本草基因组计划研究策略

摘要: 本草基因组计划 (HerbGP) 是针对具有重大经济价值和典型次生代谢途径的药用植物进行的全基因组测序和后基因组学研究的系列计划。本文从物种选择, 全基因组测序、组装和生物信息学分析, 后基因组研究等方面系统阐述了本草基因组计划的研究策略。该计划将推动一批具有典型次生代谢途径的模式植物研究平台的建立, 促进各种“组学”研究方法在药用植物研究领域中的应用, 推动中国传统药学进入生命科学研究前沿领域。本草基因组计划为占领中药基础研究领域的科技制高点提供了难得的机遇, 还将通过对药用植物有效成分生物合成路径的解析和药用植物优良品种的选育对我国天然药物的研发和中药农业的发展产生巨大而深远的影响。

    本草基因组计划 (Herb Genome Program, HerbGP)是针对具有重要经济价值的药用植物和代表不同次生代谢途径的模式药用植物开展的基因组层面的系列研究计划, 主要内容包括全基因组序列的测定、组装和生物信息学分析, 及具有典型次生代谢途径的模式药用植物研究平台的建立和抗病抗逆等优良性状遗传机制的阐明等后基因组学研究。
    我国药用植物有10 000 多种, 约占中药材资源总数的87%[1], 是所有经济植物中最多的一类。同时,药用植物也是许多化学药物的重要原料, 目前1/3 以上的临床用药来源于植物提取物或其衍生物。近年来,药用植物的基因组学研究已经取得了长足的进步。例如, 国内外已经开展了青蒿[2]、丹参[3]、西洋参[4]、甘草[5]等多种药用植物的大规模转录组研究。但是与模式植物和重要农作物相比, 药用植物的基因组学研究还处于起步阶段。基因组序列包含生物的起源、进化、发育、生理以及与遗传性状有关的一切信息, 是从分子水平上全面解析各种生命现象的前提和基础。
从2000 年第一个高等开花植物——拟南芥的全基因组测序完成以来, 仅有水稻、高粱、大豆等12 种高等植物的全基因组序列公开发表[6−18] (表1)。第二代高通量测序技术的出现使测序成本大大降低, 测序时间大大缩短 (图1), 测序物种开始从模式植物、主要农作物向一般经济作物推广[19], 从而为本草基因组计划的实施奠定了坚实的技术基础。目前, 赤芝、紫芝和丹参基因组的主体测序工作已经完成, 人参基因组计划也已经启动 (表1)。本草基因组计划将使药用植物的生物学研究进入一个崭新的时代——本草基因组时代。本草基因组计划将会极大地推动前沿生命科学技术在药用植物和中药领域的应用, 在较短时间内实现药用植物和中药学研究的跨越式发展,使其迅速走到生命科学研究的最前沿。该计划的研究成果将为阐明药用植物有效成分的合成和调控奠定基础, 进而促进植物类药物的筛选和生物合成研究,同时该计划还将加速药用植物优良品种的选育并促进绿色中药农业的科学化和规模化发展。