道地藥材品質(zhì)生態(tài)學(xué)研究進(jìn)展＊

黃林芳，張 翔，陳士林

（1.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院藥用植物研究所，國家中醫(yī)藥管理局中藥資源保護(hù)重點(diǎn)研究室 北京 100193；2.中國中醫(yī)科學(xué)院中藥研究所 北京 100700）

道地藥材是在特定自然條件和生態(tài)環(huán)境區(qū)域內(nèi)所產(chǎn)，中醫(yī)藥界公認(rèn)的“質(zhì)優(yōu)效佳”的中藥材[1]。其概念源于數(shù)千年的生產(chǎn)和中醫(yī)臨床實(shí)踐，是傳統(tǒng)中醫(yī)藥的特色和精髓。作為評價優(yōu)質(zhì)中藥材質(zhì)量的獨(dú)具特色、約定俗成的古代藥物標(biāo)準(zhǔn)化術(shù)語，道地藥材具有豐富科學(xué)內(nèi)涵。2017 年，我國首部《中華人民共和國中醫(yī)藥法》將道地中藥材作為專業(yè)術(shù)語納入。近年來我國學(xué)者在道地藥材傳承與創(chuàng)新方面開展了大量工作，總結(jié)與梳理了環(huán)境態(tài)論、品種延續(xù)與產(chǎn)地變遷論、品質(zhì)生態(tài)學(xué)、逆境效應(yīng)及本草基因組學(xué)五種道地藥材學(xué)術(shù)理論[2-4]。其中，品質(zhì)生態(tài)學(xué)理論是傳承基礎(chǔ)上的道地藥材學(xué)術(shù)思想創(chuàng)新。

“諸藥所生，皆有境界…”體現(xiàn)了藥物功效與生長環(huán)境關(guān)聯(lián)的古代樸素生境觀和“天藥人合一”的整體觀[5]。陳士林提出科學(xué)假說“生態(tài)型是道地藥材形成的生物學(xué)本質(zhì)”，詮釋我國中藥材多道地、多產(chǎn)區(qū)、多生態(tài)型現(xiàn)狀[6]。肖小河認(rèn)為道地藥材系統(tǒng)演進(jìn)的基本規(guī)律是用進(jìn)廢退、優(yōu)勝劣汰、擇優(yōu)而立、道地自成[7]。黃林芳等對中藥材品質(zhì)變異進(jìn)行探討，劃分了地理生態(tài)型、氣候生態(tài)型、群落生態(tài)型、化學(xué)生態(tài)型、品種生態(tài)型等品質(zhì)生態(tài)型，并提出中藥品質(zhì)生態(tài)學(xué)理論[8]。

中藥品質(zhì)生態(tài)學(xué)是由中藥品質(zhì)學(xué)和生態(tài)學(xué)復(fù)合而成的綜合性交叉應(yīng)用學(xué)科。以中藥品質(zhì)為研究對象，應(yīng)用生態(tài)學(xué)原理與方法，探索中藥品質(zhì)與生態(tài)系統(tǒng)中的相互聯(lián)系及其作用機(jī)理，并在實(shí)際中加以應(yīng)用的一門新興的應(yīng)用學(xué)科[4]。旨在從生態(tài)系統(tǒng)思維角度保障與提高中藥材品質(zhì)，探索中藥品質(zhì)與生態(tài)系統(tǒng)中的相互聯(lián)系及其作用機(jī)理。研究內(nèi)容主要包括中藥品質(zhì)、中藥品質(zhì)形成的生物學(xué)成因、藥用生物分布、產(chǎn)地與生態(tài)因子的關(guān)系、優(yōu)質(zhì)藥材產(chǎn)地生態(tài)適宜性與區(qū)劃等。筆者認(rèn)為道地藥材的實(shí)質(zhì)是形成一種特殊的品質(zhì)生態(tài)型和最優(yōu)品質(zhì)生態(tài)型。道地藥材的遺傳品質(zhì)、生態(tài)品質(zhì)、性狀品質(zhì)及化學(xué)品質(zhì)是道地藥材重要的品質(zhì)特征。本文對近年來基于品質(zhì)生態(tài)策略的道地藥材遺傳品質(zhì)特征、生態(tài)特征及品質(zhì)特征的道地性研究進(jìn)行歸納與梳理。為揭示道地藥材優(yōu)良品質(zhì)形成科學(xué)內(nèi)涵，科學(xué)評價道地藥材，合理保護(hù)道地藥材及道地藥材的種質(zhì)創(chuàng)新提供科學(xué)依據(jù)。

1 道地藥材的化學(xué)與性狀品質(zhì)特征研究

1.1 道地藥材化學(xué)品質(zhì)特征研究

道地藥材的內(nèi)在化學(xué)品質(zhì)通常指其化學(xué)特點(diǎn)，包括藥效物質(zhì)的含量、比例及其平衡狀態(tài)、營養(yǎng)物質(zhì)或有毒物質(zhì)的含量等?；瘜W(xué)品質(zhì)直接影響道地藥材的藥用或營養(yǎng)價值。表1歸納了部分道地藥材的品質(zhì)生態(tài)特征。有學(xué)者應(yīng)用UPLC-PDA-QTOF/MS 方法檢測茯苓三萜成分，結(jié)果表明不同產(chǎn)地的種類和含量有很大差別[56]，并提供產(chǎn)地追蹤標(biāo)志化合物。中國產(chǎn)西洋參生態(tài)型研究結(jié)果表明中國產(chǎn)西洋參可分為人參皂苷Rb1-Re 山海關(guān)外型和Rg2-Rd 山海關(guān)內(nèi)型兩大化學(xué)生態(tài)型[39]；同一緯度的吉林與加拿大產(chǎn)西洋參呈現(xiàn)更為相似1H NMR 圖譜[57]。UPLC-QTOF/MS 分析表明內(nèi)蒙古與新疆產(chǎn)肉蓯蓉化學(xué)成分明顯不同，2'-乙酰毛蕊花糖苷可作為區(qū)分兩大產(chǎn)地肉蓯蓉的指標(biāo)成分[11]。HSSPME-GC/MS 方法分析當(dāng)歸揮發(fā)性成分，能鑒別道地產(chǎn)區(qū)與其他產(chǎn)區(qū)當(dāng)歸[58]。貴州栽培吳茱萸藥材品質(zhì)較好，其揮發(fā)油含量較疏毛吳茱萸高近2倍。河南、山東產(chǎn)道地藥材忍冬的綠原酸含量普遍高于江蘇、廣西非道地產(chǎn)區(qū)。杜志霞等應(yīng)用1HNMR 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了藥典收載大黃3 品種及混偽品的快速鑒定，芳香類化合物主要信號峰可用于大黃的指紋鑒別分類[59]。譚小燕等建立一種基于氫核磁共振-模式識別的川麥冬和杭麥冬鑒別方法，1HNMR 測定樣品的全成分信息，并轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)矩陣，采用模式識別法中的PCA、PLS-DA 以及HCA進(jìn)行識別分析[60]；此外，川麥冬和杭麥冬的正丁醇部位的HPLC-ELSD 及HPLC-UV 圖譜有差異，綿陽產(chǎn)外形飽滿，總皂苷含量低[61]。張翔通過HPLC法測定主產(chǎn)區(qū)的鎖陽兒茶素、沒食子酸和原兒茶酸的含量，結(jié)果表明不同產(chǎn)地鎖陽品質(zhì)生態(tài)型多樣性，且呈現(xiàn)東西地帶性，其中青海含量最高，甘肅最低[62]。劉玉萍，羅集鵬，等[63]根據(jù)揮發(fā)油差異將藿香分為廣藿香酮PO 型和廣藿香醇PA 型兩大化學(xué)型。廣東廣州地區(qū)與肇慶地區(qū)為PO 型，廣藿香酮pogostone 為主（＞30%），廣東湛江地區(qū)及海南地區(qū)為PA 型，廣藿香醇pathchouliol為主（36-37%）。不同產(chǎn)地魚腥草揮發(fā)油主要有效成分含量也呈現(xiàn)變異。李曉寧等[64]研究表明湘產(chǎn)魚腥草揮發(fā)油中含量較高的成分為β-蒎烯(26.47%)、α-蒎烯(12.93%)、月桂烯(12.53%)，郝小燕等[65]發(fā)現(xiàn)黔產(chǎn)野生魚腥草中癸酰乙醛的含量高達(dá)11.23%、甲基正壬酮含量也較高(5.53%)。黔產(chǎn)人工栽培魚腥草的研究結(jié)果表明甲基正壬酮含量高達(dá)50.18%[66]。人工栽培魚腥草揮發(fā)油以4－松油醇和癸酸的含量較高，α-蒎烯、β-蒎烯的含量較低[67]（表1）。

1.2 道地藥材性狀品質(zhì)特征研究

道地藥材的外觀品相，即性狀品質(zhì)，包括藥材顏色、大小、質(zhì)地、形狀、味道等，是評價和鑒定的中藥材品質(zhì)的重要依據(jù)。老藥工在長期鑒別工作中積累了大量經(jīng)驗(yàn)鑒別術(shù)語，如三七的主要性狀特征“銅皮、鐵骨、獅子頭”。學(xué)者對道地藥材的形、色、味等品質(zhì)進(jìn)行了研究。楊慶珍等開展基于化學(xué)成分與外觀性狀特征的黃芪生態(tài)型研究，結(jié)果表明黃芪的質(zhì)量與生態(tài)型緊密相關(guān)，黃芪的黃酮類成分及黃芪甲苷量高低順序?yàn)楸迼U芪＞直根芪＞二叉芪＞雞爪芪；PCA 分析結(jié)果表明4 種生態(tài)型黃芪可很好地區(qū)分；聚類分析結(jié)果顯示直根芪與鞭桿芪聚為一支，質(zhì)量相近、較好；而二叉芪與雞爪芪聚為一支表明兩者質(zhì)量相近、較差[68]。張翔等開展了10種貝母類藥材品質(zhì)生態(tài)學(xué)研究，以地理生態(tài)分布、性狀及生物堿、核苷類化學(xué)成分等品質(zhì)特征，結(jié)合生物計(jì)量學(xué)方法，對《中國藥典》2015收載貝母類藥材進(jìn)行分析。建議湖北貝母，浙貝母可以歸為浙貝系，伊貝母，平貝母，川貝母等可以歸為川貝系，對同類多基原品種中藥的“分與合”及貝母資源合理開發(fā)利用提供依據(jù)[69]。任偉光基于勞爾比色卡考察了當(dāng)歸顏色與道地性，發(fā)現(xiàn)阿魏酸、洋川芎內(nèi)酯A、藁本內(nèi)脂L 和丁烯基苯酞成正相關(guān)，而正丁基苯酞與顏色不呈相關(guān)[70]。王增繪考察了當(dāng)歸品質(zhì)與商品規(guī)格的相關(guān)性，結(jié)果表明商品等級均重量、阿魏酸和苯酞類成分含量呈顯著負(fù)相關(guān)；平均重量與活性成分無相關(guān)[71]。學(xué)者還應(yīng)用快速無損的電化學(xué)檢測技術(shù)進(jìn)行道地藥材的品質(zhì)與產(chǎn)地辨識，如基于電子鼻的仿生技術(shù)及非線性化學(xué)指紋圖譜技術(shù)。鄭司浩等成功應(yīng)用特有“氣味指紋圖譜”和“氣味標(biāo)記”實(shí)現(xiàn)岷歸、云歸、窯歸的產(chǎn)地溯源[72]，魏文龍應(yīng)用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)蒙古黃芪山西、甘肅、內(nèi)蒙古產(chǎn)地溯源[73]。李金花等開展了非線性化學(xué)指紋圖譜技術(shù)的不同產(chǎn)地西洋參的鑒別，為快速精準(zhǔn)鑒別提供新方法[74]。

Di Lei 等應(yīng)用生物地理學(xué)方法評價道地性藥材，發(fā)現(xiàn)道地藥材更多的使用根與根莖，關(guān)藥大部分使用地下部分，廣藥更多使用全草，與其特有生態(tài)地理格局相關(guān)。百合科、傘形科和毛茛科是道地藥材使用頻率前三的科。道地藥材與藥典收載藥材具有顯著差異，道地藥材與中國藥典收載藥用植物與尼泊爾、南非開普區(qū)域和新西蘭收載植物藥具有顯著差異，中國與尼泊爾更近，揭示可能與地域毗鄰、地區(qū)文化交流相關(guān)。中國藥典與中國植物志相比，收載特有種分別為15%、49%；中國藥典與道地藥材收載入侵種分別為3%和1%。道地藥材使用更少的本土藥用植物和更多的外來物種，從而體現(xiàn)了國際包容性，此外，道地藥材更多使用溫?zé)崴幮运幉?，更少使用有毒藥材，體現(xiàn)其安全性[75]。

表1 道地藥材品質(zhì)生態(tài)特征

2 條形碼及本草基因組學(xué)技術(shù)的道地藥材遺傳品質(zhì)特征研究

2.1 條形碼技術(shù)的道地藥材遺傳品質(zhì)研究

DNA 條形碼技術(shù)通過比較一段標(biāo)準(zhǔn)化短基因片段實(shí)現(xiàn)物種快速、準(zhǔn)確識別與鑒定，是近年來生物分類和鑒定的研究熱點(diǎn)[9]。陳士林等推動了DNA條形碼在中藥分子鑒定的應(yīng)用，提出ITS2序列的藥用植物鑒定通用條形碼序列，并建立以ITS2 為核心、psbA-trnH 為補(bǔ)充的植物藥DNA鑒定體系[10]。已完成200多種道地藥材及千余種混偽品的DNA 條形碼鑒定，出版了《中藥材DNA 條形碼分子鑒定》，藥材DNA 條形碼鑒定指導(dǎo)原則納入《中國藥典》。在道地性的種下等級鑒定的分子條形碼標(biāo)記主要有核糖體DNA(nrDNA)的18S rRNA 基因和內(nèi)轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)(ITS)非編碼區(qū)序列、葉綠體DNA(cpDNA)的psbA-trnH 非編碼區(qū)序列和matK 序列。psbA-trnH 非編碼區(qū)序列為葉綠體基因9 個間隔區(qū)之一，編譯速度較快，能很好地鑒別種內(nèi)差異。表2歸納了基于條形碼技術(shù)的道地藥材的鑒定。黃林芳等[11]發(fā)現(xiàn)肉蓯蓉不同產(chǎn)地psbA-trnH 序列位點(diǎn)存在差異，新疆產(chǎn)肉蓯蓉在191位點(diǎn)為G，內(nèi)蒙古產(chǎn)則為A。李琳等[12]發(fā)現(xiàn)psbA-trnH 序列能有效鑒別山西、內(nèi)蒙古與甘肅不同產(chǎn)區(qū)蒙古黃芪。劉霞等[13]發(fā)現(xiàn)不同產(chǎn)地麥冬psbA-trnH 序列102bp 有穩(wěn)定的變異位點(diǎn)，川麥冬為堿基A，浙麥冬為堿基G，表明了不同道地產(chǎn)區(qū)浙麥冬和川麥冬的生態(tài)型差異。matK 基因位于葉綠體trnK 基因長約1550 bp內(nèi)含子中，編碼一種參與RNA 轉(zhuǎn)錄體中II 型內(nèi)含子剪切的成熟酶，是葉綠體基因組的蛋白編碼區(qū)中進(jìn)化最快的基因之一。羅集鵬等[14]應(yīng)用PC R直接測序技術(shù)發(fā)現(xiàn)道地藥材南藥廣藿香廣東石牌、高藥、湛江等不同道地產(chǎn)地的matK 基因序列存在47個變異位點(diǎn)。

表2 條形碼技術(shù)的道地藥材鑒定

ITS 區(qū)既具有核苷酸序列的高度變異性，又有長度上的保守性，能提供豐富的遺傳信息。在研究屬內(nèi)種間和較近屬間關(guān)系時都表現(xiàn)出較高的趨異率和信息位點(diǎn)百分率，對揭示異域或間斷分布居群間的關(guān)系具有重要作用，因此是道地藥材產(chǎn)地溯源的有效手段。黃林芳等[15]對新疆、內(nèi)蒙古、甘肅等不同主產(chǎn)地鎖陽的ITS 序列進(jìn)行了測定，并進(jìn)行單核苷酸多態(tài)性(SNP)分析。發(fā)現(xiàn)鎖陽ITS 序列5’端起第295 位、第455 位、第571 位和第572 位存在4 個穩(wěn)定的SNP 特征位點(diǎn)。利用SNP 位點(diǎn)設(shè)計(jì)了鑒別道地鎖陽的特異性PCR 引物可精準(zhǔn)鑒定出新疆塔城產(chǎn)鎖陽。李琳等[16]發(fā)現(xiàn)黃花蒿ITS 序列，以秦嶺-淮河為界，南方以武陵山區(qū)為中心呈現(xiàn)更豐富的單倍型及遺傳多樣性。楚惠媛等[17]對甘肅產(chǎn)岷縣與漳縣產(chǎn)當(dāng)歸進(jìn)行ITS 序列分析顯示，岷縣產(chǎn)ITS 序列第586 位為C，589 位為T，而漳縣則為T 和G，認(rèn)為該2 個堿基可能成為“岷歸”的堿基鑒別位點(diǎn)。羅洪斌等[18]通過PCR直接測序分析nrDNA-ITS區(qū)序列建立了野生與栽培種板橋黨參的分子方法，發(fā)現(xiàn)野生種在ITS2區(qū)第517bp和528bp位出現(xiàn)兩個遺傳變異位點(diǎn)N。丁小余等[19]運(yùn)用PCR直接測序法研究了鐵皮石斛主產(chǎn)區(qū)廣西，貴州，云南F 型(楓斗型)和H 型非楓斗型)居群rDNA ITS（ITS1，5.8SrDNA ITS2）堿基序列的差異。發(fā)現(xiàn)F型居群與H型居群植株的rDNA ITS區(qū)堿基序列有2 個單核苷酸多態(tài)（SNP）位點(diǎn)差異。余永邦等[20]對采自道地與非道地共計(jì)14 個產(chǎn)區(qū)的太子參進(jìn)行ITS基因的PCR擴(kuò)增和測序。序列分析表明道地與非道地產(chǎn)區(qū)序列特征差異顯著，同的變異，堿基變異數(shù)目(包括58S 編碼區(qū))為1-17 個，且一地區(qū)野生與栽培居群呈現(xiàn)差異，說明海拔、土壤等環(huán)境因子對基因分化有影響。周聯(lián)等[21]用ITS全序列鑒別廣東、云南等不同道地產(chǎn)區(qū)陽春砂。結(jié)果表明ITS-1序列能對陽春砂的道地性作出鑒別，序列堿基差異最大5 個，ITS-2 差異小。劉玉萍等[22]應(yīng)用PCR直接測序技術(shù)發(fā)現(xiàn)對廣東石牌、高藥、湛江等不同道地產(chǎn)地的廣藿香的18S rRNA基因存在7個變異位點(diǎn)。結(jié)合有關(guān)揮發(fā)油化學(xué)組成數(shù)據(jù)，為廣藿香的物種鑒定和道地性評價提供了分子依據(jù)（表1）。

2.2 本草基因組學(xué)技術(shù)的道地藥材遺傳品質(zhì)研究

2010年，陳士林等提出對重大經(jīng)濟(jì)價值和典型次生代謝途徑的大宗道地藥材進(jìn)行的全基因組測序和后基因組學(xué)研究“本草基因組學(xué)計(jì)劃”[23]。本草基因組學(xué)是從基因組水平研究道地藥材及其對人體作用的一門前沿學(xué)科，利用組學(xué)技術(shù)研究道地藥材基原物種的遺傳信息和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，闡明中藥防治人類疾病的分子機(jī)制[24]。包括從基因組水平研究道地藥材的結(jié)構(gòu)基因組和功能基因組、轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組、代謝組、表觀基因組、宏基因組、生物信息學(xué)等。2015 年《Science》增刊詳述“本草基因組解讀傳統(tǒng)藥物的生物學(xué)機(jī)制”，提出本草基因組學(xué)為道地藥材研究、藥用模式生物、基因組輔助育種、DNA 鑒定、基因數(shù)據(jù)庫構(gòu)建等提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐，是從分子水平上解析道地藥材的前提和基礎(chǔ)，對道地藥材研究產(chǎn)生巨大影響。國內(nèi)外已經(jīng)開展道地藥材西洋參、丹參、甘草、青蒿的大規(guī)模轉(zhuǎn)錄組研究[25,26,27,28]，完成了人參、丹參、靈芝等多種道地藥材cDNA 文庫構(gòu)建，發(fā)現(xiàn)大量SSRs 等遺傳標(biāo)記位點(diǎn)及生態(tài)環(huán)境響應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子，謝冬梅等[29]對安徽產(chǎn)道地藥材“鳳丹”開展了基于高通量測序的根皮的轉(zhuǎn)錄組分析，結(jié)果表明傳統(tǒng)道地產(chǎn)區(qū)安徽省銅陵市鳳凰山與非道地產(chǎn)區(qū)亳州產(chǎn)差異表達(dá)基因顯著。完成川貝母、玉蘭、厚樸、五味子等多種藥用植物的葉綠體全基因組測序，李秋實(shí)等首次提出利用單分子測序技術(shù)的環(huán)狀一致測序策略快速準(zhǔn)確獲得高準(zhǔn)確度葉綠體基因組的方法。完成了赤芝、紫芝、丹參及鐵皮石斛等基因組測序[30,31,32,33]，人參、苦蕎麥、穿心蓮、紫蘇等基因組圖譜繪制。徐江等應(yīng)用光學(xué)圖譜和新一代測序技術(shù)完成染色體水平靈芝基因組精細(xì)圖譜，發(fā)現(xiàn)靈芝三萜合成上游途徑中所有的酶基因及數(shù)百個下游途徑中修飾酶的候選基因。研究顯示靈芝基因組大小約43.3Mb，由13條染色體組成，編碼16，113 個預(yù)測基因，全基因組解析推動靈芝成為道地藥材活性成分生物合成研究的首個藥用模式真菌，該成果是道地藥材成因研究的突破性進(jìn)展，為解析中藥道地性的遺傳機(jī)制奠定基礎(chǔ)。丹參基因組的發(fā)表推動首個藥用模式植物研究體系的確立。表觀組學(xué)是后基因組時代探索功能基因表達(dá)模式變異的手段之一，袁媛等[34]闡述了表觀遺傳在道地性形成的中藥作用，認(rèn)為表觀遺傳突變速率高于基因突變，環(huán)境是道地藥材形成的主要動力，表觀遺傳學(xué)在道地性研究具有重要潛力。

陳曉辰等[35]闡述了宏基因組學(xué)在道地藥材研究的應(yīng)用，認(rèn)為宏基因組學(xué)是一種整體性的研究策略，根際微環(huán)境在道地藥材形成及藥用植物次生代謝產(chǎn)物形成作用重大。董琳琳等[36]應(yīng)用宏基因組學(xué)方法解析三七重茬微生物學(xué)成因，研究表明三七種植后的土壤真菌多樣性下降；尖孢鐮刀菌是導(dǎo)致三七幼苗死亡的根腐病病原體。孫海峰等[37]應(yīng)用核糖體內(nèi)轉(zhuǎn)錄間隔序列法（Automated ribosomal intergenic spacer analysis，ARISA）建立道地藥材山西渾源黃芪的根際微生物菌群指紋圖譜，研究發(fā)現(xiàn)道地產(chǎn)區(qū)與非道地產(chǎn)區(qū)的黑龍江、甘肅隴西黃芪根際微生物菌群結(jié)構(gòu)差異顯著。為研究道地黃芪品質(zhì)形成提供科學(xué)依據(jù)。王程成等[38]提出了道地藥材品質(zhì)形成機(jī)制的組學(xué)研究策略，認(rèn)為道地藥材的品質(zhì)形成涉及基因遺傳到最終產(chǎn)物代謝表型，組學(xué)技術(shù)適用于揭秘道地藥材復(fù)雜的品質(zhì)形成機(jī)制。本草基因組學(xué)為道地藥材的深入研究提供技術(shù)和數(shù)據(jù)支持。

3 GIS 技術(shù)為核心的道地藥材生態(tài)適宜及生態(tài)品質(zhì)特征

3.1 道地藥材生態(tài)品質(zhì)特征研究

特定生態(tài)環(huán)境是影響道地藥材品質(zhì)的重要因素。影響道地藥材品質(zhì)的關(guān)鍵生態(tài)因子對揭示優(yōu)質(zhì)性

與特有性具有重要價值。學(xué)者對西洋參、人參進(jìn)行品質(zhì)特征、生態(tài)特征及相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)溫度是影響人參皂苷富集的關(guān)鍵生態(tài)因子，適度低溫有利人參皂苷富集[39,40]。日照時數(shù)、海拔、年降水量是影響羌活醇、異歐前胡素累積的主要因素[41]。偏最小二乘回歸法（PLS）分析表明土壤類型與鐵皮石斛多糖富集正相關(guān)，年降水量與金釵石斛中石斛堿含量正相關(guān)，溫度與鼓槌石斛中毛蘭素含量相關(guān)[38]。濕度、光照、年降水量與黃花蒿中青蒿素含量顯著相關(guān)[16,43]。黃芩中黃芩苷等多數(shù)化學(xué)組分與緯度成負(fù)相關(guān)，與溫度成正相關(guān)[44]。氣壓、相對濕度和溫度與掌葉大黃活性成分含量呈正相關(guān)[45]。典型相關(guān)分析表明，秦艽中龍膽苦苷含量與溫度、氣壓顯著正相關(guān)，馬錢苷酸與年降水量呈顯著正相關(guān)。溫度、氣壓和降水量是影響秦艽品質(zhì)的關(guān)鍵氣候因子[46]。年均相對濕度、年日照時數(shù)是影響黃芪中黃芪甲苷及黃酮類成分和黃芪多糖的關(guān)鍵生態(tài)因子[12]，F(xiàn)e、B 等無機(jī)元素能鑒定黃芪道地產(chǎn)區(qū)與非道地產(chǎn)區(qū)[47]。降水和溫度是影響當(dāng)歸中阿魏酸累積的關(guān)鍵生態(tài)因子，適當(dāng)升高種植海拔、增加降水量和濕度有利阿魏酸累積[48]。

3.2 GIS核心技術(shù)的生態(tài)適宜性與區(qū)劃研究

地理信息系統(tǒng)(GlS)是指在計(jì)算機(jī)軟硬件及網(wǎng)絡(luò)支持下，應(yīng)用計(jì)算機(jī)學(xué)、數(shù)學(xué)、拓?fù)鋵W(xué)、系統(tǒng)工程學(xué)、地理學(xué)等學(xué)科中的理論和方法，按照空間位置對各種基礎(chǔ)地理信息進(jìn)行輸入、存儲、更新、查詢、分析、應(yīng)用、顯示和制圖的技術(shù)系統(tǒng)。GIS具有強(qiáng)大的空間分析功能和數(shù)據(jù)管理能力，已被廣泛應(yīng)用精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、土地利用和國土資源動態(tài)監(jiān)測中。中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院藥用植物研究所與中國測繪科學(xué)研究院、中國藥材集團(tuán)公司合作研發(fā)了“中藥材產(chǎn)地適宜性分析地理信息系統(tǒng)”(TCMGIS)，引入GIS，并將地理信息學(xué)、氣象學(xué)、土壤學(xué)、生態(tài)學(xué)、中藥資源學(xué)學(xué)等多學(xué)科的理論和方法有機(jī)結(jié)合，應(yīng)用于中藥材產(chǎn)地生態(tài)適宜性分析和數(shù)值區(qū)劃。但研究平臺中的氣候數(shù)據(jù)庫的時間截止2000年，難以全面反映當(dāng)前生態(tài)環(huán)境;有些物種選擇的道地產(chǎn)區(qū)和主產(chǎn)區(qū)樣點(diǎn)數(shù)量有限，且一些較早采集的標(biāo)本缺乏經(jīng)緯度、很難驗(yàn)證其采樣點(diǎn)的準(zhǔn)確性，導(dǎo)致所提取的生態(tài)因子數(shù)據(jù)代表性不強(qiáng)，易出現(xiàn)不準(zhǔn)確;數(shù)據(jù)運(yùn)算采用中值法，不能充分體現(xiàn)藥用植物的生長發(fā)育特點(diǎn)和生物學(xué)特性。因此，中國中醫(yī)科學(xué)院中藥研究所在Worldclim、CliMond、HWSD等國際數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，開發(fā)了“藥用植物全球產(chǎn)地生態(tài)適宜性區(qū)劃信息系統(tǒng)”(global geographic information system for medicinal plant，GMPGIS)，利用該系統(tǒng)的整合數(shù)據(jù)庫進(jìn)行藥用植物采樣點(diǎn)的分析提取，針對藥用植物生長發(fā)育特點(diǎn)獲得適宜其生長的各主要?dú)夂蛞蜃娱撝导巴寥李愋?，并?jù)此計(jì)算分析得到適宜藥用植物生長的范圍，最終以可視化地圖的方式呈現(xiàn)。并出版了《中國藥材產(chǎn)地生態(tài)適宜性區(qū)劃》專著[49]。

采用GMPGIS平臺完成了黃花蒿、人參、三七等重要道地藥材的全球產(chǎn)地生態(tài)適宜性分析與區(qū)劃，以道地產(chǎn)區(qū)、野生分布區(qū)及當(dāng)前主產(chǎn)區(qū)的生態(tài)因子為依據(jù)，通過生態(tài)相似性分析獲得黃花蒿、人參、三七等在全球范圍內(nèi)的最大生態(tài)相似度區(qū)域。結(jié)果表明優(yōu)質(zhì)黃花蒿在中國全球（77%）適宜分布，中國最大，美國與巴西有少量分布[50]。人參全球最佳生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)和潛在種植區(qū)主要包括美國、加拿大、中國、俄羅斯、日本等國家，人參在中國的生態(tài)適宜產(chǎn)區(qū)主要包括東北三省、陜西等省區(qū)[51]。杜志霞等開展了低緯度人參屬瀕危植物竹節(jié)參、珠子參、姜狀三七與屏邊三七的全球生態(tài)適宜性研究。竹節(jié)參及珠子參全球潛在適宜性分布最大的國家是中國、美國。姜狀三七及屏邊三七的全球潛在適宜性分布最大的國家是中國、巴西[52]。三七最適宜產(chǎn)區(qū)所占區(qū)域超過全球最適栽培區(qū)面積的70%是中國;美國、巴西等國家亦有少量最適栽培區(qū)域，在中國最適栽培區(qū)主要為云南、廣西等省區(qū)，該研究結(jié)果與近年三七主產(chǎn)區(qū)及種植新區(qū)發(fā)展相吻合，并從品質(zhì)生態(tài)學(xué)角度歸納闡述了產(chǎn)地、光、熱、水、土壤等因素對三七品質(zhì)的影響[53]。張翔等開展了莽草酸原料八角屬15 種藥用植物的全球生態(tài)適宜性分析。結(jié)果表明莽草酸主要來源植物八角茴香的主要潛在適應(yīng)性分布區(qū)是中國，越南和巴西有少數(shù)分布。紅茴香、大八角、野八角等5種八角屬植物生態(tài)閾值范圍廣。15 種藥用八角屬植物在中國的潛在分布區(qū)面積位居榜首。美國位居第二。為藥用八角屬植物的合理開發(fā)和利用提供參考，對推動莽草酸的生產(chǎn)和保障達(dá)菲的需求起到重要作用[54]。吳杰開展了紫杉醇原料藥紅豆杉屬12 種植物全球生態(tài)適應(yīng)性分析，結(jié)果表明紅豆杉、南方紅豆杉、歐洲紅豆杉的生態(tài)閾值范圍廣，東北紅豆杉主要分布北半球，密葉紅豆杉為小生境物種，在全球僅零星分布[55]，為指導(dǎo)全球范圍內(nèi)生產(chǎn)基地合理布局、引種繁育等提供依據(jù)。

4 結(jié)語與展望

綜上，道地藥材品質(zhì)生態(tài)策略的核心學(xué)術(shù)概念經(jīng)歷了科學(xué)假說提出、驗(yàn)證并提升到理論體系，得到學(xué)界重視，在肉蓯蓉、西洋參、黃花蒿等幾十種重要道地藥材研究中得到應(yīng)用。圖1展現(xiàn)了基于品質(zhì)生態(tài)策略的中藥材道地性研究思路。創(chuàng)建從液相色譜、光譜等多種聯(lián)用的分析化學(xué)技術(shù)到生物地理、

系統(tǒng)進(jìn)化技術(shù)，從短序列的條形碼基因到全基因組、葉綠體全基因組等組學(xué)技術(shù)，從中國地區(qū)的TCMGIS到全球GMPGIS產(chǎn)地生態(tài)適宜性技術(shù)等，形成了一套集成創(chuàng)新技術(shù)體系，建立了化學(xué)-遺傳-生態(tài)多維特征結(jié)合的道地藥材評價新方法（圖1）。厘定了常用道地藥材的遺傳、生態(tài)及化學(xué)品質(zhì)特征,為優(yōu)質(zhì)道地藥材標(biāo)準(zhǔn)制定奠定基礎(chǔ)（表1）；獲得了大批道地藥材的轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組、代謝組、表觀基因組、宏基因組的本草基因組學(xué)數(shù)據(jù),為深入解析藥材道地性提供大數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。構(gòu)建了道地藥材面向全球的產(chǎn)地生態(tài)適宜性研究及區(qū)劃分布圖，為道地藥材走向世界提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。建立了針對道地產(chǎn)區(qū)鑒別的電子鼻、非線性化學(xué)指紋圖譜等電化學(xué)方法，為數(shù)字道地藥材溯源與認(rèn)證提供科學(xué)依據(jù)。

圖1 品質(zhì)生態(tài)策略的中藥材道地性研究

然而，藥材的道地性研究仍存在一些局限。如道地藥材生態(tài)品質(zhì)特征，雖探討了影響品質(zhì)的關(guān)鍵生態(tài)因子，但缺乏基于實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)的進(jìn)一步驗(yàn)證，生態(tài)環(huán)境因子對品質(zhì)影響的相關(guān)性，都尚停留在相關(guān)關(guān)系，而無直接因果關(guān)系的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。DNA 條形碼技術(shù)目前只能對肉蓯蓉、鎖陽、麥冬等少數(shù)特殊物種進(jìn)行種下水平的精準(zhǔn)鑒定，在道地產(chǎn)地溯源方面需輔助其他技術(shù)。尚需開展基于葉綠體全基因組的meta 條形碼的深入發(fā)掘。產(chǎn)地生態(tài)適應(yīng)性研究僅針對氣候、環(huán)境等生物學(xué)因素，并未考慮社會及經(jīng)濟(jì)因素。轉(zhuǎn)錄組、基因組等本草基因組學(xué)數(shù)據(jù)多停留在數(shù)據(jù)分析及描述等資源儲備階段，尚需深入功能驗(yàn)證、挖掘，及多維技術(shù)縱橫聯(lián)合的智能化等開發(fā)應(yīng)用階段。

未來，道地藥材的安全、有效、穩(wěn)定、可控、可追溯依然是研究的重點(diǎn)，使其特殊的遺傳品質(zhì)、生態(tài)特點(diǎn)、化學(xué)品質(zhì)和性狀品質(zhì)可知、可控、可靠與可用。新技術(shù)在道地藥材品質(zhì)評控的應(yīng)用將進(jìn)一步深化。如系統(tǒng)生物學(xué)思路的基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白組、代謝組、宏基因組、表觀遺傳基因組等“組學(xué)”技術(shù)在道地藥材的應(yīng)用。本草基因組學(xué)研究在道地藥材優(yōu)質(zhì)遺傳信息的揭示與機(jī)制闡述，重要活性產(chǎn)物的生物合成途徑解析及功能基因的發(fā)掘具有顯著優(yōu)勢，而基因組輔助分子鑒定、分子育種及新品種選育是防止道地產(chǎn)區(qū)品種種質(zhì)退化、質(zhì)量下降的有效措施及未來研究方向?；诖x組的全基因組關(guān)聯(lián)分析(m GWAS)探究代謝物生物合成途徑中潛在遺傳基礎(chǔ)，發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵酶基英，為挖掘“道地基因（群）”提供基礎(chǔ)。此外，數(shù)字技術(shù)及人工智能在道地藥材標(biāo)準(zhǔn)化及質(zhì)控的應(yīng)用。1998 年，美國前副總統(tǒng)戈?duì)柼岢隽恕皵?shù)字地球”，促進(jìn)了信息數(shù)字化發(fā)展?！皵?shù)字中醫(yī)藥”通過現(xiàn)代信息技術(shù)，采集各種中醫(yī)藥數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)倉庫并進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，通過海量數(shù)據(jù)建立了中醫(yī)藥信息平臺。道地藥材標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建及機(jī)器深度學(xué)習(xí)技術(shù)的成熟為人工智能應(yīng)用提供了條件。如基于電化學(xué)及仿生技術(shù)的人工智能感官技術(shù)，能模擬人體真實(shí)感官的功能，在藥學(xué)領(lǐng)域方興未艾，電子鼻、電子舌、電子眼及電子皮膚等技術(shù)，在道地藥材外觀品相與內(nèi)在品質(zhì)鑒定、成分定性定量分析、質(zhì)量控制及炮制工藝評價、產(chǎn)地溯源等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢和巨大潛能，同時人工智能感官多技術(shù)之間及與多維“組學(xué)”等現(xiàn)代生物技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，能整合形成一套道地藥材質(zhì)控人工智能系統(tǒng)，為道地藥材研究提供新方法與新思路。