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陈士林:为中药材量身定做基因“身份证”

    长期以来,在中药材贸易及临床应用中,诸如冬虫夏草中混入亚香棒虫草、山银花冒充金银花、西洋参中混入人参等这类鱼目混珠、防不胜防的混伪问题,一直都是让监管者们头痛不已的难题。


  DNA条形码鉴定技术具有六大优势

  中国中医科学院中药研究所所长陈士林研究员告诉科技日报记者,在不法销售商造假手段越来越高明的情况下,中药材四大传统鉴定方法(基原鉴定、性状鉴定、显微鉴定和理化鉴定)都因存在一定的局限性而无法完全保障中药材真伪鉴别的准确性。

  随着科学研究的不断深入,一种新的中药材鉴定技术已经应运而生。这种被称作DNA条形码的技术,通过为中药材标本制作一张特殊的基因“身份证”,经过数据比对后,就能对所鉴别的物种进行快速、准确的识别与鉴定。

  陈士林研究员告诉记者,DNA条形码技术是国际上近年来发展起来的生物物种鉴定新技术。该方法由于不受外界环境因素的影响以及样品形态和材料部位的限制,可为中药材原植物和种类鉴别提供更加准确可靠的手段,是中药分子鉴定方法学上的一个创新。“从分子遗传学角度来看,物种表现型的差异本质上是基因型的差异,即体现在DNA序列上的差异。因此,DNA条形码的诞生和发展,为药用植物分类和鉴定提供了本质依据。”

  在陈士林研究员看来,DNA条形码技术具有6大优势:只需选用一个或少数几个基因片断即可对绝大部分中药物种进行准确鉴定;可以在短时间内鉴定大量样本;重复性和稳定性高;实验过程标准、操作简单,更易实现物种鉴定自动化;可有效缓解分类鉴定人才缺乏的现状;可通过互联网和信息平台对现有物种序列信息进行集中统一管理,并可实现资源共享。


  从跟随研究到引领国际的华丽转身

  DNA条形码技术是利用标准基因片段对物种进行快速、准确识别与鉴定的一种新技术,识别技术的核心部分是找到能区分各物种的序列片段,而理想的条形码应具有通用性,同时也应具有足够的变异以区分不同的物种。

  陈教授说,“从分子遗传学角度来看,物种的差异归根结底是基因型的差异。因此,当我们测出一份样本中特有的DNA序列后,将它与已知序列进行比较,就可以知道该样本的身份,这对传统鉴定方法是非常有效的补充手段。这一DNA序列就像是给每个物种标记的条形码,又像是每个物种独有的‘身份证’编号,具有唯一性。”

  DNA条形码最先被应用鉴定的领域并非中药材,而是动物。在动物鉴定领域,COI基因已经被确定为动物条形码的通用片段,但不能作为植物的DNA条形码。因此,近年来,筛选有效的植物DNA条形码便成为了国际生命条形码工作者研究的首要任务之一。2005年至今,美、英、韩等国家的多个研究组提出了多个植物DNA条形码或条形码组合的建议,但这些序列均未能取得令人满意的效果。

  在国家863计划等基金的支持下,近10年来,为了建立和完善鉴别中草药的DNA条形码体系,陈士林研究员带领他的研究团队分别从叶绿体基因组、线粒体基因组和细胞核基因组三个部分进行了筛选和对比,完成了从跟随国际研究到引领国际研究的华丽转身。

  2010年,陈士林带领的课题组在药用植物DNA条形码序列筛选研究中,通过比较分析7个候选DNA条形码,对753个属、4800个物种、6600多个样品进行研究后发现,细胞核基因组的ITS2序列在物种水平的鉴定效率高达92.7%,显着优于国际植物工作组推荐的序列组合。据此他们首次在国际上提出将ITS2序列作为药用植物标准DNA条形码,同时建议ITS2作为新的通用条形码用于鉴定更广泛的植物类群。其科研论文《ITS2作为药用植物通用DNA条形码序列》在国际权威科学杂志《公共科学图书馆—综合》发表后,引发了国际社会对ITS2序列研究的热潮,该文章被德国专业网站选为近25年来在ITS2领域最受关注的16篇文章之一。

  目前,陈士林课题组已经建立起了一个完备的包括以ITS2序列为核心、加上psbA-trnH为补充序列的植物类中药材的DNA条形码,以及以COI序列为核心、ITS2为辅助序列的动物类中药材的DNA条形码鉴定体系,该技术已被几十家企业转让应用。70余篇相关文章也发表在Cladistics、PNAS、PLoS 、BMC 、FEMS、BRV 等国际知名杂志上。其主编的《中药DNA条形码分子鉴定》一书,已于2012年由人民卫生出版社出版发行。


  建成世界最大中草药DNA条形码鉴定数据库

  陈士林告诉记者,“中药材鉴定是研究中药品种、质量,制定中药标准,寻找和扩大药源的前提和基础。DNA条形码识别技术为中药材真伪鉴定标准化、自动化提供了技术支持,将为中药材鉴定迎来一场新的技术革新”。中药材DNA条形码技术的广泛应用,还需要存储海量数据的数据库作支撑。陈士林告诉记者,早在2006年,中国医学科学院药用植物研究所就建立了我国药用植物的种质资源库,现在已经保存了几万份以上的种质资源。为进一步加快中药DNA条形码鉴定研究步伐,该所已建立药用植物DNA条形码数据库和基于ITS2和psbA-trnH的中药DNA条形码鉴定网站,可用于中药资源信息检索、查询以及比对鉴定。

  谈到未来中药DNA条形码的研究方向,陈士林认为,我国中药材质量差异很大,导致了市场的不平衡以及不正当竞争,同时还造成了中药资源的浪费。中药材市场流通中缺乏符合生产实际、与市场流通配套的中药材质量评价标准。针对市售中药材在流通领域可能面对的各种问题,可以将二维DNA条形码技术运用于中药材流通管理领域中。目前,该研究团队建立了全世界最大的中草药DNA条形码鉴定数据库和中药材DNA条形码鉴定系统网站 http://www.tcmbarcode.cn,包括2万余个物种,该数据库鉴定系统以《中国药典》2010版收载的植物和动物药材为研究对象,将DNA条形码技术和生物信息学技术相结合,建立了用于中药鉴定的网络信息化操作平台,并涵盖绝大多数美国药典、日本药局方、欧盟药典、韩国药典和印度药典的草药。可广泛应用于从中药材源头生产到市场流通等各环节,如中药种植基源信息检索、查询以及比对鉴定,中药种植基地种质资源的真伪,种子种苗的鉴定,现有种质资源库样品的真伪,中药资源野生变家种过程中种源的鉴定以及中药材采收、粗加工、存储和销售等市场流通环节。

已发布
2016-10-10 10:31