.云南省中藥和民族藥新藥創制企業重點實驗室，云南昆明 650111）

烏頭屬植物為我國重要的藥用植物資源，據《中華本草》記載可入藥的有60余種，具有祛風、散寒、止痛、止痙等功效，可用于治療風寒濕痹、關節疼痛、神經痛、四肢拘攣、半身不遂等病癥，臨床上廣泛應用于鎮痛、抗炎、局部麻醉、解熱等[1]。《中華人民共和國藥典》（以下簡稱《中國藥典》）2015年版收載了烏頭（A.carmichaelii）和北烏頭（A.kusnezoffii）2個種，為川烏、附子、草烏、制草烏及草烏葉5個藥材的基原植物[2]。

烏頭屬植物分布廣泛，物種豐富，生品有大毒，民間多基于經驗以其入藥，缺乏規范性，存在較大的安全隱患，不利于以烏頭類藥材入藥的中成藥質量保證。烏頭屬植物的基原鑒定主要以其植物形態、花果特征為重要分類依據。烏頭類的生藥學研究常采用性狀鑒別、理化鑒別、顯微鑒別進行研究，如顯微鑒別的淀粉粒數目、大小以及石細胞壁厚鑒別烏頭屬不同物種[3-6]，但這些鑒別存在依賴經驗和主觀性強的問題。近年來，隨著DNA條形碼技術的發展，《中國藥典》2015年版[2]將“中藥材DNA條形碼指導原則”納入中藥材鑒別方法，其中ITS2和psbA-trnH作為植物類中藥材DNA分子鑒定的重要鑒別位點。鑒于烏頭類植物遺傳分化復雜多樣，目前烏頭類的DNA條形碼研究還處于探索研究階段，已進行分子研究的烏頭屬植物種類比較有限，如郭豪杰等[7]對藏藥材榜嘎及其混偽品的DNA條形碼鑒定研究結果顯示ITS系列可作為鑒定榜嘎[船盔烏頭Aconitum naviculare（Bruhl.）Stapf或 甘 青 烏 頭Aconitum tanguticum（Maxim.）Stapf的干燥全草]及其混淆品的有效條形碼。張曉南等[8]對黃草烏、滇南草烏進行了ITS鑒別研究。He等[9]研究的19個種134個樣品的烏頭品種可以通過psbA-trnH基因間隔片進行鑒別。基于基原鑒定結果，本研究繼續對烏頭屬5種植物的ITS2和psbA-trnH的鑒別適用性進行研究，以期補充完善烏頭類藥材DNA條形碼信息數據，為加快烏頭類藥材DNA條形碼應用提供基礎數據，現將研究結果報道如下。

1 材料與方法

1.1 藥材 試驗所用材料采自云南省麗江市寧蒗縣、迪慶州香格里拉市、玉龍縣等地，包括顯柱烏頭系的3個居群長喙烏頭和1個居群石膏山烏頭、蔓烏頭系的3個居群瓜葉烏頭和1個居群玉龍烏頭、興安烏頭系的1個居群中甸烏頭的新鮮葉片，并用硅膠干燥，其憑證標本由中科院華南植物園楊親二研究員鑒定。5種烏頭來源信息見表1。

表1 5種烏頭的來源信息Table 1 Source information of 5 species of Aconitum

1.2 主要試劑 2×Power Taq PCR Master Mix（北京百泰克生物技術有限公司）；引物由華大基因合成；4S Green Plus無毒核酸染料（上海生工公司）；G-10瓊脂糖（西班牙BIOWEST公司）；1×TAE緩沖液。

1.3 主要儀器 Mastercycler聚合酶鏈反應（PCR）擴增儀、Centrifuge 5418高速離心機（德國Eppendorf公司）；DYY-6C凝膠電泳儀（北京市六一儀器廠）；ZF-258全自動凝膠成像分析系統（上海金鵬分析儀器有限公司）。

1.4 方法

1.4.1 DNA提取 采用改良十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）[10]提取5種烏頭葉片材料的DNA。

1.4.2 PCR擴增 采用引物ITS2F/ITS2R對提取DNA進行PCR擴增。引物序列同《中國藥典》2015 年版[2]。ITS2F，5’-GCGATACTTGGTGTGAA T-3’；ITS2R，5’-GACGCTTCTCCAGACTACAA T-3’。psbA，5’-GTTATGCATGAACGTAATGCTC-3’；trnH，5’-CGCGCATGGTGGATTCACAATCC-3’。反應體系為50 μL，其中含雙鏈DNA模板2 μL，正反引物（濃度為10 pmol/L）各 0.2 μL，2×Power Taq PCR Master Mix 25 μL，ddH2O 22.6 μL。ITS2位點的PCR擴增條件：預變性94℃4 min；進入循環，94℃變性30 s，55℃復性30 s，72℃延伸40 s，30個循環；72℃終延伸7 min。psbA-trnH位點的PCR擴增條件：95℃預變性4 min；進入循環，94℃變性30 s，55℃復性1 min，72℃延伸1 min，35個循環；72℃終延伸10 min。取PCR產物5 μL用1.5%瓊脂糖凝膠電泳檢測PCR產物，在全自動凝膠成像分析系統下觀察拍照。

1.4.3 PCR產物序列測定 PCR擴增產物直接送生工生物工程（上海）股份有限公司進行雙向測序。

1.4.4 序列分析 用DNAMAN、Bioedit軟件對PCR產物測序結果進行序列分析，基因區段通過NCBIBLAST（http：//blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi）進行確定。MEGA 5.1采用鄰接法（NJ，Neighborjoining）[11]構建系統發育樹。

2 結果與分析

2.1 烏頭屬5種植物的植物形態及塊根特征 烏頭屬5種植物的植物形態及塊根特征考察結果表明，5種烏頭植物形態在莖形態方面有差異，干燥塊根的形狀、斷面顏色、大小等方面不同。見圖1、表2。其中，長喙烏頭和石膏山烏頭歸屬于顯柱烏頭系，直立莖，長喙烏頭干燥塊根呈棕色、多側根、斷面深褐色，石膏山烏頭干燥塊根呈深褐色、少側根、斷面褐色；瓜葉烏頭和玉龍烏頭歸屬于蔓烏頭系，纏繞莖，干燥塊根均呈深褐色，瓜葉烏頭干燥塊根呈圓錐形、斷面灰褐色，玉龍烏頭干燥塊根呈倒圓錐形、斷面褐色；中甸烏頭歸屬于興安烏頭系，直立莖，干燥塊根呈棕色、圓錐形、斷面淡黃色。5種烏頭的大小無明顯界限。

2.2 烏頭屬5種植物ITS2和psbA-trnH的PCR擴增和測序情況 以ITS2F/ITS2R和psbA/trnH對烏頭屬5種植物共計70個樣品進行擴增，結果見表3和圖2。共67個樣品成功擴增獲得ITS2位點的PCR產物，全部測序成功；共69個樣品成功擴增獲得psbA-trnH位點的PCR產物，全部測序成功。

圖1 烏頭屬5種植物的植株形態及干燥塊根Figure 1 The features of the plant morphotypes and dried roots of 5 species of Aconitum

表2 烏頭屬5種植物的植物形態及干燥塊根特征信息表Table 2 The characteristic data of plant morphotypes and dried roots of 5 species of Aconitum

表3 5種烏頭ITS2和psbA-trnH的PCR擴增和測序情況Table 3 PCR amplification and sequencing results for ITS2 and psbA-trnH loci in 5 species of Aconitum （n/個）

2.3 烏頭屬5種植物ITS和psbA-trnH序列比對分析 5種烏頭屬植物9個居群67份樣品的ITS2序列全長均為208 bp，5種烏頭種間ITS2的序列比較。結果表明，3個差異位點可將顯柱烏頭系的長喙烏頭和石膏山烏頭、蔓烏頭系的玉龍烏頭鑒別開，但是蔓烏頭系的瓜葉烏頭和興安烏頭系的中甸烏頭之間無差異位點。見表4。5種烏頭中，ITS2的第169、185、203 bp處，長喙烏頭為T、C、T堿基，玉龍烏頭為C、A、T堿基，石膏山烏頭為C、C、C堿基，瓜葉烏頭和中甸烏頭為C、C、T堿基。

圖2 烏頭屬5種植物的ITS2和psbA-trnH位點的PCR擴增產物電泳圖Figure 2 Electrophoretogram of PCR products of ITS2 and psbA-trnH loci in 5 species of Aconitum

5種烏頭9個居群69份樣品的psbA-trnH序列比對長度均為233 bp，雖有個別種內差異，但是種間無差異位點。見表5。第164個堿基處，瓜葉烏頭有C/A堿基變異，其他4種烏頭均為C堿基，在第217個堿基處，瓜葉烏頭種內有缺失/T堿基的變異，其他4種烏頭均為缺失。

2.4 系統發育分析 以5種烏頭屬植物的9個居群的ITS2位點的序列，通過鄰接法建立系統進化樹（如圖3所示），結果顯示該位點上顯柱烏頭系的長喙烏頭和石膏山烏頭分別位于明顯的獨立分支，而蔓烏頭系的瓜葉烏頭和玉龍烏頭、興安烏頭系的中甸烏頭位于一個大支，其中興安烏頭系的中甸烏頭與蔓烏頭系的瓜葉烏頭最為近緣。

以5種烏頭屬植物的9個居群的psbA-trnH位點的序列通過鄰接法建立系統進化樹（如圖4所示），結果顯示瓜葉烏頭的其中部分樣品位于一獨立分支，而其他烏頭樣品均位于一個大支內。

表4 5種烏頭ITS2序列差異位點統計Table 4 Comparison of the specific loci of ITS2 sequence in 5 species of Aconitum

表5 7種烏頭psbA-trnH序列差異位點統計Table 5 Comparison of the specific loci of psbA-trnH sequence in 5 species of Aconitum

3 討論

3.1 烏頭屬植物傳統分類與ITS2分子鑒定有機平衡 分子標記技術是研究或運用能反映生物個體間、種群間、物種間等分類單位的基因組中某種DNA片段差異的技術[12]。ITS序列是近年來用于探討植物種間變異和種內變異以及近緣屬間系統關系的重要分子標記，在植物分類中廣泛應用[13-16]。前人研究也表明ITS序列在烏頭屬內部分物種也有一定的鑒別能力[17]。在本研究中ITS2對烏頭屬植物有一定的鑒別能力，可鑒別顯柱烏頭系的長喙烏頭和石膏山烏頭、蔓烏頭系的玉龍烏頭，但不能鑒別蔓烏頭系的瓜葉烏頭和興安烏頭系的中甸烏頭，二者在ITS2位點構建的系統發育樹上處于極為近緣的關系，表明蔓烏頭系的瓜葉烏頭和玉龍烏頭之間的遺傳距離大于蔓烏頭系的瓜葉烏頭與興安烏頭系中甸烏頭之間的遺傳距離，說明蔓烏頭系與興安烏頭系可能存在分類交叉。此結果與肖培根等[18]基于二萜生物堿進行的烏頭屬化學分類不謀而合，即蔓烏頭系可能是顯柱烏頭系和興安烏頭系的中間類群。而本研究中基于傳統分類鑒定法的形態特征結果表明，蔓烏頭系的瓜葉烏頭為纏繞莖，興安烏頭系的中甸烏頭為直立莖，具有明顯的差異特征，與ITS2分子鑒定結果不同。因此，我們認為雖然ITS2對烏頭屬很多種有很好的鑒定能力，但是分子鑒定方法是基于傳統分類鑒定結果建立的便捷方法，在其鑒定過程中應注意中間類群客觀存在的同異問題，有機平衡傳統分類和分子鑒定進行綜合判定其類群位置。

3.2psbA-trnH對烏頭屬植物分子鑒別的局限性空psbA-trnH在《中國藥典》2015年版中作為ITS2的輔助鑒定序列，在很多植物物種鑒定中確實具有很強的鑒定力以及保守性[19-20]。前人研究中該位點在烏頭屬的部分物種中也有一定的鑒定力，其中瓜葉烏頭與其他烏頭可很好地進行鑒別[9]，但是本研究中psbA-trnH對5個種的烏頭鑒別均不理想，說明psbA-trnH對烏頭屬的鑒別具有一定的局限性，psbA-trnH序列不能鑒別顯柱烏頭系的長喙烏頭和石膏山烏頭、蔓烏頭系的瓜葉烏頭和玉龍烏頭、興安烏頭系的中甸烏頭等5種烏頭屬植物。原因可能是本研究中的5種烏頭均產自云南麗江、迪慶等地，地理生態及其起源進化相對較近。

綜上所述，ITS2、psbA-trnH單獨使用或結合使用對烏頭屬的鑒別都有一定的局限性，應結合其他位點或其他技術領域進行綜合判定。

圖3 5種烏頭屬植物9個居群ITS2位點系統發育樹Figure 3 Phylogenetic tree for ITS2 loci in 9 population from 5 species of Aconitum

圖4 5種烏頭屬植物9個居群psbA-trnH位點系統發育樹Figure 4 Phylogenetic tree for psbA-trnH loci in 9 population from 5 species of Aconitum