藥用植物親緣學(xué)理論創(chuàng)新與應(yīng)用實踐△

肖培根，李旻輝，郝大程，何春年，許利嘉

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，北京 100193；2.包頭醫(yī)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014040；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)中醫(yī)藥研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；4.大連交通大學(xué)，遼寧 大連 116028

世界上數(shù)以萬計的藥用植物都是經(jīng)過漫長的歷史時期逐漸演化來的。在進化過程中，它們之間形成了或遠或近的親緣關(guān)系。在此理論基礎(chǔ)上，筆者于1978年提出了藥用植物親緣學(xué)（pharmacophylogeny）的概念[1]。藥用植物親緣學(xué)是研究藥用植物的親緣關(guān)系-化學(xué)成分-療效（藥理活性及傳統(tǒng)療效）間相關(guān)性的一門交叉學(xué)科，涉及植物系統(tǒng)發(fā)育學(xué)、植物分類學(xué)、植物化學(xué)、藥理學(xué)、分子系統(tǒng)學(xué)、基因組學(xué)和信息學(xué)等多個領(lǐng)域，是藥用植物研發(fā)的基礎(chǔ)工具，強調(diào)親緣相近的植物含有相似的化學(xué)或生物活性成分、具有相似的療效。藥用植物親緣學(xué)促進了藥用植物新資源的發(fā)現(xiàn)，豐富了中藥現(xiàn)代化基礎(chǔ)研究的內(nèi)涵，為新藥開發(fā)提供了新的理論和方法，為研究藥用植物的內(nèi)在關(guān)系提供了方向和理論指導(dǎo)，對中藥資源的開發(fā)具有指導(dǎo)意義[2]。本文對藥用植物親緣學(xué)的建立過程、研究內(nèi)容及應(yīng)用實踐進行了綜述，并展望了其未來的發(fā)展方向。

1 藥用植物親緣學(xué)的建立過程

20 世紀50 年代初，新中國百廢待興，西方國家對中國實行了物資禁運，包含利血平在內(nèi)的許多進口藥物禁止向中國出口。中國對尋找替代進口藥的國產(chǎn)資源需求十分迫切。筆者帶領(lǐng)團隊在云南、廣西等植物資源豐富的地區(qū)首次找到了與利血平來源植物蛇根木Rauvolfia serpentina（L.）Benth.ex Kurz 具有相似生物堿類成分且療效相似的國產(chǎn)植物蘿芙木R.verticillata（Lour.）Baill.。1958年，以蘿芙木總生物堿為原料開發(fā)的降壓靈問世，向世界宣告中國自主研發(fā)的藥物取得了重大成功，打破了國外對中國的封鎖。至今，國產(chǎn)利血平仍廣泛用于治療高血壓，其相關(guān)制劑在中國的生產(chǎn)廠家達到70 余家。這對我國新藥研發(fā)具有開創(chuàng)性的意義。隨后，本團隊又相繼找到替代阿拉伯膠、安息香、胡黃連、馬錢子、大風(fēng)子、阿魏等一系列藥材的國產(chǎn)替代品，為我國尋找和開發(fā)進口藥材的替代資源做出了重要貢獻。

在此過程中，筆者萌生了藥用植物親緣學(xué)的初步想法，即親緣關(guān)系相近的植物類群具有類似的化學(xué)成分和藥理活性。通過十余年的歸納總結(jié)，本團隊陸續(xù)發(fā)表了20 多篇與藥用植物親緣學(xué)相關(guān)的論文，并于1978 年首次提出藥用植物親緣學(xué)概念。這標志著一個新學(xué)科的誕生。在藥用植物親緣學(xué)建立及發(fā)展的60 余年中，本團隊取得了理論、方法、應(yīng)用和實踐等多方面的科技成果，出版了《藥用植物親緣學(xué)導(dǎo)論》等專著，開創(chuàng)了具有我國原創(chuàng)性的科學(xué)研究模式，對我國中藥資源可持續(xù)利用和開發(fā)具有重大意義。

2 研究內(nèi)容及應(yīng)用實踐

2.1 發(fā)現(xiàn)藥用植物新類群，綜合整理擴大藥用植物資源

筆者在深入研究毛茛科藥用植物類群的過程中，對近緣植物花的結(jié)構(gòu)進行了仔細解剖和比較，發(fā)現(xiàn)了1 個包含16 個新種或新組合的植物新屬——人字果屬（Dichocarpum）[3]。該成果與王文采院士共同發(fā)表后，得到了日本毛茛科專家田村道夫和英國毛茛科專家Lauener 的認可，為東亞地區(qū)增加了1 個新的特有屬。隨后，本團隊對該屬植物形態(tài)、分子、化學(xué)成分和藥理活性開展了系統(tǒng)研究，通過DNA 條形碼、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和形態(tài)學(xué)研究，揭示屬下親緣關(guān)系和人字果屬在毛茛科植物中的系統(tǒng)地位。植物化學(xué)和代謝組學(xué)研究顯示，該屬富含芐基異喹啉類生物堿、黃酮和三萜類成分。其中，芐基異喹啉生物堿具有較強的乙酰膽堿酯酶抑制活性[4-5]。此項研究為世界毛茛科植物研究與應(yīng)用做出了重要貢獻。

藥用植物親緣學(xué)的研究使新分類群的發(fā)現(xiàn)更加可靠，如拉薩大黃Rheum lhasaenseA.J.Li et P.K.Hsiao 不含蒽醌類化合物，主要含有茋類成分[6]，故在療效上與大黃屬其他植物有所不同[7]；蘋果屬（Malus）植物葉片普遍含有根皮苷等多酚類成分，是潛在的具有降血糖等活性的藥用資源[8-9]；槭屬（Acer）植物茶條槭組植物均含有豐富的茶條槭素等結(jié)構(gòu)獨特的可水解鞣質(zhì)，抗氧化、抗腫瘤活性明顯[10-11]；黃芩屬（Scutellaria）藥用植物的分子系統(tǒng)學(xué)研究支持將根部入藥與全草（根部不發(fā)達）入藥的種分別聚為2 支，這與傳統(tǒng)形態(tài)分類有較大不同。這2 支植物的化學(xué)成分和功效均存在一定差異，有利于新藥用資源的發(fā)掘[12]。

本團隊在長期藥用植物調(diào)查整理和研究過程中，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)并報道了20 個植物新種（變種），包括大黃屬1 個新種、升麻屬3 個新種和2 個變種、鐵破鑼屬1 個新種、黃連屬1 個新種和1 個變種、淫羊藿屬1個新種、十大功勞屬2個新種[13]、小檗屬3個新種、貝母屬2 個新種、黃芪屬1 個新變種、龍膽屬1 個新種和茜草屬1 個新種[14]。其中，三角葉黃連Coptis deltoideaC.Y.Cheng et Hsiao、蒙古黃芪Astragalus membranaceus（Fisch.）Bge.var.mongholicus（Bge.）Hsiao、暗紫貝母Fritillaria unibracteataHsiao et K.C.Hsia、湖北貝母F.hupehensisHsiao et K.C.Hsia 4個新種（新組合）被《中華人民共和國藥典》（以下簡稱《中國藥典》）收載。三角葉黃連為中藥黃連的基原植物之一（《中國藥典》1977—2020年版）[15]，蒙古黃芪為大宗常用中藥黃芪的基原植物之一（《中國藥典》1963—2020年版），暗紫貝母為中藥川貝母的基原植物之一（《中國藥典》1977—2020年版）[16]，湖北貝母為中藥湖北貝母的基原植物（《中國藥典》2000—2020年版）[17]。這為大宗藥材資源的供應(yīng)提供了保障。

2.2 對中國藥用植物的傳統(tǒng)功效進行創(chuàng)新性歸納和量化，獲得不同分類群的療效傾向性，指導(dǎo)了新藥尋找和資源利用

20 世紀80 年代，本團隊對木蘭亞綱（Magnoliidae）、金縷梅亞綱（Hamamelidae）和石竹亞綱（Caryophyllidae）等類群3 萬余份藥用植物的療效進行了系統(tǒng)梳理，突破了單純的文獻匯編模式，利用計算機結(jié)合數(shù)學(xué)模型，分析了傳統(tǒng)療效和現(xiàn)代科學(xué)研究的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，可用于指導(dǎo)新藥尋找及資源利用[18-20]；首次采用傳統(tǒng)療效指數(shù)（TRI）分析藥用植物的療效傾向性和規(guī)律性。根據(jù)梳理發(fā)現(xiàn)，TRI值≥300 表明某類傳統(tǒng)療效較明顯，TRI 值越大，表明該植物具有此療效的傾向性越大。依據(jù)此規(guī)律，發(fā)現(xiàn)毛茛科烏頭屬類群植物抗炎指數(shù)高，但多數(shù)植物具有毒性，如烏頭Aconitum carmichaeliiDebx.、北烏頭A.kusnezoffiiReichb.等。深入研究表明，其中所含的二萜型生物堿是主要活性成分和毒性成分，包括雙酯型生物堿、單酯型生物堿和非酯型生物堿。雙酯型生物堿主要具有抗腫瘤、鎮(zhèn)痛、抗炎等藥理作用；單酯型二萜生物堿主要表現(xiàn)為對神經(jīng)細胞的保護作用；非酯型生物堿具有鎮(zhèn)痛作用，毒性較小，用于慢性疼痛和癌癥晚期疼痛的治療。本團隊還分析了中國分布的假龍膽屬植物的TRI[21]，發(fā)現(xiàn)該屬多數(shù)植物具有清熱解毒和治療肝炎的作用，其所含的齊墩果酸類成分具有抗炎、鎮(zhèn)靜等作用，對治療急性黃疸型肝炎有一定療效，而這些植物中的環(huán)烯醚萜類化合物則具有保肝利膽和抗炎等作用。這些工作突破了那個時代的局限性，首次將信息學(xué)技術(shù)引入到藥用植物研究領(lǐng)域，有力地推動了中藥資源學(xué)和傳統(tǒng)藥物學(xué)的研究，為新藥尋找和資源利用提供了重要的理論指導(dǎo)。

2.3 對常用中藥（民族藥）品種開展了系統(tǒng)研究，為中藥（民族藥）正本清源、質(zhì)量評價及標準提升提供了新的研究模式

本團隊在60 余年的研究中，依據(jù)藥用植物親緣學(xué)的基本思路，采用形態(tài)學(xué)、分子生物學(xué)、化學(xué)、藥理學(xué)和信息學(xué)等多學(xué)科集成的研究手段，突破了單一研究方法的局限，開展了大量常用中藥品種的系統(tǒng)研究，包括烏頭、黃芪、黃連、秦艽、牡丹皮、丹參、五味子等20 余種（類）常用中藥材及其混用品和代用品，為中藥品種考證、質(zhì)量評價及標準提升提供了新的研究模式。例如，對大黃類藥材的研究發(fā)現(xiàn)，葉緣分裂程度與番瀉苷、大黃酸的有無及瀉下作用密切相關(guān)，凡是有顯著瀉下作用的大黃屬植物，均含大黃酸與番瀉苷，而且在形態(tài)上葉邊緣具有不同程度的波狀或掌狀分裂[7,22-23]?；谶@個規(guī)律，科研工作者能夠有效預(yù)測尚未進行研究的大黃屬植物是否具有瀉下作用。本團隊還對烏頭屬藥用植物進行了深入研究。研究發(fā)現(xiàn)，原始類群（黃花烏頭、圓葉烏頭等）毒性較小，形態(tài)上表現(xiàn)為花瓣分化不完全，根部維管束呈點狀且9～10 個成1 輪；而進化類群（烏頭、雪上一支蒿等）則毒性較大，形態(tài)上表現(xiàn)為花瓣分化較完全，根部維管束呈放射狀排列[24-25]。藥用植物親緣學(xué)指導(dǎo)中藥質(zhì)量控制及利用的研究模式被行業(yè)廣泛接受并實踐，這對提升我國中藥質(zhì)量標準和推動中藥現(xiàn)代化進程具有重要作用。例如，我國學(xué)者將與肉蓯蓉（基原植物為荒漠肉蓯蓉Cistanche deserticoLaY.C.Ma）化學(xué)成分相似、藥理作用相近的管花肉蓯蓉C.tubulosa（Schenk）Wight 作為肉蓯蓉藥材的另一基原植物納入《中國藥典》2005 年版并沿用至今，并參考荒漠肉蓯蓉的質(zhì)量標準制定了管花肉蓯蓉的相關(guān)標準。

藥用植物親緣學(xué)也為民族藥品種整理開拓了新思路。以“地格達”類蒙藥材為例[26-27]，將其本草考證與藥用植物親緣學(xué)結(jié)合分析得出，“地格達”類蒙藥材的正品主要為龍膽科的藥用植物，分散在獐牙菜屬、花錨屬等8個屬中，多含有環(huán)烯醚萜類、酮類及三萜類等化合物?，F(xiàn)代藥理學(xué)研究表明，這些類成分多具有保肝利膽的生物活性，因此蒙醫(yī)藥文獻及臨床中將同屬植物來源的藥材作為功效相近的“地格達”類蒙藥材使用具有一定物質(zhì)基礎(chǔ)依據(jù)和合理性。

2.4 首次提出藥用植物的三級開發(fā)理論，開發(fā)出多個新產(chǎn)品（新藥、保健食品及食品），產(chǎn)生顯著的社會與經(jīng)濟效益

利用藥用植物親緣學(xué)理論，本團隊首次提出藥用植物的三級開發(fā)理論（包括藥材原料、中藥初級新產(chǎn)品和新藥的開發(fā)，圖1），為我國中藥資源的開發(fā)和利用指明了方向。通過對阿托品類生物堿在茄科中的分布規(guī)律進行深入研究，預(yù)測并發(fā)現(xiàn)藏醫(yī)藏藥中莨菪堿類生物堿含量較高的新資源植物——矮莨菪Przewalskia tangnticaMaxim.[28-30]。通過對矮莨菪資源的系統(tǒng)三級開發(fā)，研發(fā)出莨菪類生物堿制劑20 余種及山莨菪堿、樟柳堿2 種抗膽堿新藥。在小檗屬植物三顆針提取小檗堿的過程中發(fā)現(xiàn)，其廢液中小檗胺含量極高?；诖耍緢F隊與劉昌孝院士等合作開發(fā)了促進白細胞增生的新藥——小檗胺[31-34]。為了治療20 世紀60 年代的一種無名高燒癥，本團隊成員從抗病毒和解熱兩個思路出發(fā)，找到了菊科植物鵝不食草，研發(fā)出用于治療高燒、流感等疾患的熱可平注射液。該藥成為當(dāng)時臨床常規(guī)用藥，并被國家中醫(yī)藥管理局批準為全國中醫(yī)醫(yī)院急診必備中成藥。同時，本團隊還系統(tǒng)研究了我國沙棘屬植物[35]，對我國沙棘資源全產(chǎn)業(yè)鏈進行了綜合研究，開發(fā)了沙棘油、沙棘果漿（汁）、沙棘果粉、沙棘茶、沙棘功能性固體飲料等30 多個沙棘相關(guān)健康產(chǎn)品，年產(chǎn)值達6000 萬元。該研究帶動了相關(guān)地區(qū)的產(chǎn)業(yè)扶貧，并助力山西省嵐縣等貧困地區(qū)提前摘掉國家級貧困縣的帽子，產(chǎn)生了顯著的社會和經(jīng)濟效益。

圖1 藥用植物三級開發(fā)理論

2.5 針對我國一批重要植物類群進行系統(tǒng)研究，融合多組學(xué)和生物信息學(xué)等新技術(shù)，提出藥用基因組親緣學(xué)新概念

本團隊先后對一批重要藥用植物類群開展了系統(tǒng)研究[36-46]，包括毛茛科（烏頭屬、唐松草屬、升麻屬、人字果屬等）、小檗科（小檗屬、十大功勞屬等）、五味子科（五味子屬、南五味子屬）、蓼科（大黃屬、虎杖屬）、唇形科（鼠尾草屬、黃芩屬）、百合科（貝母屬）、芍藥科（芍藥屬）、茄科（山莨菪屬、枸杞屬）、五加科（人參屬）、胡頹子科（沙棘屬）、桔?？疲ń酃伲?、豆科（黃芪屬）等近30個科屬。根據(jù)科學(xué)發(fā)展的基本規(guī)律，本團隊與時俱進，積極將多組學(xué)和生物信息學(xué)等新技術(shù)融合到藥用植物親緣學(xué)理論創(chuàng)新中，提出藥用基因組親緣學(xué)的新概念[47-48]：在基因組及其相關(guān)的轉(zhuǎn)錄組和代謝組水平，系統(tǒng)研究藥用植物的植物親緣關(guān)系-化學(xué)成分-療效（傳統(tǒng)療效及藥理活性）間的相關(guān)性（圖2）。例如，基于分子標記和形態(tài)特征確定了人字果屬在毛茛科中的系統(tǒng)位置；依據(jù)細胞核和葉綠體DNA 序列的分子系統(tǒng)樹將烏頭屬形態(tài)極相近的9系分為2群，有助于發(fā)現(xiàn)烏頭屬高效低毒的新化合物，促進烏頭屬資源的可持續(xù)利用；基于葉綠體基因組、代謝組和網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)等方法，闡明了中國黃芩屬抗腫瘤活性藥用親緣關(guān)系，為該屬植物資源的深入開發(fā)利用提供了科學(xué)基礎(chǔ)[12]。

圖2 藥用植物基因組親緣學(xué)

3 展望

進入21 世紀，在各學(xué)科均處于飛速發(fā)展的階段，如何突破局限、繼續(xù)創(chuàng)新是每個學(xué)科都面臨的挑戰(zhàn)。近年來，生物大分子的結(jié)構(gòu)、活性等成為世界范圍內(nèi)的研究熱點，藥用植物親緣學(xué)的研究可以從關(guān)注植物類群中的小分子化合物拓展到生物大分子物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、多糖等。同時，需要按照學(xué)科特定目標，不斷探索，尋找本學(xué)科與其他新興學(xué)科的交叉點和結(jié)合點，凝練出適合本學(xué)科、具有前瞻性和特色的研究方向，對各藥用植物類群進行系統(tǒng)研究，順應(yīng)藥物研發(fā)趨勢和維護人類健康需求，使藥用植物親緣學(xué)理論在促進中藥資源可持續(xù)利用和中醫(yī)藥傳承、創(chuàng)新方面持續(xù)發(fā)揮更大作用。