药用植物生理生态研究所近三年研究进展集锦
（2020－2022年）
一、初心与愿景
广州中医药大学中药学院“药用植物生理生态研究所”成立于2019年11月，是一个新生的朝气蓬勃的科研团队。学术带头人为王宏斌教授（国家杰出青年科学基金获得者、万人计划科技创新领军人才），凝聚了一批来自国内外知名科研机构的优秀青年研究人员。团队成员前期在植物与作物方面进行了十余年的研究，为响应国家对于振兴中医药的号召，我们将聚焦药用植物并结合自身所长，通过对药用植物资源的保护利用，以及科学研究上的协同创新，助力中医药的现代化、产业化进程。为建设健康中国、实现中华民族伟大复兴的中国梦贡献力量！
图1. 广州中医药大学与王宏斌教授团队签约仪式
图2. 2019年广州中医药大学校长王省良到团队调研
图3. 广东省领导调研研究所
图4.研究团队合影
二、科研平台
图5. 研究所科研平台
三、研究方向
研究所已经形成“组学解析”、“光合生理”、“代谢与合成生物学”以及“遗传育种”全链条研究体系。首先，通过多组学联合分析，为药用植物的生理以及代谢现象的分子解析提供线索；随后，利用现代植物分子生物学手段，深入解析药用植物的生理与代谢调控的分子机制；进一步，通过合成生物学方法，建立重要的代谢产物的合成调控体系；最终，通过分子育种培育药用植物的新品种。目前，团队研究对象聚焦在大宗、名贵及岭南道地药材，包括穿心莲、金银花、石斛、巴戟天、广藿香、紫苏等。
图6. 主要研究方向
四、标志性成果
研究所成立三年以来，取得了阶段性进展。研究所共承担纵向科研项目15项，总科研经费近800万元。其中，2019年靳红磊教授入选“广东省特支计划科技创新青年拔尖人才”项目，2020年药用植物生理生态研究团队入选“广东省普通高校创新团队”项目，2022年王宏斌教授获批国家自然科学基金联合基金重点项目等。在Nature Communications（2篇）、Cell Reports、JIPB（2篇）、Plant Physiology等国际知名期刊发表论文20余篇，授权国家发明专利2项，审定新品种4项。
图7. 部分高水平论文
1、南药基因组学研究——解析了广藿香高质量基因组遗传信息
广藿香作为一种唇形科芳香植物，广泛用于医药和香料的生产，具有多种药理功效。广藿香极少开花，几乎不结种，主要通过扦插进行繁殖，导致广藿香遗传多样性低，抵御生物与非生物胁迫的能力差，并且无法通过杂交育种开发新品种，这是广藿香现代化生产的主要障碍。王宏斌教授与申妍婷博士发布广藿香单倍型基因组并阐释其独特的进化历程。该研究采用三代测序技术为主，二代为辅，Hi-C助力染色体定位的基因组组装策略，组装了染色体水平的广藿香单倍型基因组，并且通过深入细致的基因组分析，揭示了广藿香是补偿性非整倍体的杂交四倍体物种，推测了其独特的进化历程，解释了广藿香无法进行有性生殖的原因，为广藿香遗传育种、新品种改良开发提供了宝贵的路径和遗传资源（Shen et al., Nature Communications, 2022）。
图8. 广藿香进化模型
2. 植物光合生理研究——系统阐释了光保护因子的强光应答机制
光是重要的环境因子，不仅可以为光合作用提供能量，同时还是重要的环境信号，调节植物生长发育。植物可以通过光系统吸收光能进行光合作用，但是过量的光又会对植物造成损伤，影响代谢及生长发育。王宏斌教授与靳红磊教授前期发现了HHL1、HPE1、LPE1等一系列植物强光适应的重要调控因子（Plant Cell, 2014; Plant Physiology, 2016; Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2018）。近三年来，进一步系统阐释了重要光保护因子的强光应答机制。
在转录应答方面，揭示光信号重要转录因子HY5介导的植物光保护机制。研究发现，HY5调节PSII组装和修复相关基因的表达，包括ALB3, HCF136, PAM68, HHL1,LQY1等。HY5直接与组装修复相关基因启动子中的ACE基序和G-box顺式元件结合并调节其活性，进而参与光损伤条件下PSII的修复及功能维持。更有趣的是，进一步研究发现，HY5介导的光信号途径广泛参与多个光系统相关基因的表达，进而调节不同光条件下的光合效率。该研究建立了光受体介导的光信号途径和PSII功能调控之间的互作关系，为理解PSII功能的光调节机制提供了新的见解（Li et al., Plant Physiology, 2020）。
图9. 光信号依赖的光效维持机制
在转录后应答方面，发现了植物光保护转录后调控的分子开关。研究人员通过系统筛选，发现细胞核基因编码的m6A 写入器（writer） VIR功能缺陷突变体呈现强光超敏感表型。研究发现，VIR可以调节光保护基因的mRNA稳定性、翻译效率等多个重要过程，是光保护基因转录后调控的重要分子开关。更有趣的是，VIR及其甲基化修饰的mRNA可以招募RNA功能调控因子，进而调节光保护基因的RNA稳定性、翻译等转录后重要环节。这项研究发现了光保护转录后调控的重要分子开关VIR，揭示了RNA的m6A修饰介导的表观遗传调控在植物强光适应中的作用机制，对于理解植物逆境条件下光合作用效率维持机理具有重要的理论价值（Zhang et al., Nature Communications, 2022）。此外，研究人员还揭示了叶绿体翻译调控在西藏拟南芥强光适应中的重要作用（Zhang et al., Environmental and Experimental Botany, 2021）。
图10. m6A修饰在植物强光适应中的作用机制
在翻译后应答方面，揭示了蛋白氧化还原修饰在植物波动光适应中的作用机理。研究人员利用基于IodoTMT 的氧化还原蛋白质组学技术，鉴定到1501种蛋白在波动光处理后发生差异化修饰。值得注意的是，与光合作用相关的蛋白，尤其是光系统I（PSI），是氧化还原修饰热点。研究发现，波动光条件下，PSI很容易受损；当PSI光损伤时更多的PSI组装因子PSA3动态转换到还原状态。进一步研究发现，PSA3中保守的氧化还原修饰位点Cys199 和 Cys200是维持其功能所必需的。硫氧还蛋白Trx m参与PSA3的氧化还原转换，在维持PSI活性和光合作用中发挥重要作用。本研究揭示了波动光条件下光系统的氧还调控机制，为研究光环境不断变化下光合作用的动态适应提供了新思路（Chen et al., Journal of Integrative Plant Biology, 2022）。
图11. 氧化还原介导的植物适应波动光机制
在核质协调应答方面，揭示了叶绿体功能损伤反馈调控细胞核的新途径。研究发现，叶绿体光氧化损伤会破坏叶绿体基因组稳定性，不仅影响光系统功能，同时影响细胞核基因组稳定性状态以及细胞周期，进而调节植物生长发育。叶绿体基因组不稳定突变体中活性氧积累大大增加，提示叶绿体基因组不稳定又会反过来加剧叶绿体光氧化损伤，进一步损伤光系统功能。降低光强会使植物体内活性氧含量降低，并缓解叶绿体基因组不稳定对细胞周期蛋白及内源性复制的影响。该研究揭示了叶绿体光损伤反馈调控细胞周期以及生长发育的分子机制（Duan et al., Cell Reports, 2020）。此外，研究人员还发现，叶绿体蛋白翻译受损后反馈细胞核调节C/N平衡和植物生长发育（Dong et al., Journal of Integrative Plant Biology, 2020）。
图12. 叶绿体与细胞核基因组协调机制
3. 药用植物次生代谢研究——挖掘了多个药用植物活性成分合成关键酶
在次生代谢产物生物合成途径解析方面，黄莉莉研究员系统解析了岭南特色中药材狭基线纹香茶菜中的二萜合酶基因家族。纤花线纹香茶菜，又名溪黄草，是一种具有广泛药理活性的中药材。松香烷型二萜是溪黄草的特征成分，但其生物合成尚未阐明。通过酵母和烟草异源表达系统，对溪黄草6个二萜合酶进行了功能表征，并阐明了nezukol合酶的作用机制，表明513位丙氨酸是决定其产物的关键位点（Yang et al., Plant and Cell Physiology, 2021）。郑夏生副研究员对樟和阴香等富含龙脑的药用植物中右旋龙脑（天然冰片）生物合成关键酶基因BPPS进行了鉴定和功能研究（Yang et al., Plant Physiology and Biochemistry, 2023; Yang et al., Frontiers in Plant Science, 2021; Yang et al., PeerJ, 2021; Yang et al., PeerJ, 2020），为中药冰片的生物合成提供了重要的元件。此外，郑夏生副研究员利用转录组等手段从梧桐科植物山芝麻中筛选鉴定了一系列参与苯甲酰化三萜生物合成的关键酶，包括OSC、CYP450和酰基转移酶（Huang et al., BMC Plant Biology, 2022a）。
图13. 药用植物溪黄草二萜类化合物特殊代谢和一般代谢的生物合成途径
在次生代谢产物生物合成的调控方面，沈奇研究员完成紫苏花青素对光强的响应机制初步解析。采用前期筛选的光敏感紫苏材料，进行不同光强处理，通过代谢组学与转录组学分析发现140个类黄酮代谢物和2461个基因在不同光强下呈差异表达，通过WGCNA分析预测147个转录因子（MYB、bHLH、bZIP、ERF和NAC）与花青素合成相关，并进一步分析了6个MYB和4个bZIP转录因子在光调节花青素生物合成中发挥重要作用（Xie et al., Frontiers in Plant Science, 2022）。
图14. 紫苏光诱导花青素合成的表型及关键调控基因
4. 中药资源研究——开发新方法，培育新品种
在中药资源鉴定新方法开发方面，郑夏生副研究员结合“DNA速提+RPA恒温扩增+LFD胶体金试纸条”开发了一套免仪器基因快检技术，用于金银花常见剧毒混淆品钩吻（别名“断肠草”）（Zheng et al., Engineering, 2021），为中药基因快检提供一条新的思路。此外，通过解析药用植物的叶绿体基因组，开发了一系列用于同属近缘植物分子鉴别用的分子标记物，包括榕属（Huang et al., BMC Plant Biology, 2022b）、紫金牛属（Xie et al., Scientific Reports, 2021）、阳春砂（An et al., Plant Physiology and Biochemistry, 2020）等；基于叶绿体的母系遗传特性与rDNA的多拷贝特性，开发了一个可鉴定砂仁种间杂交的分子标记技术（Gong et al., BMC Plant Biology, 2022）；基于rDNA的多拷贝特性开发了一个甘草的种子种源鉴别技术（Liu et al., Plants-Basel, 2021）。
图15. 断肠草基因快速鉴定的方案流程及其方法学考察结果
在中药新品种培育方面，沈奇研究员选育的3个紫苏新品系。紫苏是我国传统药食同源的中药材，紫苏叶主要用于解表散寒。矢车菊素代谢物是红色紫苏中主要的成色物质。2022年，选育的3个紫苏新品系（药紫1号、药紫2号及紫烯1号）通过现场专家鉴定。
图16. 紫苏新品种现场鉴定
五、社会服务
积极落实科技服务，承担广东省科技特派员任务，助力乡村振兴
（1）2021年，王宏斌、沈奇、靳红磊等前往韶关市仁化县开展科技服务，考察了巴仔园石斛种植园、石塘镇阳春砂种质资源培育基地，对仁化县主要发展中药阳春砂、草珊瑚、何首乌、天冬、黄精等栽培方式及产业发展方向提出建议。其中，沈奇研究员做了《药食兼用植物紫苏产业发展》的报告，引起广泛关注，会后农业局及企业相关人员纷纷咨询。针对草珊瑚产业发展提出遇到的问题，靳红磊博士就草光强对珊瑚的生理机制进行研究，从光适应性的栽培环境角度，探索草珊瑚高效栽培模式，助力产业发展。
图17. 本团队前往韶关市仁化县开展科技服务
（2）2022年，沈奇、靳红磊、郑夏生等在连州市星子镇开展科技服务，针对连州玉竹发展状况，与连州县星子镇政府相关人员进行座谈，并实地调研关于连州玉竹的发展情况。鉴于连州玉竹为当地道地品种，我们将对连州玉竹的遗传背景、品质情况进行分析，对连州玉竹发展提供科技支撑。
图18. 本团队前往连州玉竹开展科技服务
（3）2022年，沈奇研究员前往贵州毕节、湖北潜江对半夏产业发展提供科技服务，并承担广州市科技帮扶项目《贵州半夏产业化关键技术研究及产业化示范》。目前取得阶段性成果包括：1）对35份种质进行产量考察，开发了用于半夏种属和种质资源的专用DNA条形码。2）合作筛选了3份新品系，完成多点试验鉴定。3）合作开展种子高效繁育和高效栽培，采用“半夏+紫苏”套种模式，显著增加种植收益。目前，项目中期阶段，已发表研究论文1篇，申报专利1项。新品种新技术的示范推广，开展技术服务200余天次，开展现场培训4场共计180余人次，线上线下开展技术指导300余次，建设种子繁育基地和规范化高效种植示范基地2个，生产优质种子4.3万公斤，实现产值350余万元，带动农户40余户口60余人次。
图19. 研究所科研团队前往贵州毕节开展科技服务
图20. 半夏DNA条形码开发及区域栽培实验
（4）2022年，靳红磊教授率队赴贵州省安顺市关岭自治县考察中药材产业发展情况，详细了解基地整体规划布局、中药材种植规模和品种、种植技术、市场效益等情况，并提出建设性意见和建议。下一步将加强与关岭的沟通合作，为中药材产业发展提供有力的人才和技术支撑，为推动关岭中药材产业高质量发展贡献力量。
图21. 药用植物生理生态研究所与贵州关岭县政府签订中药材战略合作协议
六、人才招聘
广州中医药大学药用植物生理生态研究所2023年拟招聘各类青年人才若干（博士后、杏林学者等），热忱欢迎各位青年才俊加入！
博士后招聘公告：广州中医药大学2022-2023学年度招收学科博士后公告-广州中医药大学人事处(gzucm.edu.cn)
杏林学者招聘公告：广州中医药大学高层次人才引进公告-广州中医药大学人事处 (gzucm.edu.cn)
联系人：靳老师，E-mail：jinhl@gzucm.edu.cn
代表性论文
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Chen, Q., Xiao, Y., Ming, Y., Peng, R., Hu, J., Wang, H.B., and Jin, H.L. Quantitative proteomics reveals redox-based functional regulation of photosynthesis under fluctuating light in plants. Journal of Integrative Plant Biology. 2022, 64(11):2168-2186.
Dong, X., Duan, S., Wang, H.B., and Jin, H.L. Plastid ribosomal protein LPE2 is involved in photosynthesis and the response to C/N balance in Arabidopsis thaliana. Journal of Integrative Plant Biology. 2020, 62(9):1418-1432.
Duan, S., Hu, L., Dong, B., Jin, H.L., and Wang, H.B. Signaling from Plastid Genome Stability Modulates Endoreplication and Cell Cycle during Plant Development. Cell Reports. 2020, 32(6):108019.
Gong, L., Ding, X., Guan, W., Zhang, D., Zhang, J., Bai, J., Xu, W., Huang, J., Qiu, X., Zheng, X., Zhang, D., Li, S., Huang, Z., and Su, H. Comparative chloroplast genome analyses of Amomum: insights into evolutionary history and species identification. BMC Plant Biology. 2022, 22(1):520.
Huang, Y., An, W., Yang, Z., Xie, C., Liu, S., Zhan, T., Pan, H., and Zheng, X. Metabolic stimulation-elicited transcriptional responses and biosynthesis of acylated triterpenoids precursors in the medicinal plant Helicteres angustifolia. BMC Plant Biology. 2022a, 22(1):86.
Huang, Y., Li, J., Yang, Z., An, W., Xie, C., Liu, S., and Zheng, X. Comprehensive analysis of complete chloroplast genome and phylogenetic aspects of ten Ficus species. BMC Plant Biology. 2022b, 22(1):253.
Li, X., Wang, H.B., and Jin, H.L. Light Signaling-Dependent Regulation of Photosystem II Biogenesis and Functional Maintenance. Plant Physiology. 2020, 183(4):1855-1868.
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Shen, Y., Li, W., Zeng, Y., Li, Z., Chen, Y., Zhang, J., Zhao, H., Feng, L., Ma, D., Mo, X., Ouyang, P., Huang, L., Wang, Z., Jiao, Y., and Wang, H.B. Chromosome-level and haplotype-resolved genome provides insight into the tetraploid hybrid origin of patchouli. Nature Communications. 2022, 13(1):3511.
Xie, C., An, W., Liu, S., Huang, Y., Yang, Z., Lin, J., and Zheng, X. Comparative genomic study on the complete plastomes of four officinal Ardisia species in China. Scientific Reports. 2021, 11(1):22239.
Xie, G., Zou, X., Liang, Z., Wu, D., He, J., Xie, K., Jin, H., Wang, H., and Shen, Q. Integrated metabolomic and transcriptomic analyses reveal molecular response of anthocyanins biosynthesis in perilla to light intensity. Frontier in Plant Science. 2022, 13:976449.
Yang, R., Du, Z., Qiu, T., Sun, J., Shen, Y., and Huang, L. Discovery and Functional Characterization of a Diverse Diterpene Synthase Family in the Medicinal Herb Isodon lophanthoides Var. gerardiana. Plant Cell Physiology. 2021a, 62(9):1423-1435.
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Yang, Z., Xie, C., Huang, Y., An, W., Liu, S., Huang, S., and Zheng, X. Metabolism and transcriptome profiling provides insight into the genes and transcription factors involved in monoterpene biosynthesis of borneol chemotype of Cinnamomum camphora induced by mechanical damage. PeerJ. 2021b, 9:e11465.
Yang, Z., Xie, C., Zhan, T., Li, L., Liu, S., Huang, Y., An, W., Zheng, X., and Huang, S. Genome-Wide Identification and Functional Characterization of the Trans-Isopentenyl Diphosphate Synthases Gene Family in Cinnamomum camphora. Frontier in Plant Science. 2021c, 12:708697.
Yang, Z., Zhan, T., Xie, C., Huang, S., and Zheng, X. Genome-Wide Analyzation and Functional Characterization on the TPS Family Provide Insight into the Biosynthesis of Mono-Terpenes in the Camphor Tree. Plant Physiology and Biochemistry. 2023, accepted.
Zhang, M., Zhao, J., Li, W., Wen, S., Huang, H., Dong, J., Liu, B., Zhang, G., Wang, H.-B., Shen, Y., Jin, H.-L.. Increased photosystem II translation efficiency as an important photoprotective mechanism in an Arabidopsis thaliana ecotype (Tibet-0) adapted to high light environments. Environmental and Experimental Botany, 2021 (183): 104350
Zhang, M., Zeng, Y., Peng, R., Dong, J., Lan, Y., Duan, S., Chang, Z., Ren, J., Luo, G., Liu, B., Ruzicka, K., Zhao, K., Wang, H.B., and Jin, H.L. N(6)-methyladenosine RNA modification regulates photosynthesis during photodamage in plants. Nature Communications. 2022, 13(1):7441.
Zheng, X., An, W., Yao, H., Xu, J., and Chen, S. Rapid Authentication of the Poisonous Plant Gelsemium elegans by Combining Filter-Paper-Based DNA Extraction and RPA–LFD Detection. Engineering. 2021, 7(1):14-16.
