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文 ｜ 《中国科学报》 记者 李晨 朱汉斌
新会陈皮产于广东省江门市新会区，是中国药典指定的广陈皮道地药材。药材道地性究竟是如何产生的？为什么在逆境中才能长出道地中药材？
近日，华南农业大学与华大生命科学研究院合作，揭示了广陈皮道地产区特殊的土壤环境及微生物组成如何促进广陈皮活性成分单萜合成和积累的生物学机制。该成果在解析广陈皮道地性形成机制上取得了理论突破，为中药材道地性评价提供了全新思路，也为道地药材专用菌肥研发提供了技术支撑。相关论文发表于《微生物组》。
茶枝柑果实。受访者供图
道地性是否与特殊环境有关
陈皮药材分为陈皮和广陈皮，广陈皮特指种植于广东新会地区芸香科柑橘属茶枝柑果实的果皮。论文共同通讯作者、华南农业大学药用植物研究中心教授吴鸿介绍，黄酮类和萜烯类化合物是广陈皮的两大类功效成分，在广陈皮的品质评定和临床疗效中起着重要作用。
研究人员通过代谢组检测发现，在茶枝柑果皮中存在18种不同类型的挥发油成分。其中7种单萜成分的含量在道地产区显著高于非道地产区。这些单萜成分是广陈皮中重要的活性成分，可以作为广陈皮原材料质量评价的指标。
论文共同通讯作者、华大生命科学研究院研究员刘欢说，在遗传背景相同的情况下，人们对土壤营养、根系微生物组如何影响植物药用成分合成和积累的生物学机制知之甚少。
他们采集来自道地产区（广东新会）和非道地产区（广东惠州、台山和广西贵港）等7个果园中的土壤、根系微生物以及根、叶、果样本，采用多组学方法，挖掘“土壤养分-根系微生物-广陈皮品质成分”的内在关联机制，从植物基因表达、土壤养分和根系微生物组3个维度对广陈皮品质形成机理进行了研究。
研究者通过检测道地产区和非道地产区的土壤理化性质发现，道地产区土壤中具有较高的营养元素含量，为植物提供充足营养。此外，道地产区土壤中的盐度最高可达0.49（均值为0.32），其他产区盐度最高为0.16（均值为0.11）。较高的盐度影响植物生理代谢，为盐胁迫。
新会产区究竟有什么特殊环境？原来，新会位于海水与江水的交汇之处。每年汛期，西江会把云贵高原的土壤元素带到银洲湖，与潭江水交汇，在南海海潮倒灌时形成独有的“三水融通”“咸淡相交”水土特色。丰富的营养元素和海水盐类成就了新会土壤高营养、高盐度的特殊环境，同时引入了大量耐盐胁迫的微生物类群。
土壤环境影响药材有效成分积累
“不同的土壤环境影响了根系基因的差异表达。”刘欢介绍，将道地产区特殊的土壤养分与根系高表达的基因进行关联分析发现，道地产区特殊的土壤环境与植物盐胁迫响应基因、萜烯骨架合成酶基因的表达显著相关。
通过检测根、叶、果实中的基因转录差异发现，萜类合成相关基因、盐胁迫相关基因和免疫反应相关基因在道地产区高表达，且这些高表达基因与7种单帖成分含量呈显著正相关。
“这说明，这些基因的表达可能影响道地产区单萜成分的积累。”刘欢说。另外，道地产区根样本中，生物和非生物胁迫反应相关基因数量比非道地产区的更多，说明两类产区土壤中的生物（如微生物组成）和非生物环境（土壤养分）条件可能不同。
吴鸿说，道地产区土壤中的高营养为植物生长发育提供了充足营养，镁和锰作为单萜合成酶的辅酶提高了单萜合成酶活性，高盐度逆境通过盐胁迫反应促进了单萜成分合成。
此外，根系微生物组成可以调节植物营养吸收，帮助植物抵御逆境胁迫，影响药用植物功效成分合成。研究者进一步发现，道地产区和非道地产区的根际土壤和根内微生物组成存在显著差异。
刘欢介绍，这些微生物具备耐盐特性，且具备合成萜类化合物的潜能。通过将微生物组成与单萜成分进行关联分析，研究人员鉴定出了与单萜含量显著相关的根际和根内微生物类群。
为中药材品质提升提供依据
那么，根际土壤及其微生物群落影响单萜成分积累的机理是什么？他们随后展开了进一步研究。
合成菌群实验证实，来自根际土壤中的链霉菌Strep-4能够通过诱导植物系统性抗性促进茶枝柑活性成分单萜的合成和积累。同时，加入一株根内共生的沙雷氏菌Serra-11，可以进一步增强Strep-4的效果。基因组测序发现，Serra-11具备合成单萜的潜能，可以直接进入根内合成单萜的前体物质，进一步增强单萜积累。
“这些研究表明，根际土壤和内共生细菌通过触发植物免疫反应，为植物提供单萜合成中间产物，共同促进茶枝柑果实中单萜类化合物积累。”吴鸿说。
刘欢告诉《中国科学报》，通过宏基因组学研究根系微生物组的结构和功能，并与植物表型进行关联分析，可以发现与植物的生长、产量、品质及抗病有关的微生物类群，同时还发现大量具有潜在应用价值的微生物物种类群和基因资源。
该研究鉴定了影响中药材品质成分的关键土壤养分和目标微生物类群及其作用机理，揭示了广陈皮药材道地性的成因，为中药材配方施肥、有益微生物分离、种植规划、品质提升提供了科学依据，为广陈皮中药材产业高质量、可持续发展提供了重要保证。
不过，吴鸿强调，高盐度逆境促进了茶枝柑盐胁迫反应相关基因表达，但盐胁迫的合理程度、盐胁迫反应基因如何影响功效成分合成仍需通过试验进一步验证。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1186/s40168-023-01504-2
《中国科学报》 (2023-04-10 第3版 综合)
编辑 | 赵路