為“百草之王”精準育種開啟分子“閥門”

　　人參，被譽為“百草之王”，自古以來便是中醫藥寶庫中最神秘的瑰寶。現代醫學則證實其核心功效物質——三萜皂苷，在保護心血管、抗疲勞、抗腫瘤等方面確有奇效。

　　然而，這一生長緩慢、對環境極為挑剔的神奇植物，究竟經歷了怎樣的馴化歷程？為何不同產地、不同品種的人參，藥效成分差異如此巨大？這些謎題千百年來困擾著無數醫家和藥農。

　　人參的果實。受訪者供圖

　　8月5日，發表《美國國家科學院院刊》（PNAS）上的一項研究，終于揭開了這層神秘面紗。

　　由中國農業科學院特產研究所（以下簡稱特產所）聯合該院深圳農業基因組研究所共同完成的研究，通過對東北亞五國287份人參種質資源的基因組重測序，首次系統揭示了人參的起源與馴化路徑，并成功鑒定出兩個調控三萜皂苷代謝流的“單堿基閥門”基因。

　　這一發現，為人參乃至整個多年生中藥材的精準分子育種打開了全新的大門。

　　三十年磨一劍：從萬份種質資源中尋找答案

　　人參之所以珍貴，很大程度上源于它的“慢”。論文通訊作者、中國農業科學院特產研究所研究員張浩告訴《中國科學報》，一株人參從播種到收獲，至少需要四到五年時間，而要培育出一個穩定的優良品種，傳統育種方法往往需要耗費30年甚至更久。

　　論文共同通訊作者、中國農科院深圳農業基因組研究所（以下簡稱基因組所）研究員李偉說，更棘手的是，人參的基因組極其復雜，許多與藥效相關的性狀遺傳調控機制尚不清晰，過去只能依靠經驗——“用眼睛看、用尺子量”——來判斷優劣，選擇效率和準確性都十分有限。

　　人參果實。受訪者供圖

　　正是意識到這一瓶頸，特產所藥用植物資源與育種科技創新團隊早在數十年前便開始了系統性的種質資源收集與保存工作。在老一輩科學家張連學、王英平等的長期努力下，研究所建立起了一個擁有近萬份人參種質資源的保存平臺，種質材料來源于中國東北、韓國、朝鮮、俄羅斯、日本等多個國家和地區。

　　“我們在收集人參資源的時候，發現不同國家、不同區域、不同農家類型在農藝性狀和皂苷含量方面存在顯著差異。”張浩說，“這一現象引發了我們一系列猜想：人參生長的氣候環境、地域隔離、人為選擇等因素，是否導致了人參群體的遺傳分化和重要性狀的遺傳進化？”

　　帶著這些問題，該團隊從2015年起正式啟動了大規模的人參群體遺傳學研究。他們希望通過基因組學的視角，徹底搞清楚人參的身世之謎，并為后續的精準育種奠定理論基礎。

　　精準調控皂苷代謝流的基因開關

　　這項研究的順利推進，離不開兩個研究團隊的深度協作。特產所團隊長期深耕人參產業，手握豐富的種質資源和一線產業認知，能夠精準識別產業痛點、提煉科學問題；而深圳基因組所團隊則在基因組學技術和多組學生物信息分析方面擁有顯著優勢。雙方經過多次研討、爭論與磨合，最終形成了“集團軍作戰”的強大合力。

　　張浩（左）、李偉在現場采集人參基因組測序樣本源。受訪者供圖

　　研究團隊對來自東北亞5個國家287份人參種質資源進行了基因組重測序。群體結構與進化分析結果顯示，中國撫松地區的人參保留了近似野生祖先的遺傳信息，代表了現存栽培人參的原始類型，而黃果人參和韓國人參則展現出了從野生到栽培的馴化過渡狀態。

　　“根據人參群體基因組測序結果，我們可以判斷現在栽培的人參，也就是我們吃到的人參，都是起源于長白山脈。簡要說就是，包括我國東北地區、韓國、朝鮮、俄羅斯、日本的人參都是長白山人參的后代。”張浩表示，這一結論清晰地勾勒出人參群體起源、分化過程以及人工馴化的選擇清除效應。

　　在厘清人參起源的基礎上，團隊進一步開展了基于169種人參皂苷的全基因組關聯分析，成功定位到兩個關鍵基因——PgUXT和PgURT。這兩個基因分別調控人參二醇型皂苷的木糖基化和三醇型皂苷的鼠李糖基化，通過編碼區的單堿基轉換或顛換，即可調節三萜皂苷的代謝流方向，顯著影響50%以上人參皂苷的積累。

　　“如果用水管來比喻，‘單堿基閥門’就像一個能夠調控水流方向的閥門，閥門開了水就從這個閥門流出，閥門關閉水就流向其他管路、從其他閥門流出。”論文共同通訊作者、基因組所研究員張興坦解釋道，“‘單堿基閥門’就是通過單堿基的變化控制閥門的開關，從而調控人參代謝流的方向。”

　　這一發現為人參精準育種提供了前所未有的工具。基于主效SNP位點，團隊開發了基因組選擇育種模型，該模型對26種代表性皂苷含量的預測準確率最高達到0.962。論文共同通訊作者、基因組所研究員李偉說，這意味著，未來培育皂苷含量穩定，甚至某一單體皂苷含量特別高的“定制化”人參品種，在技術上已成為可能。當然，新品種的特殊功效仍需要通過現代藥理學結合臨床試驗進行驗證，但核心功效成分含量的提升和穩定，無疑將為功效的提升提供堅實基礎。

　　從長白山走向世界的“百草之王”

　　“科研肯定會遇到困難的，不可能一次就獲得預期結果。”李偉坦言，在研究過程中，最大的挑戰出現在基因功能驗證階段。兩個關鍵基因（PgUXT和PgURT）究竟能催化哪種類型的人參皂苷加糖基？又能加什么類型的糖基？

　　由于目前人參中發現的皂苷至少有300種以上，常見的糖基也有5種，排列組合多達上千種。初期團隊嘗試隨機組合試驗，卻遲遲沒有得到反應產物。

　　團隊成員調查人參資源表型性狀。受訪者供圖

　　轉機出現在研究思路的調整上。團隊轉而聚焦不同類型人參資源的差異代謝分支點，在該點位上下游尋找關鍵皂苷，再以此為基礎進行完全隨機組合。這一策略最終成功實現了兩個關鍵基因的功能驗證。

　　談及未來的研究方向，張浩表示，下一步將通過分子育種的技術手段提高中藥材育種的選擇準確性。“我們不再需要用眼睛看、用尺子量中藥材的農藝性狀，也不用花費高成本測試中藥材的功效成分。可以直接在早期對中藥材個體進行基因型鑒定，精準挑選目標基因型個體，在提高育種選擇準確性的同時，還能減少傳統育種需要多年保存育種材料的工作量。”

　　李偉說，隨著氣候環境、種植模式變化，以及人類對人參抗病、藥效成分含量等性狀的需求進行選擇，人參群體還會被不斷的馴化并進化，預計未來將會形成符合人類社會發展需求的各類型人參群體。

　　“對于人參育種來說，最大的難點還是在于人參是多年生植物，評價一份資源、培育一個品種的周期太長。克服困難的最好辦法還是堅持不懈的努力。”張浩說。

　　相關論文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.2535250123