中药微生物组学及其研究策略_张国壮.pdf

年 月第 卷第 期.，.，收稿日期 基金项目 云南省重大科技专项（生物医药）项目（，）；国家重点研发计划项目（）通信作者董林林，博士，副研究员，研究方向为中药资源，：作者简介 张国壮，博士，助理研究员，研究方向为中药资源，：中药微生物组学及其研究策略张国壮，陈士林，董林林（中国中医科学院 中药研究所，北京）摘要 微生物组与中医药的密切联系已得到广泛关注。近年来，随着高通量测序技术和多组学技术的不断进步，微生物组学领域不断涌现出新的技术、成果和理论。为推动微生物组学与中药学的深度融合，该文在前人研究基础上提出“中药微生物组学（，）”这一学科概念，即通过生物学、生态学和信息学等现代技术研究微生物组在中药资源、药材加工贮存和临床疗效等中药学领域中功能及应用的前沿学科，其基本内涵包含了与中药品质、安全及功效有关的微生物组的结构、功能、相互作用、分子机制及应用策略。该文首先对中药微生物组学的发展沿革进行总结，强调了中药微生物组学对微生物组复杂性和整体性的深刻认识。在此基础上，该文系统综述了中药微生物组学在助力中药资源可持续发展、促进中药发酵标准化与多样化、加强中药贮藏安全、解析中医药理论与临床疗效科学内涵等研究内容及应用，并从基础研究、应用研究和系统研究 个层面阐述了中药微生物组学的研究策略与方法。中药微生物组学将促进中药学与前沿科学技术和理念的融合，拓展中药研究的深度与广度，推动中药现代化。关键词 中药微生物组学；微生物组；中药资源；中医药理论；中药药理 ，（，）（），（），；：.张国壮等：中药微生物组学及其研究策略 中药微生物组学的发展、概念及科学内涵地球上的几乎所有生境中都定殖有大量且多样的微生物，包括土壤、动植物表面甚至组织内部。在一个连续的生境中生活的，具有不同性状和相互作用模式的微生物的集合被称为微生物组（），它们与动植物构成了不可分割的功能单元，即“宏有机体”。以微生物组的结构、功能和 应 用 为 研 究 对 象 的 学 科 即 为 微 生 物 组 学（）。微生物组涉及中药种植、加工贮存以及中医药临床应用的关键环节。早在 世纪，我国学者魏曦就认识到微生物与动植物宿主之间相互依赖和制约的密切联系，提出以宿主为中心的微生态学概念，并根据中医药的平衡与失调转化思想，预言“微生态学很可能成为打开中医奥秘大门的一把钥匙”。此后，我国学者从多方面发展了微生态学与中医药之间的联系。例如，杨景云和杨继新对中医学的整体观、阴阳和藏象学说与微生态的理论关系进行了探讨；杜珊等从病因病机、证候和实验研究等方面对中医药和肠道微生态的关系进行了进一步归纳。在中药资源方面，我国学者基于微生态对药材生长和代谢的影响，探讨了中药微生态与中药道地性之间的联系。何冬梅等在总结与中医药有关的植物微生态和人体微生态的基础上，完善中药微生态学概念，即研究中药微生态的形成及其与中药栽培、产量、品质、疗效、安全、产地、人体微生态等的相互关系的学科。尽管这些理论与实践研究体现了我国学者对微生物在中药栽培和临床应用等环节中重要作用的深刻认识，但当前研究仍侧重于对中药相关微生物群的分类学组成描述和基于传统分离培养技术的单菌功能探索，。事实上，随着高通量测序、生态学和生物信息学技术的进步，当前人们已认识到多种复杂的生态过程共同塑造了极富多样性的动植物微生物组，包括微生物种群的扩散、随机变化、微生物与环境和宿主的相互作用以及微生物之间的相互作用等。这些过程使微生物组形成一个复杂和动态的整体系统，而不能被视为个体微生物的简单加和。亟需在与中药有关的微生物组层面，综合利用多学科技术解析其结构、功能和互作复杂性背后的模式和机制，并在其成果基础上探索微生物组在解决中药科学问题中的应用途径。为此，本文在前人研究基础上，提出中药微生物组学（，）这一学科概念，即通过生物学、生态学和信息学等现代技术研究微生物组在中药资源、药材加工贮存和临床疗效等中药学领域中功能及应用的前沿学科，其基本内涵包含了与中药品质、安全及功效有关的微生物组的结构、功能、相互作用、分子机制及应用策略。这一概念是中药微生态学的补充和延伸，一方面强调在“组”的整体水平上对微生物群的复杂性进行解析，另一方面更加注重对机制和应用的研究。基于这一概念，本文以中医药关键科学问题为指引，系统综述了中药微生物组学的研究内容及应用前景，并对其研究策略及方法进行总结，旨在推动中药学与微生物组学研究的深度融合和成果应用，为中医药高质量科学发展提供新的见解和策略。中药微生物组学助力中药资源研究及可持续发展近年来，中药的广泛应用使中药资源需求量急速上升，产需矛盾凸显，特别是高品质药材的缺口愈发严重；另一方面，中药种植过程中为提高产收而大量使用化肥农药则造成了中药材农残超标、质量下降等问题。如何实现中药资源的可持续发展是中医药产业高质量发展亟待解决的关键科学问题。微生物组学从多个方面为该问题提供了线索。首先，微生物组与中药道地性的生态环境成因和遗传成因都密切相关，能够帮助解析道地性的生物学实质，从而辅助高品质药材的大范围栽培；其次，微生物组作为药用植物能够利用的一种环境资源，可以直接用于提升中药材品质（图）。.通过微生物组研究揭示药材道地性的生物学实质微生物组是生态环境的重要组成部分，其与药用植物通过复杂的相互作用形成一个紧密联系的整体，对药用植物的品质和产量等道地性指标均有影响（图）。其有利影响主要表现为促进植物营养获取、提高植物对非生物和生物胁迫的抗性等。例如，与半夏、滇重楼等药用植物共生的丛枝菌根真菌和与黄芪等豆科药用植物共生的根瘤细菌分别驱动了宿主对磷和氮营养的获取；微生物组中的非共生型植物生长促进微生物能够通过溶磷、产生固氮酶或植物激素等方式直接或间接地提高植物的营养有效性和对干旱、盐、重金属等非生物胁迫的抗性；等研究表明，植物根微生物组中具有氮代谢功能的子类群对宿主的氮吸收效率至关重要；在整体水平，等发现根际微生物组对干旱的进化响应快于植物自身，且这种变化对植物适应干旱至关重要，该研究为理解适宜旱地生长的甘草、麻黄等中药材的适应性成因提供了微生物组角度的线索。类似地，微生物组学的前沿成果也为揭示道地药材疾病抗性的机制提供了借鉴；例如，等发现抑病土壤中的变形菌门细菌能够通过分泌非核糖体多肽抑制病原菌生长；等发现番茄根际微生物组的大多数成员能够通过产生铁载体与病原青枯菌 竞争铁资源从而抑制后者的增殖。此外，微生物组也影响药用植物中活性次生代谢物的产生、转化和积累。例如，等发现甘草根际土壤中的微食物网结构和部分微生物类群贡献了根中甘草苷、甘草酸等活性次生代谢物质的积累。等提出植物次生代谢产物的合成和多样化可能源于植物与病原菌等入侵者之间“化学武器”的快速共进化；等的研究支持了这一假说，其发现可能具有入侵生活方式的真菌子类群贡献了人参、西洋参和三七之间的皂苷多样性。植物在约 亿年前陆地定殖时就与微生物组形成了密 年 月第 卷第 期.，.，图 微生物组在中药资源中的研究内容与应用.切的联系。除了上述“同时代”影响外，植物微生物组互作在漫长进化史中也决定了植物的遗传背景与地理分布（图）。换言之，作为中药材道地性的另一个主导力量，药用植物 的 遗 传 演 化 也 与 微 生 物 组 密 切 相 关。例 如，等发现苹果属植物嫩枝中微生物组的变异与宿主植物系统发育距离具有显著正相关。等提出了“系统共生（）”的概念，即亲缘密切的物种通常具有更加相似的微生物组。当前道地药材大多属于栽培品，千百年来人们对药材的持续培育驯化也是道地药材遗传因素的重要成因之一（图）。已有研究表明，对植物的人工驯化过程往往也伴随着微生物组的变化。例如，等发现禾本科植物栽培种与野生种的种子微生物组与植物基因型具有显著共变，且人类相关细菌类群如 在栽培种中显著富集，表明在驯化过程中可能发生了从人类到植物的微生物转移。等在不同甘草生态型的根微生物组中鉴定了与甘草驯化过程和地理分布区演变有关的细菌和真菌子类群。尽管药用植物与微生物组共进化的研究较少，但在广泛植物谱系中的证据充分表明微生物组是道地药材遗传背景形成的关键力量。.利用微生物组资源提升中药材品质由于微生物组对植物表型的重要影响，在药用植物种植中利用微生物组资源是实现第二次“绿色革命”的重要途径。对微生物组的利用主要有 种策略，一是选育能够主动利用 招募环境中有益微生物类群的药用植物新品种；二是通过调控土壤和植物微生物组，优化土壤微生物植物系统功能，从而实现高品质药材的规模化生产，（图）。在高化肥投入下提升植物特定性状的传统育种模式具有不可持续性，且会削弱药用植物栽培系统中植物与微生物的有益联系。利用微生物组资源的新型育种计划能够帮助人们开发具有理想性状和更强环境适应性的药用植物新品种，。植物的某些遗传性状能够影响微生物组的结构或特定成员，这种遗传影响源自植物在自然选择压力下为获得竞争优势而对特定微生物功能的需求。对具有微生物组资源利用能力的特定药用植物基因型的选育需要理解植物中参与微生物组控制的遗传因子。在模式物种中的前沿研究为此提供了见解。例如，等发现一个与模式触发免疫有关的遗传网络维持了拟南芥叶际细菌组的稳态和对病原菌的抗性；等发现具有尖孢镰刀菌抗性的菜豆品种具有与低抗性品种不同的活性根际微生物组与功能，表明抗病品种可能通过影响根际微生物组 结 构 提 升 对 病 原 菌 的 抵 抗 能 力；在 番 茄 群 体 中，等利用定量遗传学手段定位了与根际微生物组差异招募有关的基因组区域，为培育利用微生物组的番茄新品种奠定了基础。在药用植物中，等通过对人参属药用植物真菌组的进化生态学研究，发现与真菌类群招募和排斥有关的遗传模块在人参属物种中可能是保守的。此外，与模式物种不同，许多药用植物为多年生，解析其生命周期中的微生物组动态能够帮助理解药用植物对微生物的调控策略。例如，等通过追踪两年生和三年生三七的根际微生物组，揭示了微生物组结构从细菌主导型向真菌主导型过渡的动态变化。张国壮等：中药微生物组学及其研究策略通过引入具有特定功能的微生物，使微生物组表现出对药用植物品质有利的特性，或直接从头构建具有期望特性的微生物组是利用微生物组资源的另一种重要途径（图）。例如，等发现接种非致病性刺盘孢属 真菌能够激活拟南芥中吲哚硫代葡萄糖苷通路的表达，表明向植物微生物组中引入特定微生物可能是调控药用植物次生代谢物合成的有效方式。在从头构建微生物组方面，等根据患根腐病黄芪的根际富集微生物构建了一个合成群落，其成员能够在根际成功定植并协作增强黄芪的抗根腐病能力。在实际生产中，对微生物组的调控策略应避免土著微生物的“优先效应”。例如，等提出，植物发育初始阶段的微生物组规模较小，土著优势较弱，是对微生物组进行调控管理的理想时期。此外，由根系分泌自毒物质导致的连作障碍是药用植物减产的一个重要因素，而从土壤微生物组中鉴定并应用能够降解自毒物质的微生物以恢复土壤环境和微生物组稳态是缓解连作障碍的重要措施。例如，等基于微生物组与自毒物质邻苯二甲酸二异丁酯的关联分析，从人参根际土壤中分离得到 株可以高效降解自毒物质的鞘氨醇单胞菌，施用该菌菌剂能够有效降低连作人参的死亡率。虽然当前研究仍处于起步阶段，但已有的先锋探索为通过调控微生物组提升中药材产量与品质奠定了基础。除了上述研究内容与应用场景，微生物组学还可从多个方面促进中药资源的可持续发展。例如，许多药用植物内生菌具有广泛的次生代谢活性，特别是合成宿主植物特有的次生代谢物的能力，有潜力成为珍稀濒危中药资源的替代品，（图）。通过微生物组与次生代谢基因簇、蛋白组、次生代谢产物的多组学分析，可能帮助快速识别具有特定次生代谢活性的内生菌。此外，微生物组学还可用于鉴定需要多菌 相 互 作 用 诱 导 的 次 生 代 谢 活 性，如 能够通过表观遗传修饰激活构巢曲霉中的次生代谢基因簇，使后者产生苔色酸和衍生多酚化合物。在中药产业链的末端，以药渣为代表的高价值废弃中药资源的再利用也是微生物组学的重要功能场景（图）。虽然当前利用腐生菌等微生物将药渣转化为饲料、肥料或生物燃料等已开展许多研究，但产业化仍面临诸多问题，主要