藥用植物穿心蓮研究進展

周 芳，孫銘陽，梅 瑜，顧 艷，徐世強，李靜宇，蔡時可，王繼華

（廣東省農業科學院作物研究所/廣東省農作物遺傳改良重點實驗室，廣東 廣州 510640）

穿心蓮〔Andrographis paniculate（Burm.F.）Nees〕為爵床科植物，別名一見喜、斬蛇草及苦膽草等［1］。其原產于印度半島和斯里蘭卡，在東南亞國家具有悠久的民間用藥歷史，是最具代表性的“大南藥”之一［2］。穿心蓮性味苦寒，有抗菌消炎、清熱解毒及消腫止痛等功效，是清火梔子麥片、消炎利膽片、穿心蓮內酯片及蓮必治注射液等多種中藥制劑的主要原料，可用于呼吸道感染、腸胃炎、高血壓、瘧疾、毒蛇咬傷、糖尿病及高血壓等疾病的臨床治療，有“中藥抗生素”之稱［3-4］。同時，穿心蓮作為蓮香散等重要中獸藥的主要原料廣泛應用于畜禽養殖業，可替代抗生素治療細菌性腹瀉等疾病［5］。穿心蓮主要藥用成分為烷型二萜類化合物，如穿心蓮內酯（Andrographolide，AD）、新穿心蓮內酯（Neoandrographolide，NAD）、14-脫氧穿心蓮內酯（14-deoxyandrographolide，14DAP）及脫水穿 心蓮內酯（Dehydroandrographolide，DDAD）等［6］。AD可抑制病毒誘導的特定信號通路的激活，是抗新冠肺炎的候選中草藥［7-8］。作為藥用植物，國內外關于穿心蓮的研究大多圍繞在其活性成分積累、提取分離、鑒定及其相關藥理藥效等方面［9-11］。隨著合成生物學的發展，定向修飾穿心蓮的主要藥效成分，提升其藥理活性，深入挖掘其藥用價值成為學者研究熱點［12］。

規模化地繁育中草藥是確保其藥用價值和經濟效益穩定的基礎。其中，種質資源的評價與利用是核心內容。穿心蓮的人工種植歷史較短。在我國，穿心蓮引種栽培的地區主要集中在廣西、廣東和福建。但長期以來，我國的穿心蓮種子主要依靠藥農自育自繁，造成整齊度差和質量不穩定的現象［13］。因此，種質資源的收集、鑒定、創新和新品種選育成為穿心蓮育種事業的首要任務。學者利用特定的誘變技術，成功獲得了突變型穿心蓮種質材料［14-15］。隨著高通量測序技術的更新，學者開始在現代組學水平對穿心蓮的遺傳與代謝進程展開研究。2019年，首個穿心蓮全基因組數據庫組裝完成，其中包含大量基因注釋信息，為開發穿心蓮內在作用機制提供了良好的分子平臺［16-18］。在未來，學者可通過生物技術手段有目的地對穿心蓮種質資源進行挖掘與創新，促進具有高效藥用成分穿心蓮品種的育種進程。基于此，本文對穿心蓮的藥理活性、主要活性成分及其動態積累、生物技術研究手段及種質資源分布與創新等領域的研究進展進行綜述，以期為穿心蓮藥用功能的深入發掘及綜合利用提供參考。

1 穿心蓮的藥理活性

1.1 抗炎與抗感染

AD是穿心蓮研究較為深入的藥效化合物，具有保護細胞等作用。有研究顯示，無論將AD施加于離體組織還是注入小鼠活體內，均可抑制炎癥相關蛋白COX-2、NF-κB、p-p38、CD40、TNF-α、IL-1β和IL-6的表達，表現出明顯的抗類風濕性關節炎的效用［19］。此外，穿心蓮提取物的抗炎效果取決于其中各類二萜類化合物的比例［20］。

AD可有效治療感染性疾病，將其和左氧氟沙星搭配處理感染動物24～72 h后，實驗動物的死亡率明顯降低，且搭配用藥的感染動物存活率顯著高于單獨使用左氧氟沙星的感染動物存活率［11］。另外，Banergee等［21］通過分析細胞的內質網應激和抗病毒活性之間的交互作用，提出了AD和褪黑素在由nCov/SARS-CoV-2病毒引起的新冠肺炎（COVID-19）治療中的免疫調節作用。AD可確定SARS-CoV-2的結合位點，通過與褪黑素的聯合作用，為治療COVID-19提供新靶點。

1.2 抗心血管疾病

在治療心血管疾病方面，AD體現出抑制細胞凋亡和減輕氧化應激方面的突出功效。細胞色素c（Cyt c）在細胞質中激活細胞凋亡蛋白酶和Akt磷酸化加速細胞凋亡，引起心臟疾病。AD可抑制Cyt c的釋放和Akt磷酸化途徑，減緩線粒體依賴型細胞凋亡進程。AD還可上調小鼠IGF-1R蛋白來激活IGF1R生存補償保護機制，保護小鼠心臟組織［22］。研究發現，AD可以劑量依賴性地改善心臟纖維化和心肌肥厚。同時，無論在活體或體外實驗中，AD均可通過抑制NADPH氧化酶的活性來增加核紅細胞2-相關因子的表達，最終阻止由高血糖觸發的活性氧的生成［23］。

1.3 抗腫瘤

Gunn等［24］首次提出，AD可強力抑制癌癥干細胞的分化，通過抑制復發來提高多發性骨髓瘤患者的存活率。同時，AD負調控Notch信號通路，抑制結腸癌相關細胞的增殖［25］。此外，經改造的AD衍生物也具有較強的抗腫瘤作用。Quah等［26］指出，AD衍生物SRJ09和SRJ23可結合致癌蛋白K-Ras，發揮抗癌活性。有學者以泰國穿心蓮中提取的天然AD為原料；采用一種既可避免使用有毒催化劑又不會產生副產品的合成手段，設計并成功合成21種AD類似物。其中部分對MCF-7癌細胞選擇性滅活的能力高于天然AD和抗癌藥物［27］。隨著藥物篩選和合成技術的不斷完善，穿心蓮藥效也將得到進一步開發。

2 穿心蓮活性成分及其代謝

2.1 主要活性成分

穿心蓮作為我國臨床常用中草藥，藥用活性成分主要為二萜內酯類、黃酮類、苯丙素類、環烯醚萜類、生物堿等［28］。已從穿心蓮提取物中成功分離的化合物約120種，其中二萜類內酯50種、黃酮類40種、苯丙素類15種、環烯醚萜類6種、生物堿2種以及甾醇類3種。此外，穿心蓮體內還含有烷、酮、蠟、有機酸、環烯醚、二萜醇、二萜酸鹽、礦質元素和多種維生素等營養成分［29］。

2.1.1二萜類內酯 二萜類內酯是穿心蓮的主要活性成分，其中AD、NAD、14-DAP和DDAD在葉片中含量最高［30］。目前，對于以上二萜類內酯的藥物動力學研究主要集中于AD的單獨給藥和混合給藥的特征分析。楊靈等［31］利用LC/MS/MS法對穿心蓮片中AD、NAD和DDAD進行全面藥代動力學分析，結果發現這3種物質在大鼠體內均有吸收快、代謝消除慢的特征。

AD（C20H30O5）由二萜雙環和五元內酯環通過兩個碳原子連接構成，環內雙鍵和內酯環為主要活性基團［32］。AD的生物合成過程復雜。諶琴琴等［33］以生長到第8片真葉的穿心蓮植物為試材，采用病毒誘導基因沉默（virus induced gene silencing，VIGS）技術證明了ent-柯巴基焦磷酸合酶（ent-copalyl diphosphate synthase，ent-CPS）參與了AD的生物合成。并且，ent-CPS還能夠負調控上游基因的表達。二萜化合物的共同前體香葉基香葉基焦磷酸（geranylgeranyl pyrophosphat，GGPP）經過ent-CPS環化后生成ent-柯巴基焦磷酸（ent-copalyl diphosphate,ent-CPP）。Ent-CPP被進一步離子化，脫掉焦磷酸基團。隨后經過氧化修飾，形成內酯環，并于C3和C19位形成氧化基團成為AD。

AD的人工合成較為困難。學者從天然AD中尋找活性位點并進行結構修飾，從而得到活性高且毒性低的多功能AD替代物，可抗菌、抗腫瘤、抗病毒等。穿心蓮提取物的結構修飾反應包括Michael加成、羥基化、分子內環化及分子內酯環化等。Chen等［34］合成的AD衍生物對常見人類腫瘤細胞表現出明顯的抑制作用，體現出AD衍生物的臨床應用前景。

2.1.2黃酮類 穿心蓮體內的黃酮類物質主要為吡喃葡糖基黃酮和甲氧基黃酮。學者已在穿心蓮的乙醇提取物中分離并鑒定得到40多種黃酮類物質，如5-羥基-7,8-二甲氧基黃酮、5-羥基-7,8-二甲氧基二氫黃酮、5-羥基-7,8,2′5′-四甲氧基黃酮及2 -甲氧基黃芩新素等［35-37］。穿心蓮黃酮可抑制血栓的形成及血小板的活化反應，可通過升高血小板內的環磷酸腺苷（cyclic adenosine monophosphate，cAMP）水平，降低由凝血酶引起的血小板聚集現象。這些黃酮類物質對治療腦動脈粥樣硬化及冠心病等心腦血管疾病有著顯著功效［38］。

2.1.3其他成分 目前，穿心蓮中共分離16種苯丙素類化合物，多為簡單的苯丙素及其衍生物。環烯醚貼類化合物主要為6-表哈帕甙和順鉑，生物堿類為鳥嘌呤核苷和尿嘧啶核苷，甾醇類為β-谷甾醇-葡萄糖苷、α1-谷甾醇及β-谷甾醇。此外，還從穿心蓮體內分離出一些酚苷類、四甲基環己烯類、有機酸類及三萜類化合物等［29,39-40］。

2.2 藥效成分

穿心蓮的主要藥效成分產自次生代謝過程，種植環境、采用部位、收獲時間及加工方式等均為影響其品質的因素［10］。首先，不同產地的穿心蓮還會因地理環境、生態氣候、種植模式、管理方式及生長發育階段的不同，藥效成分存在較大差異［13］。其次，穿心蓮的采收時間和儲存方法上的差異對其品質影響也很大。為保證質量和產量，穿心蓮采收時間應為現蕾期與始花期之間（8月下旬至9月上旬）。最后，不同采收部位比產地對穿心蓮藥效的影響更加顯著［41］。AD在葉片中含量最高，其次是莖，花中最少，在葉中的含量為莖的5～10 倍。黃酮類化合物多集中在穿心蓮的根和葉中，種子含量最低［36］。此外，GAP 基地是穿心蓮的規范種植產地，市售穿心蓮藥材中AD的質量分數均低于來自 GAP 基地的穿心蓮藥材。這說明規范化種植對確保藥材質量具有重要意義。選擇適宜的產地建立基地、適時采收及采用合理的加工方式對穿心蓮藥材的質量控制至關重要。

穿心蓮作為一種亞熱帶植物，對光強的適應性范圍寬［42］。但是，強光照射不利于穿心蓮次生代謝產物的積累。李婷等［43］研究發現，正常光照條件下的穿心蓮植株體內的AD含量要低于遮光條件下的，而兩種條件下的植株體內DDAD含量卻與AD含量呈相反趨勢。但對比發現，遮光處理下的AD和DDAD總含量要高于正常光照處理。表明穿心蓮次生代謝產物的積累對光照強度的需求較低，適當的遮光處理可促進穿心蓮藥材品質的提升。

光質不同也影響穿心蓮的發育方向。白膜處理有利于穿心蓮植株的生長，紅膜處理有利于其品質提高。不同光質下培養的穿心蓮植株的內酯含量有所差異，AD含量由高到低依次為紅膜＞CK＞白膜＞藍膜＞黃膜；DDAD含量從高到低依次為紅膜＞藍膜＞黃膜＞CK＞白膜。由此可知，紅膜處理有利于穿心蓮兩種主要內酯的合成，而藍膜和黃膜處理僅利于DDAD的積累［44］。

穿心蓮幼苗的最適生長溫度為27～30℃。關于溫度在穿心蓮藥用成分積累方面的研究鮮有報道。但是，在引種穿心蓮時要注意調整光強和溫度，制定合理的栽培措施，有助于提高穿心蓮的品質和產量［42］。

3 穿心蓮種質資源評價與創新

穿心蓮為一年生草本植物，廣泛分布于熱帶和亞熱帶地區［45］，對土壤的適應較強，具有一定耐鹽性，種植方式多采用單作或套種模式［46］。我國于20世紀50年代開始從東南亞引種穿心蓮，栽培資源分布相對集中，主要位于廣東、福建、廣西、海南、四川及云南。廣東湛江和潮州、福建漳州及廣西貴港和南寧等地均有穿心蓮的規模化種植基地，作為穿心蓮的主產區，年產量占全國90%以上，其中以廣西種植面積最大［47］。

3.1 種質資源評價

商用穿心蓮藥材來自人工栽培品種。因受到自然留種繁育、種植環境限制及種植技術落后等因素影響，穿心蓮品質已逐漸退化，出現成分含量不穩定、不同批次的產品質量差異較大等缺陷。由于商用穿心蓮品種大多來自廣西，遺傳背景較為單一。因此，種質資源的分類和篩選十分必要。目前，穿心蓮可分為兩種生態型：大葉型和小葉型。其中，大葉型穿心蓮是生產應用的優勢品種，其分蘗數較多、產量高、AD總量高及花期長［6］。但是，有關穿心蓮種質資源的篩選工作仍需深入推進。

3.2 種質創新

以穿心蓮提取物為原料的藥物已廣泛應用于臨床。因此，傳統的繁育方式已無法滿足其產業化的需求。然而，穿心蓮的組織培養技術已較為成熟，可用于種苗的快速繁殖。同時，學者也可開展多倍體或遺傳轉化等方面的研究。陳榮珠［48］通過對穿心蓮外植體的不同消毒時間和消毒劑濃度進行比較，發現對帶腋芽的穿心蓮莖段外植體進行75%酒精消毒15 s，配合3%次氯酸鈉消毒30 min后，外植體生長狀態最佳。該研究在MS和MT兩種基本培養基中，均可將帶腋芽莖段外植體誘導出芽。在MT培養基上，不加任何激素也能將外植體誘導出芽和生根，且芽誘導率很高。用種子作外植體時，用75%酒精消毒15 s，配合3%次氯酸鈉消毒20 min后，外植體生長效果最佳。戴燚等［49］對種子的無菌萌發條件進行優化比較，發現完全成熟的種子萌發率最高，且光照條件下的種子萌發率高于黑暗條件。本課題組建立了穿心蓮葉片為外植體的再生體系（結果待發表）。

穿心蓮的種質資源集中，遺傳背景窄，進行傳統的雜交育種受限。但隨著現代育種技術的發展，物理突變和化學誘導等方法已成為藥用作物育種進程中的重要內容。穿心蓮是二倍體植物，基因組相對簡單，通過物理誘變技術創制新穿心蓮種質資源的相關項目正在逐步開展。其中，航天誘變育種技術是培育植物新品種的重要途徑之一。被“長征七號”飛船和“神州十一號”飛船搭載入太空進行不同時間誘變的穿心蓮種子在長大后出現農藝性狀上的差異，二萜類內酯含量、植株鮮重和干重的變異系數超35%［6］。離子注入法是常用的物理誘變技術，用等離子體處理不同含水量穿心蓮種子的研究發現，植株突變率與種子含水量呈正相關［15］。

化學誘變分染色體加倍和基因誘變兩種。學者采用秋水仙素對穿心蓮種子和剛萌發的成熟胚進行誘導，成功獲得同源四倍體無菌苗［14］。其中，濃度為0.075%的秋水仙素誘導24 h的誘變率較高（3.3%）。獲得的同源四倍體無菌苗的葉片上、下表皮氣孔特征與二倍體無菌苗相比均存在顯著差異。本課題組建立了甲基磺酸乙酯誘導穿心蓮突變體的技術體系，獲得了具有明顯表型差異的穿心蓮突變植株，包括葉色（雜斑葉）、葉型（心型、葉裂等）、葉序（輪生葉）、株高（矮化）、分枝（頂生二枝）及花軸（無花軸）等突變表型，該結果為穿心蓮基因組學的研究及新品種選育提供新材料（結果待發表）。

3.3 基因組學研究

第二代測序技術-短序列讀取技術（Nextgeneration sequencing，NGS）被用于獲取動植物轉錄組和基因組的相關信息。2015年，學者利用NGS技術成功組裝穿心蓮葉綠體的完整基因組數據庫［50］。該葉綠體基因組序列大小為150 249 bp，包含114個葉綠體特有基因、80個蛋白編碼基因、30個tRNA基因以及4個rRNA基因。其中，有15、3個基因分別包含1、2個內含子。但是，在完整的穿心蓮全基因組信息公布之前，學者只能根據穿心蓮植株在特定狀態下的轉錄組測序數據進行初步的分子水平研究。Cherukupalli等［51］對保濕生長3個月的穿心蓮植株上完全展開的葉片進行取樣，通過NGS得到穿心蓮葉片的轉錄組信息。該轉錄組成功注釋49 363個基因，其中146個基因的預測功能為萜類物質合成酶（有35個包含萜類合成酶基序）。以上146個基因可能參與烷型二萜類物質AD的合成，它們的生物功能仍有待實驗驗證。本課題組利用轉錄組測序技術比較了紫外線—UV-C照射前后的穿心蓮葉片基因表達譜。結果顯示，經UV-C照射后，部分與AD合成相關的基因表現出被誘導上調的表達模式，表明合理的UV-C輻照可促進穿心蓮次生代謝產物的合成（結果待發表）。

Gao等［16］對穿心蓮的不同組織（根、營養莖、幼葉、花和果實）進行取樣，利用第三代測序技術超長序列讀取技術（Third-generation sequencing，TGS）得到初始穿心蓮全轉錄組信息。隨后，作者將用于TGS的RNA樣品又進行了一次NGS短序列讀取，得到的結果用于校對TGS輸出的初始全轉錄組信息。經過NGS校對后的穿心蓮全轉錄組數據被用于充當后續茉莉酸甲酯（MeJA）誘導處理前后的穿心蓮葉片轉錄組測序結果的參考基因組，且已對部分得到注釋的差異表達基因進行了初步實驗驗證。

2018年，Sun等［17］結 合NGS、TGS以 及Hi-C染色體空間定位技術成功組裝出穿心蓮的首個全基因組數據庫。該基因組大小約269 Mb，包含25 428個蛋白編碼基因，為學者提供一個良好的穿心蓮分子研究平臺。Liang等［18］也在不久后成功組裝出第2個穿心蓮的全基因組數據，在24條染色體上組裝的基因組大小為284 Mb，Contig N50達到5.14 Mb，并對重要基因家族進行功能分析，進一步豐富了穿心蓮的遺傳信息。隨著穿心蓮全基因組數據庫的不斷完善，學者對AD合成途徑的分子機理研究將迅速開展。

4 展望

穿心蓮作為東南亞地區的傳統中藥材，其用藥歷史悠久。AD等大量功能性化合物成功得到分離和人工合成，有助于新藥物的開發。AD是穿心蓮的主要藥用成分。近期研究證明，AD不僅參與抗炎途徑，還具有抗癌作用，是抗癌治療應用的候選藥物。但是，在AD或其衍生物被批準為治療癌癥的處方藥之前，仍需進行更多的涉及不同藥代動力學參數的研究。

隨著中藥農業的發展，部分穿心蓮品種完成了從自然采集到規模化種植的轉變。作為我國南藥高效種植的主要品種之一，水肥一體化等精準農業技術在穿心蓮的生產上得到了廣泛應用。但若要實現穿心蓮的高產穩產，仍有困難亟待解決，如缺乏專業的病蟲草害防控措施、與其他作物之間的連作障礙及缺乏新品種等方面。良種良法的應用是保障穿心蓮產量和質量的有效解決方式，也是助力穿心蓮應用的基礎。隨基因組數據的公開，未來研發的新型穿心蓮品種的質量將會更加穩定、高產且優質。