为“百草之王”精准育种开启分子“阀门”
为“百草之王”精准育种开启分子“阀门”
人参，被誉为“百草之王”，自古以来便是中医药宝库中最神秘的瑰宝。现代医学则证实其核心功效物质——三萜皂苷，在保护心血管、抗疲劳、抗肿瘤等方面确有奇效。
然而，这一生长缓慢、对环境极为挑剔的神奇植物，究竟经历了怎样的驯化历程？为何不同产地、不同品种的人参，药效成分差异如此巨大？这些谜题千百年来困扰着无数医家和药农。
人参的果实。受访者供图
8月5日，发表《美国国家科学院院刊》（PNAS）上的一项研究，终于揭开了这层神秘面纱。
由中国农业科学院特产研究所（以下简称特产所）联合该院深圳农业基因组研究所共同完成的研究，通过对东北亚五国287份人参种质资源的基因组重测序，首次系统揭示了人参的起源与驯化路径，并成功鉴定出两个调控三萜皂苷代谢流的“单碱基阀门”基因。
这一发现，为人参乃至整个多年生中药材的精准分子育种打开了全新的大门。
三十年磨一剑：从万份种质资源中寻找答案
人参之所以珍贵，很大程度上源于它的“慢”。论文通讯作者、中国农业科学院特产研究所研究员张浩告诉《中国科学报》，一株人参从播种到收获，至少需要四到五年时间，而要培育出一个稳定的优良品种，传统育种方法往往需要耗费30年甚至更久。
论文共同通讯作者、中国农科院深圳农业基因组研究所（以下简称基因组所）研究员李伟说，更棘手的是，人参的基因组极其复杂，许多与药效相关的性状遗传调控机制尚不清晰，过去只能依靠经验——“用眼睛看、用尺子量”——来判断优劣，选择效率和准确性都十分有限。
人参果实。受访者供图
正是意识到这一瓶颈，特产所药用植物资源与育种科技创新团队早在数十年前便开始了系统性的种质资源收集与保存工作。在老一辈科学家张连学、王英平等的长期努力下，研究所建立起了一个拥有近万份人参种质资源的保存平台，种质材料来源于中国东北、韩国、朝鲜、俄罗斯、日本等多个国家和地区。
“我们在收集人参资源的时候，发现不同国家、不同区域、不同农家类型在农艺性状和皂苷含量方面存在显著差异。”张浩说，“这一现象引发了我们一系列猜想：人参生长的气候环境、地域隔离、人为选择等因素，是否导致了人参群体的遗传分化和重要性状的遗传进化？”
带着这些问题，该团队从2015年起正式启动了大规模的人参群体遗传学研究。他们希望通过基因组学的视角，彻底搞清楚人参的身世之谜，并为后续的精准育种奠定理论基础。
精准调控皂苷代谢流的基因开关
这项研究的顺利推进，离不开两个研究团队的深度协作。特产所团队长期深耕人参产业，手握丰富的种质资源和一线产业认知，能够精准识别产业痛点、提炼科学问题；而深圳基因组所团队则在基因组学技术和多组学生物信息分析方面拥有显著优势。双方经过多次研讨、争论与磨合，最终形成了“集团军作战”的强大合力。
张浩（左）、李伟在现场采集人参基因组测序样本源。受访者供图
研究团队对来自东北亚5个国家287份人参种质资源进行了基因组重测序。群体结构与进化分析结果显示，中国抚松地区的人参保留了近似野生祖先的遗传信息，代表了现存栽培人参的原始类型，而黄果人参和韩国人参则展现出了从野生到栽培的驯化过渡状态。
“根据人参群体基因组测序结果，我们可以判断现在栽培的人参，也就是我们吃到的人参，都是起源于长白山脉。简要说就是，包括我国东北地区、韩国、朝鲜、俄罗斯、日本的人参都是长白山人参的后代。”张浩表示，这一结论清晰地勾勒出人参群体起源、分化过程以及人工驯化的选择清除效应。
在厘清人参起源的基础上，团队进一步开展了基于169种人参皂苷的全基因组关联分析，成功定位到两个关键基因——PgUXT和PgURT。这两个基因分别调控人参二醇型皂苷的木糖基化和三醇型皂苷的鼠李糖基化，通过编码区的单碱基转换或颠换，即可调节三萜皂苷的代谢流方向，显著影响50%以上人参皂苷的积累。
“如果用水管来比喻，‘单碱基阀门’就像一个能够调控水流方向的阀门，阀门开了水就从这个阀门流出，阀门关闭水就流向其他管路、从其他阀门流出。”论文共同通讯作者、基因组所研究员张兴坦解释道，“‘单碱基阀门’就是通过单碱基的变化控制阀门的开关，从而调控人参代谢流的方向。”
这一发现为人参精准育种提供了前所未有的工具。基于主效SNP位点，团队开发了基因组选择育种模型，该模型对26种代表性皂苷含量的预测准确率最高达到0.962。论文共同通讯作者、基因组所研究员李伟说，这意味着，未来培育皂苷含量稳定，甚至某一单体皂苷含量特别高的“定制化”人参品种，在技术上已成为可能。当然，新品种的特殊功效仍需要通过现代药理学结合临床试验进行验证，但核心功效成分含量的提升和稳定，无疑将为功效的提升提供坚实基础。
从长白山走向世界的“百草之王”
“科研肯定会遇到困难的，不可能一次就获得预期结果。”李伟坦言，在研究过程中，最大的挑战出现在基因功能验证阶段。两个关键基因（PgUXT和PgURT）究竟能催化哪种类型的人参皂苷加糖基？又能加什么类型的糖基？
由于目前人参中发现的皂苷至少有300种以上，常见的糖基也有5种，排列组合多达上千种。初期团队尝试随机组合试验，却迟迟没有得到反应产物。