進化生態學在藥用植物種質資源評價中的應用與展望

徐燕玲，王振宇，楊淑達，陸露

昆明醫科大學藥學院云南省天然藥物藥理重點實驗室，云南昆明650500

植物種質資源是指一切具有遺傳物質或基因的各類植物的總稱，包含所有可利用的遺傳載體[1]。植物種質資源評價主要涉及對植物學性狀、外觀品質、內部經濟性狀、農藝性狀、營養價值、抗逆性和病蟲害、活性成分、種質資源鑒定、種類與空間分布、遺傳多樣性分析、親緣關系、基因流模式、育種栽培與保護等多方面的評價[2-8]。藥用植物種質資源是中藥生產的源泉，藥用植物種質質量是中藥材品質的重要影響因素之一，評價核心指標以臨床效果和中藥材道地性研究為主，同時兼顧藥用植物資源分布與蘊藏量、藥用植物種質鑒定、遺傳多樣性檢測、親緣關系分析、藥用植物有效成分含量測定、瀕危藥用植物保護以及藥用植物栽培和育種等方面[9-10]。

藥用植物種質資源傳統評價方法主要有以下幾種：（1）藥用植物的資源調查，即藥用植物資源的分布、種類、蘊藏量與種質資源多樣性[11-12]，采用樣方調查、訪問調查、踏查及統計報表等方法[13]；（2）中藥材基原與品質鑒定，傳統上常采用性狀鑒別、顯微鑒別、粉末鑒別、理化鑒別等方法[14]；（3）藥用植物化學成分定性定量分析，評價藥用植物種質資源。隨著科技進步與發展，高效液相色譜法（HPLC）、薄層色譜法（TLC）、紫外-可見分光光度法（UV-VIS）、近紅外分光光度法（NIR）、中藥指紋圖譜、X 射線衍射等現代分析技術相繼被應用，該類技術主要通過對目標化學成分提取、分離，然后進行定性和定量分析，開展藥用植物的物種鑒定和質量評價[15-16]。以上幾種方法在藥用植物種質資源評價中得到廣泛應用，但在一些方面具有局限性：（1）傳統調查藥用植物資源特別是野生資源蘊藏量，主要根據中藥材產地收購量進行推算，容易受主觀因素影響，缺乏客觀科學性[17]；（2）性狀及顯微鑒定等方法對鑒定人員的經驗要求高且主觀性強[18]，而精準性較低；（3）中藥是在中醫理論指導下發揮治療疾病的作用，而HPLC 等化學分析方法多以單一或單類成分的含量為參考指標，與中醫理論的多種成分整體作用理論思想不一致[19]；（4）傳統的資源普查方法難以反映植物多樣性和環境因子在多維空間上的內在聯系[20]；（5）藥用植物化學成分（藥物活性）與其遺傳、生態環境關聯性不明晰，傳統評價方法不涉及解析藥用植物資源的遺傳背景及優質中藥材（道地藥材）的進化機制，未能將藥用植物品質特征與地理結構、生態環境進行關聯并揭示規律性，不利于藥用植物的產地評價。

進化生態學是研究生態系統各級組成之間及其與生態環境背景之間生態規律的學科，主要研究生物多樣性和種群結構問題的生態與遺傳基礎，生物群落和生態系統的多樣性及系統演化；是20世紀60年代產生的一門綜合性學科；是生態學與遺傳學、進化生物學等多學科的融合產物，用于探索物種為適應所處環境的進化機制[21-23]；它的出現為解決上述問題提供了有效的交叉學科方法與技術。進化生態學學術理念啟示了藥用植物資源研究者將藥用植物表型特征與生態因子、基因位點相關聯，分析藥用植物表型-基因型-化學型-環境因子之間的動態關系[6]，植物的次生代謝產物是植物在長期進化過程中與環境相互作用的結果[24]，藥用植物化學成分的種類與含量受到了遺傳和環境的共同影響。因此環境多樣性與遺傳多樣性影響了藥用植物化學成分的多樣性，進而導致中藥臨床療效的多樣性、影響藥用植物的開發利用與中藥材的生產加工等。采用進化生態學手段研究環境或遺傳因素在藥用植物生長過程中對其性狀、品質、蘊藏量、分布等方面的影響，可從動態發展的角度對藥用植物資源進行更綜合、更科學的評價，進一步完善藥用植物種質資源的評價體系。進化生態學的研究方法可以將植物的生存環境參數與其分布地點相關聯，用于預測在全球環境變化下資源的動態分布狀況；將藥用植物的進化史、植物學性狀、中藥材品質與地理變異、生態環境進行關聯分析，評價其遺傳多樣性，為藥用植物的分類、鑒定、開發利用、引種栽培提供理論基礎；將藥用植物的質量和數量性狀進行關聯分析，定位目標基因，為藥用植物分子育種和性狀改良提供理論基礎。

1 進化生態學分析方法與應用

進化生態學的研究手段涉及了大量的基于進化生物學和生態學模型的統計分析方法，用以將物種內在特質（多樣性）與生態環境相關聯，探索二者間的相互影響與動態變化。進化生態學的基本分析方法包括基于普通生態學數據的數量分析（如相關性分析、方差分析、聚類分析）、基于分子生物學數據的遺傳分析（如多變量模型、數量性狀位點分析、遺傳多樣性檢測）和計算機遺傳建模等[25]，這些分析方法可進一步組合為綜合分析方法，其中，分子標記、分子譜系地理分析、景觀遺傳分析、生態位模型分析、性狀關聯分析等綜合分析方法在藥用植物種質資資源研究與評價中應用較多，本文主要介紹這幾種方方法的概念與應用，闡釋藥用植物種質資源的綜合評評價體系（圖1）。

圖1 基于進化生態學的藥用植物種質資源綜合評評價體系Fig.1 A comprehensive evaluationsystem for germplasm resourcesof medicinal plants based on e volutionary ecology

1.1 分子標記

分子標記是反映生物個體或種群間基因組中某種差異特征的核苷酸序列[26]，這些序列相互之間由于堿基的變異、缺失、插入、易位、倒位、重排導致堿基組成和長度不一，從而產生多態性，分子標記技術用來檢測這些多態性[27]。分子標記技術具有速度快、靈敏度好、特異性強、準確度高等優點，獲取的基因數據用來進行建立系統發育樹、獲取遺傳標記、構建連鎖不平衡圖譜，是進行分子譜系地理分析、景觀遺傳分析、性狀關聯分析的數據基礎，被廣泛應用于藥用植物遺傳多樣性檢測、親緣關系分析、瀕危藥用植物的保護、藥用植物的栽培與性狀改良的研究[9,28-29]。同時，由于不受生物體生長發育階段、供試部位、背景信息與形態等方面的限制，分子標記技術（廣義上包括DNA 條形碼技術）被廣泛應用于藥用植物種質資源（特別是基原）的物種鑒定[30]。

常用的DNA分子標記技術主要有限制性片段長度多態性（restriction fragmentlength polymorphism，RFLP）、隨機擴增多態性DNA（randomly amplified polymorphicDNA，RAPD）、擴增片段長度多態性（amplified fragmentlength polymorphism，AFLP）、簡單重復序列（simple sequencerepeat，SSR）、單核苷酸多態性（single nucleotide polymorphism，SNP）、內部簡單重復序列（inter-simple sequence repeat，ISSR）、基因芯片、單片段DNA條形碼、多片段DNA 條形碼、迷你條形碼、超級條形碼和宏條形碼技術等[31-32]。RFLP是較早開發的分分子標記技術，被應用于藥用植物鑒定、遺傳多樣性性檢測、親緣關系分析以及構建基因連鎖圖譜等研究[9]。RAPD多用于藥用植物的基因多態性與遺傳多樣性分析[9,33]。AFLP多用于遺傳結構和地理分布關關系、物種起源和藥用植物種屬間系統發育關系分析析[34-36]。SSR 和SNP分子標記具有穩定性好、多態性性高、共顯性且易于高通量檢測等優點，成為目前遺傳多樣性分析的重要手段[37]。SNP基因位點檢測可將植物的表型性狀相關基因與環境變化相互聯系系，用于藥用植物的道地性評價與形成機制研究[38--39]。ISSR 也通常用于藥用植物遺傳多樣性的研究，因開發成本低、實驗程序簡單而廣為使用[40]，但因其不能區分顯性純合和雜合基因型具有研究局限性性。近年來，DNA 條形碼技術飛速發展，因其鑒定能能力強，快捷高效，在鑒定沒有背景信息的中藥材樣品以及在方法通用性和可數字化方面具有一定的優勢[41]，已經在中藥材鑒定方面得到廣泛的認同和和應用[42]。

隨著測序技術的革新和生物信息學的發展，單片段DNA 條形碼、多片段DNA 條形碼（如植物國際通用條形碼matK、rbcL、psbA-trnH、ITS 及其組合）、迷你條形碼等已經遠遠不能滿足鑒定需求[43]，超級條形碼和宏條形碼技術相繼推出，分別在藥用植物困難類群（引物通用性不高、擴增效率低、近緣種間差異小、進化機制復雜）或非標準材料（DNA 降解嚴重的材料），與多物種混合材料（復方中成藥）的基原/物種鑒定展現了強大的生命力。基于葉綠體全基因組的超級條形碼能夠準確鑒定砂仁（豆蔻屬物種）[44]、石斛（不同產地的鐵皮石斛）[45]等藥用植物，且在鑒定近緣物種方面有良好的應用前景[41]。通過宏條形碼技術，學者們開展了對九味羌活丸[46]、龍膽瀉肝丸[47]等中成藥藥用植物物種組成的相關研究，提出了利用宏條形碼技術鑒定市售混合中藥材種子的方法[48]。目前，轉錄組測序（RNA-seq）是研究生物體在特定時期和特定組織基因表達的重要方法，也逐漸用于道地藥材的品質鑒定[49]、挖掘參與活性成分生物合成途徑的功能基因以及開發分子標記[50]等研究中，在丹參[51]、花椒[49]等藥用植物中得到應用。

1.2 分子譜系地理分析

譜系地理學的概念是由Avise[52]提出，即通過遺傳信息來研究地質結構與變化對物種地理分布的影響，用于探討物種的基因譜系在當前地理分布格局的歷史成因以及解釋物種進化和生態進程。溯祖理論是譜系地理學的重要理論基礎，根據種群中現有的中性遺傳變異回溯變異的歷史過程，以探討物種的進化機制[53]。借助DNA 分子標記技術和嵌套分析，描述單倍型的地理分布、估計基因分化時間、對涉及種群的歷史事件進行數學模擬，全面地反映種群的進化歷史[54]。分子譜系地理在揭示遺傳多樣性的地理結構（藥用植物地理分布成因）等方面有重要作用，可用于瀕危藥用植物資源保護、栽培起源、道地藥材形成機制以及植物有效成分的地理分布等評價。

由地形起伏造成的地理障礙是生物多樣性的主要成因之一，我國西南地區植物顯著的遺傳多樣性及差異，與該地區因板塊運動造成的青藏高原、云貴高原、喜馬拉雅山及橫斷山脈抬升等密切相關，地理障礙形成了基因流屏障，影響了種群遺傳結構和分布，促使了遺傳分化與物種多樣性的形成[55-56]。該類研究對深入了解藥用植物的種質遺傳背景與地理分布的相關性具有重要的指導意義。劉玉萍等[57]揭示了廣藿香葉綠體基因遺傳分化與產地（道地性）有良好的相關性；Wang 等[58]闡明了銀杉瀕危機制是由于生境破碎化導致的基因流阻斷，并提出了遷地保護的建議；Xu 等[59]揭示了野生菰和栽培菰的譜系關系并推測了太湖以北是菰的栽培起源地；袁慶軍等[60]綜合論述了分子譜系地理分析在道地藥材研究中的理論、方法和案例等應用。另外，通過物種現存遺傳分布格局和譜系關系可推測藥用植物冰期進化歷史，揭示氣候和環境變化對其地理分布格局的影響[61]。藥用植物遺傳多樣性的地理分布也深受第四紀冰期波動影響，如露蕊烏頭[62]、麻櫟[63]、唐古特虎耳草[64]。亞洲季風的增強亦可為植物遺傳多樣性的增加提供重要保障[65]。四川季風氣候明顯為該地藥用植物多樣性提供了良好生境[66]。季風氣候適合浮萍科植物生長，積累了紫萍等藥用植物的遺傳多樣性[67]。

1.3 景觀遺傳分析

景觀遺傳學由Manel 等[68]提出，是生態學、遺傳學與地理學交叉產生的新領域，主要分析量化景觀格局變化與物種微觀進化（如基因流、遺傳漂變、選擇）的相互影響，評估生態環境因子（如氣候、溫度、光照等）對遷移、傳播和基因流的影響效果，用以分析種群遺傳結構與遺傳多樣性成因[69]。景觀遺傳分析是通過遺傳標記（如分子標記、生化標記、細胞遺傳標記、形態標記等）確定種群的遺傳結構，然后將遺傳結構與環境特征進行耦合分析[70]。譜系地理學主要以群體遺傳學和系統發育學的分析方法探討物種的歷史動態，與景觀遺傳學的融合特別是應用地理信息系統，可將地理空間數據和遺傳數據結合，更加有助于推斷和檢驗物種的進化過程[71]。基于分子標記方法（微衛星、擴增片段長度多態性）構建的遺傳學框架，直接將環境數據與基因組區域內選擇下的基因位點相關聯，景觀遺傳學可用于分析藥用植物遺傳多樣性與環境因子的相關性，在研究環境與道地藥材的形成機制、瀕危藥用植物保護、栽培育種最適環境因素檢測等方面有著重要作用[68]。

Gao 等[72]研究表明，相比于地理距離，土壤鹽度是黃河三角洲蘆葦種群間的遺傳距離形成的主要原因。主要分布于北方和中原地區的連翹是我國暖溫帶地區具有代表性的藥用植物，研究發現，由于人類對連翹果實的過度采摘，連翹的遺傳多樣性比中國其他種子植物的遺傳多樣性低，地理距離和溫度對連翹種群的遺傳分化起到顯著的促進作用。基于景觀遺傳學分析，可以將具有較高水平遺傳多樣性和大量稀有等位基因的種群優先進行保育[73]。Zhang 等[74]解析了導致香果樹群體局域適應的環境因素，發現其擴增片段長度多態性的部分離群位點受到了環境因子選擇，與每日平均溫差、季節溫度、最熱月的最高溫、年降水和季節降水5 個環境因子具有最強的相關性。

1.4 生態位模型分析

生態位模型是指基于生態位理論所建立的數學統計或預測模型，在實際工作中以已知樣本點的野外調查和標本記錄為基礎，分析物種在生態位空間和環境空間中的特征來研究物種對環境的耐受能力，用于推測物種的分布[75-76]。生態位模型包括最大熵模型[77]、基于規則集的遺傳算法（genetic algorithm for rule-set production，GARP）生態位模型[78]、生物氣候分析系統[79]、生態位因子分析模型[80]、Grinnell生態位模型[81]。生態位模型的構建原理主要基于已有物種的分布資料和環境數據，探索物種已知分布區的環境特征以及預測潛在分布區域[82]，建模過程可以解釋物種在此環境下的生存原因，預測物種可能的生存環境條件。生態位模型根據物種實際分布范圍和環境變量，通過一定的算法來預測物種能否在該區域生存，并推測或預測植物在全球過去和未來氣候變化下的潛在分布[77]。在藥用植物資源調查（資源蘊藏量）與物種多樣性保護中有著良好的應用與前景。

最大熵生態位模型目前運用較廣，呂汝丹等[83]對羽葉鐵線蓮的潛在分布區和適宜等級進行了預測。張海龍等[84]發現連翹的核心分布區主要位于我國中部和東部地區，推測了影響連翹分布的主導環境因子以及最適宜生長的生態位參數，為連翹分布的研究、大范圍推廣種植等經濟價值挖掘提供了理論指導。陳博等[85]綜合55 個生態因子分析了肉蓯蓉在甘肅省的生態適宜性分布區域。此外，遙感與地理信息系統技術也被應用到生態位模型分析中對物種適生區進行預測，如方清茂等[86]在對四川省地理環境、生態因子（海拔、氣候、土壤）等研究的基礎上，將四川省道地藥材劃分為4 個區，并確定了86 種川產道地藥材的適宜區與最適宜區，服務于四川省中藥材生產的合理布局與中藥材品質提升。結合高分辨率的遺傳分化格局、地理分布、環境氣候變量推測物種的生態需求，揭示最適生長環境，并預測資源蘊藏量，是藥用植物種質資源評價的一種重要方式。

1.5 性狀關聯分析

關聯分析也稱關聯作圖、連鎖不平衡作圖，是以連鎖不平衡為基礎，鑒定某一群體內目標性狀與遺傳標記或候選基因關系的分析方法[87]。關聯分析通常從具有廣泛遺傳多樣性的自然群體中選擇個體，對目標性狀進行完整和準確的表型分析，基于分子標記技術確定植物的群體結構與親緣關系，利用統計軟件程序將表型與基因型數據聯系起來[26]，可用來挖掘藥用植物關鍵性狀的功能基因、開發功能標記，在品系育種、改良性狀和品質安全保障等方面具有良好的應用潛力，該分析一般分為基于候選基因與基于全基因組的2 種類型。

藥用植物種質資源有豐富的基因資源，如抗病性、抗逆性以及一些特殊用途的基因等，利用關聯作圖可定位這些優良性狀的基因位點，為藥用植物品種改良以及尋找藥用植物的新資源提供理論基礎[88]。研究發現，黃芩中與總皂苷和總黃酮含量發生關聯的基因位點共61 個，其中16 個是2 個性狀共同的關聯位點，有5 個是與總黃酮和甲苷含量性狀同時關聯的位點[89]；劉穎等[90]發現甘草的3 個功能基因拷貝數的組合多態性與其產地、形態及甘草酸量具有關聯性，可能成為解釋藥材道地性形成機制的關鍵因素之一。Cu/Zn-SOD基因與Mn/Fe-SOD基因分別為吳茱萸的親水性酸性氨基酸與親水性堿性蛋白的編碼基因，該成果為提高吳茱萸抗旱能力以及抗旱新品種選育奠定了重要的理論基礎[91]。

2 進化生態學在藥用植物種質資源評價中的應用及前景分析

2.1 藥用植物種質鑒定

藥用植物種質鑒定是種質資源評價的關鍵環節，對于確定原植物、確保藥效、合理保存利用現有種質、尋找開發新的藥用植物等研究工作具有重要意義[92]。鑒定是在資源類群中鑒別目標優質種質材料，在藥用植物資源的保存中去偽存真，提高保存效率。傳統上藥用植物種質鑒定主要存在2 個問題：首先，對于形態相似的易混淆種或近緣種（遺傳上）難以準確確定；其次，鑒定方法單一，沒有將植物性狀或化學成分的鑒定結果與產地生境相關聯。進化生態學研究方法的融入很好地解決了這2 個問題。

一方面，分子標記技術在易混淆種與近緣種鑒定方面具有獨特優勢，通過基因片段分析，從本質上反映不同個體或群體間的差異，對易混淆種與近緣種進行準確快速地鑒定。如“骨碎補”是用于治療骨折和相關骨病的傳統中藥材，藥材市場上存在大量形態相似的其他干燥根狀莖混偽品，通過葉綠體基因組測序篩選的trnS-psb30、rbcL-accD、ndhB-trnR3 個SCAR 標記，只需通過PCR 擴增和瓊脂糖凝膠電泳即可實現對“骨碎補”準確高效的鑒定[93]。熊瑤等[94]選取了幾種不同的DNA 條形碼序列對雞血藤及其偽品做了鑒定，確定了以ITS2為主、psbA-trnH 序列為輔的快速、準確的鑒定方法。另一方面，受進化生態學的啟示，不少學者將藥用植物的植物學性狀與產地相關聯，實現了藥用植物的產地鑒定，為道地藥材的研究提供了理論基礎。陳瑞芳等[95]將烏藥的顯微特征與環境相關聯，發現6 種不同產地的烏藥粉末特征存在明顯區別，可用于不同產地烏藥及其偽品的鑒別。顧志榮等[96]采用主成分分析方法，實現了基于傅里葉變換紅外光譜儀及化學計量學方法的不同產地鎖陽藥材的分類鑒別。

2.2 藥用植物種質多樣性評估

種質資源主要是指遺傳資源。遺傳多樣性又稱為基因多樣性，經過長期自然選擇而產生，是演化的指標之一。藥用植物的遺傳多樣性越高，環境適應能力可能就越強[97]。種質資源多樣性是藥用植物種質鑒定、利用基因資源、引種栽培和資源保護的基礎[98]。研究藥用植物遺傳多樣性，了解種間及種內的遺傳變異，有利于探索瀕危藥用植物的機制、制定科學保護措施與選育方針[99]。

DNA 分子標記可用來檢測遺傳多樣性，相比于形態學和細胞學等傳統多樣性手段，分子標記直接檢測DNA 變異模式，不受植物表型與環境因素影響，更具準確性；同時，分子標記不僅可以檢測種內遺傳多樣性，還可比較種間遺傳多樣性，確定優先保護順序[100]。分子標記各類方法已被應用于梔子[101]、天麻[102]、金蕎麥[103]等多種藥用植物的遺傳多樣性與親緣關系分析。再者，物種遺傳多樣性不僅與個體差異有關，而且受地理分布與環境影響[104]。分子譜系地理與景觀遺傳分析手段可探索地理格局與環境因素對種群遺傳結構、基因流的影響，揭示藥用植物進化歷史與種群間關系，為瀕危藥用植物的保護提供參考措施[100]。AFLP 分子標記揭示了忍冬種內存在高度遺傳多樣性，且遺傳差異存在明顯的地域性[105]；谷聰等[106]利用AFLP 分子標記和HPLC技術，研究了環境對黨參屬不同植物遺傳結構和化學成分的影響，發現黨參種間遺傳背景的相似性與地理空間有關，其化學成分易受栽培環境的影響；孫曉等[107]基于遺傳-化學-生態策略，對西洋參轉錄組數據、人參皂苷含量及環境氣候生態因子3 者進行了相關性分析，為闡釋西洋參兩大生態型品質變異的形成機制提供了新思路。

2.3 藥用植物資源調查與預測

我國藥用植物種類繁多，涉及83 科2309 屬11146 種，占中藥資源種類的87%[108]。然而，由于植物本身生長的生態地理環境具有差異性，致使藥用植物野生資源的分布呈現一定的地域性，資源中的有效成分質量和數量也因此呈現了地域性差異[109]。進化生態學對了解藥用植物的分布范圍與潛在蘊藏量具有重要意義。生態位模型分析、景觀遺傳分析等方法可用來推測藥用植物對環境因子的適應性，為預測藥用植物在野外分布情況及評估中藥材野生資源蘊藏量提供了有效的理論指導。地理和氣候等因素所致的土壤環境異質性，以及距離及宿主選擇等隔離因素所致的離散限制性，是藥用植物微生態地理分異的主要成因[110]。氣候因子對道地藥材品質和產地產生了重要影響，通過生態位模型分析可以預測道地藥材的遷移分布[111]。張海龍[112]基于GARP 生態位模型和氣候環境圖層建模，定性、定量地推測了桃兒七在我國的潛在適生分布區的面積與位置，為該中藥材適生區研究提供了參考。袁峰[113]通過譜系地理和生態位模型分析揭示了印度北阿肯德邦及中國西藏那曲地區南部、西藏林芝地區北部、青海環青海湖地區、川西地區、滇西北地區為冬蟲夏草的適宜生長區域。

2.4 藥用植物道地性研究

道地性可看作道地藥材的特有屬性，主要通過道地藥材的質量性狀（如外觀、所含次生代謝產物）、遺傳性狀、生境等特性來體現，是道地藥材的遺傳背景、表型與環境在長期協同進化過程中產生的[114]。由于道地藥材較同種其他產區中藥材的品質好、療效佳，具有重要的研究意義以及開發利用價值[60]。道地性的評價主要包括道地藥材的遺傳多樣性與形成機制、道地藥材基原鑒定、道地藥材地理變異與環境適應性研究、道地藥材的栽培選育等方面。

進化生態學涉及的分析方法已在道地藥材的研究中得到了廣泛運用。首先，藥用植物種質鑒定、遺傳多樣性評估對于道地藥材形成機制具有重要意義。通過分子標記（如RAPD、AFLP、ISSR、SSR），連翹[115]、對葉百部[116]、烏頭[117]等道地藥材的遺傳多樣性式樣已得到相關解析。對名優道地藥材的遺傳信息進行比較分析，可進一步找到劃分藥用植物種質檔次的分子標記，以促進藥用植物的道地性研究[118]。其次，由于道地藥材來自固定產區，所以道地藥材的形成與地理、氣候環境存在極大關系[119-120]。道地藥材具有逆境性，是環境脅迫的結果[121]，道地藥材在長期適應特定脅迫的過程中，不斷積累相關遺傳及表觀遺傳變異，成為其品質形成的重要條件[122]。表型特征尤其是次生代謝產物的種類與數量是道地藥材優于其他同種藥材的標志，也是其藥用效果優良的主要原因[123]，采用關聯分析法定位控制次生代謝產物的基因位點[88]，可從基因水平研究道地性形成機制。

2.5 藥用植物的保護與栽培育種

我國藥用植物野生資源豐富，但由于一些資源的市場需求量大、不合理采挖、生境破環等原因，許多藥用植物野生資源量逐年下降，甚至處于瀕危狀態[109]。因此，對藥用植物尤其是瀕危藥用植物資源的保護迫在眉睫。藥用植物遺傳多樣性研究可提供科學的保護措施，親緣關系分析為尋找替代資源或藥物以緩解中藥材市場壓力提供了有效途徑。另外，藥用植物的人工栽培也是緩解我國中藥材資源市場壓力、保護瀕危中藥材野生資源的有效措施，是選育高產優質品種、保證中藥材質量、提高有效成分含量的可靠且有效的手段[124]。

選取優良栽培種是人工栽培的第1 步，首先，通過藥用植物資源調查與遺傳多樣性分析可判斷藥用植物的人工栽培需求，并選取優良性狀品種。如袁慶軍等[60]提出，黃芩來源多樣，不同種源黃芩間具有豐富的遺傳多樣性，但與地理分布沒有相關性，所以應注重種子的選育和管理。其次，藥用植物的分子育種目標是提高藥用部位的生物產量和藥用成分含量[125]，而藥用植物有效成分多為次生代謝產物，受地理環境影響大，通過對分子譜系地理學、景觀模型與生態位建模等，可揭示野生藥用植物種群進化歷史、推測藥用植物最適環境因子，為選取適合栽培品種以及栽培環境提供理論指導。如氣候與土壤因子會影響杜仲次生代謝產物的積累，土壤中含有堿解氮、速效鉀和有機質較高的地區，杜仲品質較優，為杜仲的規范化種植提供了參考[126]。此外，藥用植物的次生代謝產物主要為多基因調控，其含量多屬于數量性狀。Doebley[127]指出，數量性狀基因都是復雜代謝過程的一個環節，很難利用轉化的方法予以驗證，在對候選基因的網絡代謝調控系統不是很清楚的情況下，可以利用關聯分析驗證其功能。通過關聯分析標記功能基因，選出優良基因型并使之固定，培育優良中藥材。Graham等[128]通過對黃花蒿的轉錄組進行深度測序，識別了控制青蒿素產量的基因和遺傳標記SNP，利于快速育種。在牛蒡[129]、遠志[130]、青風藤[131]、白花丹[132]等藥用植物的轉錄組數據中分別發現與木脂素、三萜皂苷、青藤堿和白花丹素等化合物合成相關的基因，為此類藥用植物優良種質資源的篩選提供了重要的理論依據。

基于進化生態學方法的藥用植物種質資源評價指標和常用方法見表1。

3 進化生態學應用于藥用植物種質資源評價的中文學術文獻分析

本文統計了自1990年以來，基于進化生態學相關研究與分析方法開展藥用植物種質資源評價的中文學術文獻情況。以中藥資源生態適宜性、藥用植物遺傳多樣性、道地性研究、瀕危藥用植物保護、藥用植物栽培育種等作為統計指標，將以上指標及其相關詞匯作為關鍵詞在中國知網、萬方數據資源系統、維普中文科技期刊數據庫內進行檢索，檢索范圍限制在1990—2020年。同時，以每5年1個時間段對上述5 個指標的學術文獻數量趨勢變化進行統計（圖2）。結果發現，這5 個指標在同一文獻中有時會相互交叉滲透，但各有側重。按照論文主要闡釋的問題進行篩選、歸類，以藥用植物遺傳多樣性、道地性研究、中藥資源生態適宜性、藥用植物栽培育種、瀕危藥用植物保護為主題的學術文獻分別有257、213、186、59、34 篇。進化生態學研究方法在藥用植物栽培育種和瀕危藥用植物保護的研究成果略少且增長趨勢較為平緩；得益于分子標記技術的廣泛使用，藥用植物遺傳多樣性的相關研究較多，但在2006年以后增長一直較緩；道地性研究在2006年以后有所回落，但2011年之后又逐步上升。值得注意的是，中藥資源生態適宜性自2011年之后持續上升，一定程度上反映了越來越多的國內學者關注藥用植物資源與生態環境之間的相關性。

表1 基于進化生態學的藥用植物種質資源評價指標Table 1 Evaluation indices of germplasm resources of medicinal plants based on evolutionary ecology

圖2 進化生態學應用于藥用植物種質資源評價的中文學術文獻分析Fig.2 Chinese academic literature analysis on evaluation of germplasm resources of medicinal plants with methodology of evolutionary ecology

4 結語與展望

基于進化生態學的藥用植物種質資源評價對于中藥資源的可持續利用、中藥療效發揮、中藥材的生產開發等均具有重要的理論指導意義。以往的評價方式大多側重藥用植物化學成分與藥效作用等方面的研究，從進化生態學的角度，將藥用植物的遺傳背景、化學成分與地理環境進行關聯的整合性研究相對較少。進化生態學的相關研究手段為藥用植物種質資源評價提供了新思路，并不斷完善其評價體系。目前，分子標記、分子譜系地理分析、景觀遺傳分析、生態位模型等方法在基原鑒定、藥材道地性、替代資源開發、瀕危藥用植物保護等方面的應用呈現快速增長趨勢。但是，結合基因組和大數據時代的分子生物學、統計學、生物信息學等學科領域的前沿技術，利用基于多變量模型的表型和基因型的相關性分析，如包含全基因組關聯分析的數量性狀位點定位[148]、集團分離分析（BSA-seq）定位[149-150]和群體遺傳的選擇壓力分析[151]，并進一步耦合生態環境因子進行性狀-多環境定位分析及數量性狀位點與環境互作，開展中藥材道地性形成的特定功能基因精準和深度挖掘，揭示優良的種質資源和道地藥材形成的遺傳因素，高效利用分子技術輔助選擇育種，建立更完善的藥用植物種質資源基因數據庫，開展基因編輯以此提升有效成分的積累等方面，還具有巨大的研究潛力和技術改良空間。另外，隨著空間技術的發展，利用地理信息和遙感系統可以更加快捷地獲取藥用植物野生資源的海量高分辨率生態學信息（非生物、生物、人為等因子數據），能更客觀的推測藥用植物的生態適宜性，可進行更精準的資源蘊藏量評估和中草藥種植指導。有望通過科學調控與改良生長環境因子，改善中藥材品質，從而提高療效與產量。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突