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陳皮藥材分為“陳皮”和“廣陳皮”。廣陳皮特指種植于廣東新會地區(qū)的蕓香科柑橘屬茶枝柑 (Citrus reticulate ‘Chachi’) 的果實(shí)的果皮，廣陳皮是廣東省首批立法保護(hù)的八大嶺南中藥之一。黃酮類和萜烯類化合物是廣陳皮中重要的兩大類功效成分，在廣陳皮的品質(zhì)評定和臨床療效中起著重要作用，其含量是我們評價陳皮是否“道地”(即高品質(zhì)的正宗商品)的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。

新會陳皮產(chǎn)于廣東省江門市的新會區(qū)，是中國藥典指定的廣陳皮道地藥材，被視為陳皮中的“正品”，其品質(zhì)顯著高于廣東周邊和其他區(qū)域種植的陳皮。藥用植物功效成分合成是從物種遺傳調(diào)控，到產(chǎn)地氣候、土壤養(yǎng)分、根系微生物等多維度互作的一個系統(tǒng)過程，但對其道地性形成的生物學(xué)機(jī)制研究依然不夠充分。在遺傳背景相同的情況下，土壤營養(yǎng)、根系微生物組如何影響植物藥用成分合成和積累的生物學(xué)機(jī)制還知之甚少。

3月28日，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)與華大生命科學(xué)研究院合作在國際學(xué)術(shù)期刊Microbiome發(fā)表了題為“Soil conditions and the plant microbiome boost the accumulation of monoterpenes in the fruit of Citrus reticulata ‘Chachi”的研究論文，該研究通過植物轉(zhuǎn)錄組、代謝組以及宏基因組等多組學(xué)方法聯(lián)合揭示了廣陳皮道地產(chǎn)區(qū)特殊的土壤環(huán)境以及微生物組成促進(jìn)廣陳皮活性成分單萜合成和積累的生物學(xué)機(jī)制。

通過多組學(xué)技術(shù)揭示了廣陳皮道地產(chǎn)區(qū)中，土壤養(yǎng)分及耐鹽微生物的組成能夠顯著促進(jìn)廣陳皮的活性成分——單萜的合成與積累，該成果在解析廣陳皮道地性形成機(jī)制上取得了理論突破，為中藥材道地性評價提供了全新思路，也為道地藥材專用菌肥研發(fā)提供了技術(shù)支撐。

《微生物組》官網(wǎng)截圖

本研究采集來自道地產(chǎn)區(qū)(廣東新會)和非道地產(chǎn)區(qū)(廣東惠州、臺山和廣西玉林)等7個果園中的土壤、根系微生物以及根、葉、果樣本，采用多組學(xué)方法系統(tǒng)性地挖掘“土壤養(yǎng)分-根系微生物-廣陳皮品質(zhì)成分”的內(nèi)在關(guān)聯(lián)機(jī)制，從植物基因表達(dá)、土壤養(yǎng)分和根系微生物組三個維度對廣陳皮品質(zhì)形成的機(jī)理進(jìn)行研究。

圖1.茶枝柑樣本采集示意圖

道地產(chǎn)區(qū)和非道地產(chǎn)區(qū)茶枝柑果實(shí)中的揮發(fā)油成分有哪些差異?

通代謝組檢測發(fā)現(xiàn)，在茶枝柑果皮中存在18種不同類型的揮發(fā)油成分。其中7種單萜(包含β-月桂烯、α-蒎烯、β-蒎烯、α-萜品烯等)成分的含量在道地產(chǎn)區(qū)顯著高于非道地產(chǎn)區(qū)。果皮中的這些單萜成分具有抗氧化、抗菌、抗病毒、抗炎和抗腫瘤的功效，是廣陳皮中的重要的活性成分，可以作為廣陳皮原材料質(zhì)量評價的指標(biāo)。

單萜(tiē)：萜類化合物的一種，廣泛分布于高等植物中的分泌組織里。陳皮中的單萜成分具有抗氧化、抗菌、抗炎等功效，可以作為廣陳皮原材料質(zhì)量評價的指標(biāo)。

圖2. 道地產(chǎn)區(qū)和非道地產(chǎn)區(qū)茶枝柑果皮中揮發(fā)油成分的區(qū)別

相同的品種，不同種植區(qū)域，茶枝柑基因表達(dá)會有哪些不同?

通過檢測根、葉、果實(shí)中的基因轉(zhuǎn)錄差異發(fā)現(xiàn)，萜類合成相關(guān)的基因、鹽脅迫相關(guān)基因以及免疫反應(yīng)相關(guān)的基因在道地產(chǎn)區(qū)高表達(dá)，且這些高表達(dá)的基因與7種單帖成分的含量呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(圖3)。

說明這些基因的表達(dá)可能影響道地產(chǎn)區(qū)單萜成分的積累。另外，道地產(chǎn)區(qū)根樣本中生物和非生物脅迫反應(yīng)相關(guān)的基因數(shù)量比非道地產(chǎn)區(qū)的更多，說明道地產(chǎn)區(qū)和非道地產(chǎn)區(qū)土壤中的生物(如微生物組成)和非生物環(huán)境(土壤養(yǎng)分)條件可能不同。

圖3 道地產(chǎn)區(qū)根系高表達(dá)基因與7種單萜成分呈現(xiàn)顯著正相關(guān)

土壤養(yǎng)分如何影響茶枝柑品質(zhì)成分的合成和積累?

土壤養(yǎng)分與中藥植物次生代謝物產(chǎn)物的形成和積累相關(guān)，另外逆境脅迫也會提高植物次生代謝產(chǎn)物的合成。研究者通過檢測道地產(chǎn)區(qū)和非道地產(chǎn)區(qū)的土壤理化性質(zhì)發(fā)現(xiàn)，道地產(chǎn)區(qū)土壤中具有較高的營養(yǎng)元素和鹽度。通過將道地產(chǎn)區(qū)特殊的土壤養(yǎng)分與根系高表達(dá)的基因的進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)，道地產(chǎn)區(qū)特殊的土壤環(huán)境(如高鹽、Mg、Mn和K)通過促進(jìn)植物鹽脅迫響應(yīng)基因的表達(dá)和萜烯骨架合成酶活性，促進(jìn)了單萜類合成與積累。

根系微生物組成調(diào)節(jié)茶枝柑品質(zhì)成分合成和積累的生物學(xué)機(jī)制?

根系微生物組成可以調(diào)節(jié)植物營養(yǎng)吸收，幫助植物抵御逆境脅迫，影響藥用植物功效成分的合成。研究者通過擴(kuò)增子和宏基因組測序分別檢測根際和根內(nèi)微生物的物種組成和功能組成發(fā)現(xiàn)，道地產(chǎn)區(qū)和非道地產(chǎn)區(qū)的根際土壤和根內(nèi)微生物組成存在顯著差異。

在道地產(chǎn)區(qū)富集的根際土壤中有大量微生物基因組中存在大量耐鹽相關(guān)的基因和萜類合成相關(guān)的基因，說明這些微生物具備耐鹽的特性，且具備合成萜類化合物的潛能。通過將微生物組成與單萜成分進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，鑒定出了與單萜含量顯著相關(guān)的根際和根內(nèi)微生物類群。

圖4 合成菌群接種試驗(yàn)證實(shí)道地產(chǎn)區(qū)特有耐鹽微生物促進(jìn)了茶枝柑單萜合成

通過分離根際和根內(nèi)微生物菌株，合成菌群實(shí)驗(yàn)證實(shí)來自根際土壤中的鏈霉菌Strep-4能夠通過誘導(dǎo)植物的系統(tǒng)性抗性來促進(jìn)茶枝柑活性成分單萜的合成和積累。同時，加入一株根內(nèi)共生的沙雷氏菌Serra-11可以進(jìn)一步增強(qiáng)鏈霉菌Strep-4的效果。基因組測序發(fā)現(xiàn)沙雷氏菌Serra-11具備合成單萜的潛能，可以直接進(jìn)入根內(nèi)合成單帖的前體物質(zhì)，從而進(jìn)一步增強(qiáng)單萜的積累(圖4)。這些研究表明根際土壤和內(nèi)共生細(xì)菌通過觸發(fā)植物免疫反應(yīng)或?yàn)橹参锾峁﹩屋坪铣芍虚g產(chǎn)物共同促進(jìn)了茶枝柑果實(shí)中單萜類化合物的積累。

特殊的土壤環(huán)境和微生物類群源自哪里?

廣陳皮道地產(chǎn)區(qū)新會位于海水與江水的交匯之處(西江支流、潭江、銀洲湖出海口三水交匯之處)。每年汛期西江會將云貴高原的土壤元素帶到銀洲湖，與潭江水交匯，在南海海潮倒灌時形成獨(dú)有的“三水融通”“咸淡相交”水土特色，其豐富營養(yǎng)元素和海水鹽類成就了新會土壤高營養(yǎng)和高鹽度的特殊環(huán)境，同時引入了大量耐鹽脅迫的微生物類群，這些環(huán)境因子進(jìn)而造就了新會陳皮特殊的品質(zhì)。

通過宏基因組學(xué)研究根系微生物組的結(jié)構(gòu)和功能，與植物的表型進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，可以科學(xué)地發(fā)現(xiàn)與植物的生長、產(chǎn)量，品質(zhì)以及抗病有關(guān)的微生物類群，同時發(fā)現(xiàn)大量具有潛在應(yīng)用價值微生物的物種類群和基因資源。研究者從“土壤養(yǎng)分-根系微生物-植物基因調(diào)控模式”三個維度系統(tǒng)性研究廣陳皮功效成分(萜烯類)高效合成的關(guān)聯(lián)調(diào)控機(jī)制。鑒定影響中藥材品質(zhì)成分的關(guān)鍵土壤養(yǎng)分及目標(biāo)微生物類群及其作用機(jī)理，科學(xué)地揭示了道地性藥材廣陳皮“道地性”的成因，為中藥材的配方施肥、有益微生物的分離、種植規(guī)劃、品質(zhì)提升提供了科學(xué)依據(jù)，為廣陳皮中藥材產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展提供重要保證。