基于叶绿体基因组和植物代谢组学技术的南五味子药材基原分类与鉴定研究

Taxonomy and identification of the source plants of Chinese medicinal materials and their closely related species have been the challenge of medicinal plant research. Schisandra sphenanthera is stipulated as the source plant of the Chinese medicinal materials “Nan Wu Wei Zi” by the Chinese Pharmacopoeia. Morphological characteristic and DNA barcoding were previously used in classifying Schisandra sphenanthera and its closely related species. However, the low resolution of the two kinds of taxonomic indicators leads to the species boundaries unsolved, which consequently result in the misuse of the fruits of nearly 10 species in Schisandra as “Nan Wu Wei Zi”. Our previous study shows that the combination study of high-throughput and high-resolution chloroplast genome and plant metabolism possess a good application prospect in delimiting species boundary, establishing the phylogenetic relationship and distinguishing the species chemical constituents in Schisandraceae. Therefore, this study focus on establishing the chloroplast genome–plant metabolism coupling technique system, based on genetics and chemistry information, to clarify the species boundary of S. sphenanthera and its phylogenetic relationship with the closely related species, and investigate the difference of chemical composition between “Nan Wu Wei Zi” and its fake products. As a study case, this research is expected to provide an innovative idea to solve similar taxonomic problems and develop a new method in the taxonomy of medicinal plants, and is of great significance for laying theoretical foundation and providing technical support for the quality control of traditional Chinese medicine.

中药材基原物种与近缘易混种的分类和鉴定一直是药用植物资源研究的难题。南五味子药材的基原物种是华中五味子，目前用于鉴别华中五味子与其近缘种的分类手段（形态特征和DNA分子条形码片段）分辨率不足，导致这些物种间的界限至今不清，近10种五味子属植物的果实均被作为“南五味子”入药。我们前期研究发现，高通量、高分辨率的叶绿体基因组与植物代谢组相结合的技术，在五味子科中近缘物种界定、亲缘关系明确及药材物质基础区分上有很好的应用前景。基于此，本研究拟建立叶绿体基因组—植物代谢组联用的技术体系，从遗传和化学物质基础两方面阐明华中五味子的物种界限及其与近缘种的关系，探讨南五味子药材及混用品的化学成分差异，解决该类群的分类与鉴定难题，为药材质量稳定性与临床用药有效性提供保障。以此为范例，本项目有望为解决同类问题提供新的研究思路，为药用植物的分类开拓新的研究方法，为中药材质量控制奠定理论基础并提供技术支撑。

中国药典中收载“南五味子”的基原植物为华中五味子，但是华中五味子与五味子属多个物种的分类界定存在较大争议，且在实际应用中，五味子属多个物种的果实均作为“南五味子”药材混用，这既为药材基原的准确判断带来了困难，也严重影响了临床用药的有效性和安全性。本项目（1）通过本草考证发现历代本草中“南五味子”的主流基原为华中五味子，不排除金山五味子也作少量药用。（2）利用叶绿体基因组重建五味子科的系统发育框架以厘清华中五味子的物种界限，结果显示五味子属叶绿体基因组均为典型的四分体结构，长度为145.4kb-147.6kb，GC含量相近，共注释出113个基因，非编码区变异大于编码区，SC区变异大于IR区；五味子属属下分类系统支持刘玉壶系统6亚属的处理方式；华中五味子与金山五味子亲缘关系最近，无法区分，但与本属其他物种可明显区分开，不支持将华中五味子及其近缘物种全部归并为东亚五味子的观点。（3）利用植物代谢组的研究方法，确定“南五味子”药材及其混用品代谢产物谱及差异化学标志物，探讨华中五味子近缘种作为“南五味子”药材使用的可行性，结果显示华中五味子、金山五味子、五味子、滇藏五味子、大花五味子、红花五味子、绿叶五味子果实的化学成分存在明显差异，鉴定出了34个差异化合物；鉴定出华中五味子和金山五味子的差异特征成分共16个，其中2015版中国药典所规定的“南五味子”指标性成分—五味子酯甲在华中五味子果实中的含量显著高于金山五味子果实中的含量；不建议将五味子属除华中五味子以外其他物种的果实做“南五味子”药材使用。.本研究联合使用叶绿体基因组和植物代谢组技术对华中五味子及其近缘种在植物物种水平和药材水平上进行的综合研究，既能为“南五味子”药材正本清源，又能保证药材真实性，为“南五味子”药材质量稳定性与临床用药有效性提供了保障。