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深圳科研团队绘制铁皮石斛基因图谱 破解“仙草”之谜

2016-01-14 09:32:28
在国内有2000多年的药用历史,铁皮石斛被认为含有抗癌、降血糖等多种功效,甚至被誉为中华“九大仙草”之首。铁皮石斛真有这么神吗?多年来,研究者们也很难摸清,哪些基因决定了其相关药用价值。

   铁皮石斛。

   小兰屿蝴蝶兰。    图片由受访者提供

在国内有2000多年的药用历史,铁皮石斛被认为含有抗癌、降血糖等多种功效,甚至被誉为中华“九大仙草”之首。铁皮石斛真有这么神吗?多年来,研究者们也很难摸清,哪些基因决定了其相关药用价值。1月12日,全国兰科植物种质资源保护中心、深圳市兰科植物保护研究中心教授刘仲健领导的国际科研团队,成功绘制出药用兰科植物铁皮石斛全基因组基因图谱,在药用开发研究方面取得阶段性成果。该成果在国际顶级学术杂志Nature(自然)子刊Scientif-icReports(科学报告)中公开发表,是世界兰科植物基因组学研究的一个重要成果。“现在虽有了基因图谱,我们也得到了大量数据,但要全部搞清楚具体哪些基因控制了有药性的形状等,还需要长期的研究。”研究团队成员张国强表示。

被誉为中华

“九大仙草”之首

2010年开始,深圳兰科保护中心开始筹备该项目,并联合国内外多个研究机构合作完成。研究团队成员张国强表示,石斛是兰科中最大的属类之一,全世界约有1200个种。中国约有150个种,主要分布在安徽、浙江、广西、湖南、云南、贵州等地。此次研究的铁皮石斛在中国已有2000多年的药用历史,被誉为中华“九大仙草”之首,含有多糖、生物碱类等成分,被认为具有抗癌、降血糖、抗忧郁,提高人体免疫力以及治疗老人痴呆症等多种功效。

多年来,研究者们也很难摸清,哪些基因决定了其相关药用价值。此次研究,便旨在通过基因测序的方式,帮助人们了解其遗传背景,进行有效成分及其代谢途径分析,并了解次生代谢有效成分的生物合成路径,鉴定其关键基因,为新一代药物开发打下基础。据了解,铁皮石斛被广泛推广种植也是从2010年前后开始的,年产值高达300亿元。但由于对其的形态分类掌握不准,不少人将近缘种误认为是铁皮石斛而造成相互杂交,致使种源混杂、伪劣产品充斥市场。“我们对其研究,就是希望通过全基因组测序,为铁皮石斛的活性成分的药物开发、物种保护和品质鉴定提供科学依据。”

赴三省采集野生植株

再挑最“正宗”

在此次发布基因图谱前,云南也有研究者称已绘制出了铁皮石斛的基因图谱。不过,张国强表示:“他们当时虽然也发了一个图谱,但样本本身可能是杂交后的种,基因组的组装质量指标不高,注释出来的基因很多可能并不完整或不准确。若研究者无法正确解读其遗传信息,就很难有效利用。”为了确保测序材料的准确性,此次研究的团队避开了大棚里杂交的铁皮石斛,而是分别到云南广南、湖南崀山和广东丹霞山采集野生铁皮石斛植株共4-5丛,将其带回实验室后进行了严格的形态和分子鉴定。经鉴定后,会选取最“正宗”的一个地方品种提取该品种DNA和RNA进行全基因组测序和分析,并绘制完成基因图谱,其余则作为备用和保种,一般同一品种的基因组差别不大。

“基因组测序本身并不需要很多的铁皮石斛,几百克就足够了。但是我们其它的测试工作,比如成分分析和药效分析等,就需要比较多的铁皮石斛,所以需要在大棚里进行繁殖。”张国强说,描绘完基因图谱只是工作完成了一小部分,最重要的是需要找出控制不同形状表达的基因对应关系,这时就需要大量的人工栽培样品进行比对。比如,当研究抗旱基因的表达时,会选取一株正常浇水的和一个严重干旱的同类品种进行对比研究。

模型动物实验验证

部分药物作用

该研究发现,铁皮石斛与蝴蝶兰拥有几乎相同的基因数量,一起分享了在K /T线附近发生的兰科植物全基因复制事件而躲过了大灭绝。更为实用的是,研究团队通过模型动物实验,找到了多糖的代谢途径和小分子化合物的部分功能,发现其对糖尿病、肝纤维化以及维持胰岛素平衡,及老年痴呆均有效。据悉,该类实验一般采用模型动物进行,而针对不同的实验目的和时期,所选取的动物也不同。比如记忆力缺陷的小白鼠或者果蝇,或肝损伤的小白鼠等,通过缺陷型、正常型和服药型的对比效果,来确定是否有效。

此外,科研团队在开展铁皮石斛全基因组测序的同时同步利用测序的分子数据开展了开发利用研究,开展了铁皮石斛的分子育种,选育出具有效活性成分、栽培容易难以仿冒的优良品种“深兰1号”。张国强介绍,该品种是根据其中的一个野生品种培育出来的新品,植株呈红褐色,与一般铁皮石斛品种颜色有明显区别难以被模仿。“而且经过我们的测试表明,其多糖和小分子化合物含量比一般的铁皮石斛品种高,具有很好的推广价值。”虽目前对于铁皮石斛的基因组测序和研究已取得阶段性成果,但张国强认为道路远且长。“现在虽有了基因图谱,我们也得到了大量数据,但要全部搞清楚具体哪些基因控制了有药性的形状等,还需要长期的研究。”

数据

深圳兰科植物保护研究中心,现保存有兰花活体1000多种,占了全国被列入国际贸易公约保护的绝大部分,是目前国内最齐全的濒临灭绝兰科植物保护中心。标本馆现存有兰科植物腊叶标本5000余份,模式标本近14 0份(对新发现的品种的描述和标本被称为模式标本),与兰科植物有关的动植物 化 石 标 本8 0 0多份,活体标本超过150万个个体等。

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几乎等量基因的蝴蝶兰为什么却变成了年花?

“在自然界里,植物花朵的靓丽和植株的特别,是为了吸引昆虫而设的,或者会和昆虫长得类似”,张国强说。这个道理也同样适用于年花蝴蝶兰,但人类挑选它并非自然的繁衍,而是人为的选择。蝴蝶兰是兰花品类中长期经过人类驯化后,相对比较适合在家庭中生存的品种。之所以被选中,除了花朵外观好看之外,其成活率在兰科中也相对较高。目前,市面上蝴蝶兰的培育往往在临近春节前几个月才开始培养和繁殖,花期集中在春节前后一个月至次年3月左右。

人们往往疑惑,为何蝴蝶兰往往活不久?很多人将其归咎于自己不懂照顾。实际上市场人工栽培的植株本身从出生起就带有缺陷。张国强介绍,花卉基地对于蝴蝶兰的育苗均是通过人工栽培方式,采取的是克隆繁殖而非有性繁殖。“经过多代繁殖后,物种本身的一些遗传信息和性繁殖能力可能会丢失,生命周期也会越来越短。”而且,市场人工栽培者考虑到成活率、种子数量和成长周期等问题,采用了低成本方式。他们会先取一块植株根茎,切成小块,然后放入有激素的培养皿中刺激其快速长出多个新苗,然后再分瓶培养,成苗再被分盘培养,在温室内迅速成长并开花。而且,商人们会通过控制温度、湿度等方法来精确控制花期。

“这种植株往往只能活一季,花期一般3-5个月,个别懂得技术的人士可以让其活上大半年。”张国强解释称,兰花本身就不喜水,一般3-5天浇一次水即可,很多系因浇水太多而导致烂根。“兰花的根周围也繁殖有诸多菌类物质,它们为其生长提供营养。也有可能因为太久没换土导致根部菌类过多,从而腐蚀根部。”同时,位于室内的兰花没有昆虫的传授花粉,也无法授精而结果。

出品:南方都市报科学新闻工作室

主持:陈养凯 

采写:南都记者 熊晓艳