时间：2024-02-21 14:39:58
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基因多态性是药物基因组学的研究基础。药物效应基因所编码的酶、受体、离子通道作为药物作用的靶，是药物基因组学研究的关键所在。基因多态性可通过药物代谢动力学和药物效应动力学改变来影响物的作用。
基因多态性对药代动力学的影响主要是通过相应编码的药物代谢酶及药物转运蛋白等的改变而影响药物的吸收、分布、转运、代谢和生物转化等方面。与物代谢有关的酶有很多，其中对细胞色素-P450家族与丁酰胆碱酯酶的研究较多。基因多态性对药效动力学的影响主要是受体蛋白编码基因的多态性使个体对药物敏感性发生差异。
苯二氮卓类药与基因多态性：咪唑安定由CYP3A代谢，不同个体对咪唑安定的清除率可有五倍的差异。地西泮是由CYP2C19和CYP2D6代谢，基因的差异在临床上可表现为用药后镇静时间的延长。
吸入与基因多态性：RYR1基因变异与MH密切相关，现在已知至少有23种不同的RYR1基因多态性与MH有关。氟烷性肝炎可能源于机体对在CYP2E1作用下产生的氟烷代谢产物的一种免疫反应。
神经肌肉阻滞药与基因多态性：丁酰胆碱酯酶是水解琥珀酰胆碱和美维库铵的酶，已发现该酶超过40种的基因多态性，其中最常见的是被称为非典型的（A）变异体，与用药后长时间窒息有关。
镇痛药物与基因多态性：μ-阿片受体是阿片类药的主要作用部位，常见的基因多态性是A118G和G2172T。可待因和曲马多通过CYP2D6代谢。此外，美沙酮的代谢还受CYP3A4的作用。儿茶酚O-甲基转移酶(COMT)基因与痛觉的产生有关。
局部与基因多态性：罗哌卡因主要由CYP1A2和CYP3A4代谢。CYP1A2的基因多态性主要是C734T和G2964A，可能影响药物代谢速度。
一直以来麻醉科医生较其它专业的医疗人员更能意识到不同个体对药物的反应存在差异。的药物基因组学研究将不仅更加合理的解释药效与不良反应的个体差异，更重要的是在用药前就可以根据病人的遗传特征选择最有效而副作用最小的药物种类和剂型，达到真正的个体化用药。
能够准确预测病人对麻醉及镇痛药物的反应，一直是广大麻醉科医生追求的目标之一。若能了解药物基因组学的基本原理，掌握用药的个体化原则，就有可能根据病人的不同基因组学特性合理用药，达到提高药效，降低毒性，防止不良反应的目的。本文对药物基因组学的基本概念和常用的药物基因组学研究进展进行综述。
一、概述
二十世纪60年代对临床麻醉过程中应用琥珀酰胆碱后长时间窒息、硫喷妥钠诱发卟啉症及恶性高热等的研究促进了药物遗传学（Pharmacogenetics）的形成和发展,可以说这门学科最早的研究就是从麻醉学开始的。
药物基因组学(Phamacogenomics)是伴随人类基因组学研究的迅猛发展而开辟的药物遗传学研究的新领域，主要阐明药物代谢、药物转运和药物靶分子的基因多态性及药物作用包括疗效和毒副作用之间的关系。它是以提高药物的疗效及安全性为目标，研究影响药物吸收、转运、代谢、消除等个体差异的基因特性，以及基因变异所致的不同病人对药物的不同反应，并由此开发新的药物和用药方法的科学。
1959年Vogel提出了“药物遗传学”,1997年Marshall提出“药物基因组学”。药物基因组学是药物遗传学的延伸和发展，两者的研究方法和范畴有颇多相似之处，都是研究基因的遗传变异与药物反应关系的学科。但药物遗传学主要集中于研究单基因变异，特别是药物代谢酶基因变异对药物作用的影响；而药物基因组学除覆盖药物遗传学研究范畴外，还包括与药物反应有关的所有遗传学标志，药物代谢靶受体或疾病发生链上诸多环节，所以研究领域更为广泛[1,2,3]。
二、基本概念
1．分子生物学基本概念
基因是一个遗传密码单位，由位于一条染色体(即一条长DNA分子和与其相关的蛋白)上特定位置的一段DNA序列组成。等位基因是位于染色体单一基因座位上的、两种或两种以上不同形式基因中的一种。人类基因或等位基因变异最常见的类型是单核苷酸多态性(single-nucleotidepolymorphism,SNP)。目前为止，已经鉴定出13000000多种SNPs。突变和多态性常可互换使用，但一般来说，突变是指低于1%的群体发生的变异，而多态性是高于1%的群体发生的变异。
2．基因多态性的命名法：
(1)数字前面的字母代表该基因座上最常见的核苷酸(即野生型)，而数字后的字母则代表突变的核苷酸。例如：μ阿片受体基因A118G指的是在118碱基对上的腺嘌呤核苷酸(A)被鸟嘌呤核苷酸(G)取代，也可写成118A/G或118A>G。
(2)对于单个基因密码子导致氨基酸转换的多态性编码也可以用相互转换的氨基酸的来标记。例如：丁酰胆碱酯酶基因多态性Asp70Gly是指此蛋白质中第70个氨基酸－甘氨酸被天冬氨酸取代。
三、药物基因组学的研究内容
基因多态性是药物基因组学的研究基础。药物效应基因所编码的酶、受体、离子通道及基因本身作为药物作用的靶，是药物基因组学研究的关键所在。这些基因编码蛋白大致可分为三大类:药物代谢酶、药物作用靶点、药物转运蛋白等。其中研究最为深入的是物与药物代谢酶CYP45O酶系基因多态性的相关性[1,2,3]。
基因多态性可通过药物代谢动力学和药物效应动力学改变来影响药物作用，对于临床较常用的、治疗剂量范围较窄的、替代药物较少的物尤其需引起临床重视。
（一）基因多态性对药物代谢动力学的影响
基因多态性对药物代谢动力学
的影响主要是通过相应编码的药物代谢酶及药物转运蛋白等的改变而影响药物的吸收、分布、转运、代谢和生物转化等方面[3,4,5,6]。
1、药物代谢酶
与物代谢有关的酶有很多，其中对细胞色素-P450家族与丁酰胆碱酯酶的研究较多。
（1）细胞色素P-450（CYP45O）
物绝大部分在肝脏进行生物转化，参与反应的主要酶类是由一个庞大基因家族编码控制的细胞色素P450的氧化酶系统，其主要成分是细胞色素P-450（CYP45O）。CYP45O组成复杂，受基因多态性影响，称为CYP45O基因超家族。1993年Nelson等制定出能反应CYP45O基因超家族内的进化关系的统一命名法：凡CYP45O基因表达的P450酶系的氨基酸同源性大于40%的视为同一家族（Family），以CYP后标阿拉伯数字表示，如CYP2；氨基酸同源性大于55%为同一亚族（Subfamily），在家族表达后面加一大写字母，如CYP2D；每一亚族中的单个变化则在表达式后加上一个阿拉伯数字，如CYP2D6。
（2）丁酰胆碱酯酶
麻醉过程中常用短效肌松剂美维库铵和琥珀酰胆碱，其作用时限依赖于水解速度。血浆中丁酰胆碱酯酶(假性胆碱酯酶)是水解这两种药物的酶，它的基因变异会使肌肉麻痹持续时间在个体间出现显著差异。
2、药物转运蛋白的多态性
转运蛋白控制药物的摄取、分布和排除。P-糖蛋白参与很多药物的能量依赖性跨膜转运，包括一些止吐药、镇痛药和抗心律失常药等。P-糖蛋白由多药耐药基因（MDR1）编码。不同个体间P-糖蛋白的表达差别明显，MDR1基因的数种SNPs已经被证实，但其对临床麻醉的意义还不清楚。
（二）基因多态性对药物效应动力学的影响
物的受体（药物靶点）蛋白编码基因的多态性有可能引起个体对许多药物敏感性的差异，产生不同的药物效应和毒性反应[7,8]。
1、蓝尼定受体-1（Ryanodinereceptor-1，RYR1）
蓝尼定受体-1是一种骨骼肌的钙离子通道蛋白，参与骨骼肌的收缩过程。恶性高热（malignanthyperthermia,MH）是一种具有家族遗传性的、由于RYR1基因异常而导致RYR1存在缺陷的亚临床肌肉病，在挥发性吸入和琥珀酰胆碱的触发下可以出现骨骼肌异常高代谢状态，以至导致患者死亡。
2、阿片受体
μ-阿片受体由OPRM1基因编码，是临床使用的大部分阿片类药物的主要作用位点。OPRM1基因的多态性在启动子、内含子和编码区均有发生，可引起受体蛋白的改变。吗啡和其它阿片类药物与μ-受体结合而产生镇痛、镇静及呼吸抑制。不同个体之间μ-阿片受体基因的表达水平有差异，对疼痛刺激的反应也有差异，对阿片药物的反应也不同。
3、GABAA和NMDA受体
γ-氨基丁酸A型（GABAA）受体是递质门控离子通道，能够调节多种物的效应。GABAA受体的亚单位（α、β、γ、δ、ε和θ）的编码基因存在多态性（尤其α和β），可能与孤独症、酒精依赖、癫痫及精神分裂症有关，但尚未见与物敏感性有关的报道。N-甲基-D-天门冬氨酸（NMDA）受体的多态性也有报道，但尚未发现与之相关的疾病。
（三）基因多态性对其它调节因子的影响
有些蛋白既不是药物作用的直接靶点，也不影响药代和药效动力学，但其编码基因的多态性在某些特定情况下会改变个体对药物的反应。例如，载脂蛋白E基因的遗传多态性可以影响羟甲基戊二酸单酰辅酶A（HMG-CoA）还原酶抑制剂（他汀类药物）的治疗反应。鲜红色头发的出现几乎都是黑皮质素-1受体（MC1R）基因突变的结果。MC1R基因敲除的老鼠对的需求量增加。先天红发妇女对地氟醚的需要量增加，热痛敏上升而局麻效力减弱。
四、苯二氮卓类药与基因多态性
大多数苯二氮卓类药经肝脏CYP45O代谢形成极性代谢物，由胆汁或尿液排出。常用的苯二氮卓类药物咪唑安定就是由CYP3A代谢，其代谢产物主要是1-羟基咪唑安定，其次是4-羟基咪唑安定。在体实验显示不同个体咪唑安定的清除率可有五倍的差异。
地西泮是另一种常用的苯二氮卓类镇静药，由CYP2C19和CYP2D6代谢。细胞色素CYP2C19的G681A多态性中A等位基因纯合子个体与正常等位基因G纯合子个体相比，地西泮的半衰期延长4倍，可能是CYP2C19的代谢活性明显降低的原因。A等位基因杂合子个体对地西泮代谢的半衰期介于两者之间。这些基因的差异在临床上表现为地西泮用药后镇静或意识消失的时间延长[9,10]。
五、吸入与基因多态性
到目前为止，吸入的药物基因组学研究主要集中于寻找引起药物副反应的遗传方面的原因，其中研究最多的是MH。药物基因组学研究发现RYR1基因变异与MH密切相关，现在已知至少有23种不同的RYR1基因多态性与MH有关。
与MH不同，氟烷性肝炎可能源于机体对在CYP2E1作用下产生的氟烷代谢产物的一种免疫反应，但其发生机制还不十分清楚[7,11]。
六、神经肌肉阻滞药与基因多态性
神经肌肉阻滞药如琥珀酰胆碱和美维库铵的作用与遗传因素密切相关。血浆中丁酰胆碱酯酶(假性胆碱酯酶)是一种水解这两种药物的酶，已发现该酶超过40种的基因多态性，其中最常见的是被称为非典型的（A）变异体，其第70位发生点突变而导致一个氨基酸的改变，与应用肌松剂后长时间窒息有关。如果丁酰胆碱酯酶Asp70Gly多态性杂合子(单个等位基因)表达，会导致胆碱酯酶活性降低，药物作用时间通常会延长3～8倍；而丁酰胆碱酯酶Asp70Gly多态性的纯合子(2个等位基因)表达则更加延长其恢复时间，比正常人增加60倍。法国的一项研究表明，应用多聚酶链反应（PCR）方法，16例发生过窒息延长的病人中13例被检测为A变异体阳性。预先了解丁酰胆碱酯酶基因型的改变，避免这些药物的应用可以缩短术后恢复时间和降低医疗费用[6,12]。
七、镇痛药物与基因多态性
μ-阿片受体是临床应用的阿片类药的主要作用部位。5%～10%的高加索人存在两种常见μ-阿片受体基因变异，即A118G和G2172T。A118G变异型使阿片药物的镇痛效力减弱。另一种阿片相关效应—瞳孔缩小，在118G携带者明显减弱。多态性还可影响阿片类药物
的代谢。
阿片类药物的重要的代谢酶是CYP2D6。可待因通过CYP2D6转化为它的活性代谢产物－吗啡，从而发挥镇痛作用。对33名曾使用过曲马多的死者进行尸检发现，CYP2D6等位基因表达的数量与曲马多和O－和N－去甲基曲马多的血浆浓度比值密切相关，说明其代谢速度受CYP2D6多态性的影响。除CYP2D6外，美沙酮的代谢还受CYP3A4的作用。已证实CYP3A4在其它阿片类药如芬太尼、阿芬太尼和苏芬太尼的代谢方面也发挥重要作用。
有报道显示儿茶酚O-甲基转移酶(COMT)基因与痛觉的产生有关。COMT是儿茶酚胺代谢的重要介质，也是痛觉传导通路上肾上腺素能和多巴胺能神经的调控因子。研究证实Val158MetCOMT基因多态性可以使该酶的活性下降3～4倍。Zubieta等报道，G1947A多态性个体对实验性疼痛的耐受性较差，μ-阿片受体密度增加，内源性脑啡肽水平降低[13～16]。
八、局部与基因多态性
罗哌卡因是一种新型的酰胺类局麻药，有特有的S-(-)-S对应体，主要经肝脏代谢消除。罗哌卡因代谢产物3-OH-罗哌卡因由CYP1A2代谢生成，而4-OH-罗哌卡因、2-OH-罗哌卡因和2-6-pipecoloxylidide(PPX)则主要由CYP3A4代谢生成。CYP1A2的基因多态性主要是C734T和G2964A。Mendoza等对159例墨西哥人的DNA进行检测，发现CYP1A2基因的突变率为43%。Murayama等发现日本人中CYP1A2基因存在6种导致氨基酸替换的SNPs。这些发现可能对药物代谢动力学的研究、个体化用药具有重要意义[17,18,19]。
基因多态性是药物基因组学的研究基础。药物效应基因所编码的酶、受体、离子通道作为药物作用的靶，是药物基因组学研究的关键所在。基因多态性可通过药物代谢动力学和药物效应动力学改变来影响麻醉药物的作用。
基因多态性对药代动力学的影响主要是通过相应编码的药物代谢酶及药物转运蛋白等的改变而影响药物的吸收、分布、转运、代谢和生物转化等方面。与麻醉药物代谢有关的酶有很多，其中对细胞色素-P450家族与丁酰胆碱酯酶的研究较多。基因多态性对药效动力学的影响主要是受体蛋白编码基因的多态性使个体对药物敏感性发生差异。
苯二氮卓类药与基因多态性：咪唑安定由CYP3A代谢，不同个体对咪唑安定的清除率可有五倍的差异。地西泮是由CYP2C19和CYP2D6代谢，基因的差异在临床上可表现为用药后镇静时间的延长。
吸入麻醉药与基因多态性：RYR1基因变异与MH密切相关，现在已知至少有23种不同的RYR1基因多态性与MH有关。氟烷性肝炎可能源于机体对在CYP2E1作用下产生的氟烷代谢产物的一种免疫反应。
神经肌肉阻滞药与基因多态性：丁酰胆碱酯酶是水解琥珀酰胆碱和美维库铵的酶，已发现该酶超过40种的基因多态性，其中最常见的是被称为非典型的（A）变异体，与用药后长时间窒息有关。
镇痛药物与基因多态性：μ-阿片受体是阿片类药的主要作用部位，常见的基因多态性是A118G和G2172T。可待因和曲马多通过CYP2D6代谢。此外，美沙酮的代谢还受CYP3A4的作用。儿茶酚O-甲基转移酶(COMT)基因与痛觉的产生有关。
局部麻醉药与基因多态性：罗哌卡因主要由CYP1A2和CYP3A4代谢。CYP1A2的基因多态性主要是C734T和G2964A，可能影响药物代谢速度。
一直以来麻醉科医生较其它专业的医疗人员更能意识到不同个体对药物的反应存在差异。麻醉药的药物基因组学研究将不仅更加合理的解释药效与不良反应的个体差异，更重要的是在用药前就可以根据病人的遗传特征选择最有效而副作用最小的药物种类和剂型，达到真正的个体化用药。
能够准确预测病人对麻醉及镇痛药物的反应，一直是广大麻醉科医生追求的目标之一。若能了解药物基因组学的基本原理，掌握用药的个体化原则，就有可能根据病人的不同基因组学特性合理用药，达到提高药效，降低毒性，防止不良反应的目的。本文对药物基因组学的基本概念和常用麻醉药的药物基因组学研究进展进行综述。
一、 概述
二十世纪60年代对临床麻醉过程中应用琥珀酰胆碱后长时间窒息、硫喷妥钠诱发卟啉症及恶性高热等的研究促进了药物遗传学（Pharmacogenetics）的形成和发展，可以说这门学科最早的研究就是从麻醉学开始的。
药物基因组学(Phamacogenomics)是伴随人类基因组学研究的迅猛发展而开辟的药物遗传学研究的新领域，主要阐明药物代谢、药物转运和药物靶分子的基因多态性及药物作用包括疗效和毒副作用之间的关系。它是以提高药物的疗效及安全性为目标，研究影响药物吸收、转运、代谢、消除等个体差异的基因特性，以及基因变异所致的不同病人对药物的不同反应，并由此开发新的药物和用药方法的科学。
1959年Vogel提出了“药物遗传学”，1997年Marshall提出“药物基因组学”。药物基因组学是药物遗传学的延伸和发展，两者的研究方法和范畴有颇多相似之处，都是研究基因的遗传变异与药物反应关系的学科。但药物遗传学主要集中于研究单基因变异，特别是药物代谢酶基因变异对药物作用的影响；而药物基因组学除覆盖药物遗传学研究范畴外，还包括与药物反应有关的所有遗传学标志，药物代谢靶受体或疾病发生链上诸多环节，所以研究领域更为广泛[1，2，3]。
二、基本概念
1．分子生物学基本概念
基因是一个遗传密码单位，由位于一条染色体(即一条长DNA分子和与其相关的蛋白)上特定位置的一段DNA序列组成。等位基因是位于染色体单一基因座位上的、两种或两种以上不同形式基因中的一种。人类基因或等位基因变异最常见的类型是单核苷酸多态性(single-nucleotide polymorphism，SNP)。目前为止，已经鉴定出13 000 000多种SNPs。突变和多态性常可互换使用，但一般来说，突变是指低于1%的群体发生的变异，而多态性是高于1%的群体发生的变异。
2．基因多态性的命名法：
(1)数字前面的字母代表该基因座上最常见的核苷酸(即野生型)，而数字后的字母则代表突变的核苷酸。例如：μ阿片受体基因A118G指的是在118碱基对上的腺嘌呤核苷酸(A)被鸟嘌呤核苷酸(G)取代，也可写成118A/G或118A>G。
(2)对于单个基因密码子导致氨基酸转换的多态性编码也可以用相互转换的氨基酸的来标记。例如：丁酰胆碱酯酶基因多态性Asp70Gly是指此蛋白质中第70个氨基酸－甘氨酸被天冬氨酸取代。
三、药物基因组学的研究内容
基因多态性是药物基因组学的研究基础。药物效应基因所编码的酶、受体、离子通道及基因本身作为药物作用的靶，是药物基因组学研究的关键所在。这些基因编码蛋白大致可分为三大类:药物代谢酶、药物作用靶点、药物转运蛋白等。其中研究最为深入的是麻醉药物与药物代谢酶CYP45O酶系基因多态性的相关性[1，2，3]。
基因多态性可通过药物代谢动力学和药物效应动力学改变来影响药物作用，对于临床较常用的、治疗剂量范围较窄的、替代药物较少的麻醉药物尤其需引起临床重视。
（一）基因多态性对药物代谢动力学的影响
基因多态性对药物代谢动力学的影响主要是通过相应编码的药物代谢酶及药物转运蛋白等的改变而影响药物的吸收、分布、转运、代谢和生物转化等方面[3，4，5，6]。
1、药物代谢酶
与麻醉药物代谢有关的酶有很多，其中对细胞色素-P450家族与丁酰胆碱酯酶的研究较多。
（1）细胞色素P-450（CYP45O）
麻醉药物绝大部分在肝脏进行生物转化，参与反应的主要酶类是由一个庞大基因家族编码控制的细胞色素P450的氧化酶系统，其主要成分是细胞色素P-450（CYP45O）。CYP45O组成复杂，受基因多态性影响，称为CYP45O基因超家族。1993年Nelson等制定出能反应CYP45O基因超家族内的进化关系的统一命名法：凡CYP45O基因表达的P450酶系的氨基酸同源性大于40%的视为同一家族（Family），以CYP后标阿拉伯数字表示，如CYP2；氨基酸同源性大于55%为同一亚族（Subfamily），在家族表达后面加一大写字母，如CYP2D；每一亚族中的单个变化则在表达式后加上一个阿拉伯数字，如CYP2D6。
（2）丁酰胆碱酯酶
麻醉过程中常用短效肌松剂美维库铵和琥珀酰胆碱，其作用时限依赖于水解速度。血浆中丁酰胆碱酯酶(假性胆碱酯酶)是水解这两种药物的酶，它的基因变异会使肌肉麻痹持续时间在个体间出现显著差异。
2、药物转运蛋白的多态性
转运蛋白控制药物的摄取、分布和排除。P-糖蛋白参与很多药物的能量依赖性跨膜转运，包括一些止吐药、镇痛药和抗心律失常药等。P-糖蛋白由多药耐药基因（MDR1）编码。不同个体间P-糖蛋白的表达差别明显，MDR1基因的数种SNPs已经被证实，但其对临床麻醉的意义还不清楚。
（二）基因多态性对药物效应动力学的影响
麻醉药物的受体（药物靶点）蛋白编码基因的多态性有可能引起个体对许多药物敏感性的差异，产生不同的药物效应和毒性反应[7，8]。
1、蓝尼定受体-1（Ryanodine receptor-1，RYR1）
蓝尼定受体-1是一种骨骼肌的钙离子通道蛋白，参与骨骼肌的收缩过程。恶性高热（malignant hyperthermia，MH）是一种具有家族遗传性的、由于RYR1 基因异常而导致RYR1存在缺陷的亚临床肌肉病，在挥发性吸入麻醉药和琥珀酰胆碱的触发下可以出现骨骼肌异常高代谢状态，以至导致患者死亡。
2、阿片受体
μ-阿片受体由OPRM1基因编码，是临床使用的大部分阿片类药物的主要作用位点。OPRM1基因的多态性在启动子、内含子和编码区均有发生，可引起受体蛋白的改变。吗啡和其它阿片类药物与μ-受体结合而产生镇痛、镇静及呼吸抑制。不同个体之间μ-阿片受体基因的表达水平有差异，对疼痛刺激的反应也有差异，对阿片药物的反应也不同。
3、GABAA 和 NMDA受体
γ-氨基丁酸A型（GABAA）受体是递质门控离子通道，能够调节多种麻醉药物的效应。GABAA受体的亚单位（α、β、γ、δ、ε和θ）的编码基因存在多态性（尤其α和β），可能与孤独症、酒精依赖、癫痫及精神分裂症有关，但尚未见与麻醉药物敏感性有关的报道。N-甲基-D-天门冬氨酸（NMDA）受体的多态性也有报道，但尚未发现与之相关的疾病。
（三）基因多态性对其它调节因子的影响
有些蛋白既不是药物作用的直接靶点，也不影响药代和药效动力学，但其编码基因的多态性在某些特定情况下会改变个体对药物的反应。例如，载脂蛋白E基因的遗传多态性可以影响羟甲基戊二酸单酰辅酶A（HMG-CoA）还原酶抑制剂（他汀类药物）的治疗反应。鲜红色头发的出现几乎都是黑皮质素-1受体（MC1R）基因突变的结果。MC1R基因敲除的老鼠对麻醉药的需求量增加。先天红发妇女对地氟醚的需要量增加，热痛敏上升而局麻效力减弱。
四、苯二氮卓类药与基因多态性
大多数苯二氮卓类药经肝脏CYP45O代谢形成极性代谢物，由胆汁或尿液排出。常用的苯二氮卓类药物咪唑安定就是由CYP3A代谢，其代谢产物主要是1-羟基咪唑安定，其次是4-羟基咪唑安定。在体实验显示不同个体咪唑安定的清除率可有五倍的差异。
地西泮是另一种常用的苯二氮卓类镇静药，由CYP2C19和CYP2D6代谢。细胞色素CYP 2C19的G681A多态性中A等位基因纯合子个体与正常等位基因G纯合子个体相比，地西泮的半衰期延长4倍，可能是CYP2C19的代谢活性明显降低的原因。A等位基因杂合子个体对地西泮代谢的半衰期介于两者之间。这些基因的差异在临床上表现为地西泮用药后镇静或意识消失的时间延长[9，10]。
五、吸入麻醉药与基因多态性
到目前为止，吸入麻醉药的药物基因组学研究主要集中于寻找引起药物副反应的遗传方面的原因，其中研究最多的是MH。药物基因组学研究发现RYR1基因变异与MH密切相关，现在已知至少有23种不同的RYR1基因多态性与MH有关。
与MH不同，氟烷性肝炎可能源于机体对在CYP2E1作用下产生的氟烷代谢产物的一种免疫反应，但其发生机制还不十分清楚 [7，11]。
六、神经肌肉阻滞药与基因多态性
神经肌肉阻滞药如琥珀酰胆碱和美维库铵的作用与遗传因素密切相关。血浆中丁酰胆碱酯酶(假性胆碱酯酶)是一种水解这两种药物的酶，已发现该酶超过40种的基因多态性，其中最常见的是被称为非典型的（A）变异体，其第70位发生点突变而导致一个氨基酸的改变，与应用肌松剂后长时间窒息有关。如果丁酰胆碱酯酶Asp70Gly多态性杂合子(单个等位基因)表达，会导致胆碱酯酶活性降低，药物作用时间通常会延长3～8倍；而丁酰胆碱酯酶Asp70Gly多态性的纯合子(2个等位基因)表达则更加延长其恢复时间，比正常人增加60倍。法国的一项研究表明，应用多聚酶链反应（PCR）方法，16例发生过窒息延长的病人中13例被检测为A变异体阳性。预先了解丁酰胆碱酯酶基因型的改变，避免这些药物的应用可以缩短术后恢复时间和降低医疗费用[6，12]。
七、镇痛药物与基因多态性
μ-阿片受体是临床应用的阿片类药的主要作用部位。5%～10%的高加索人存在两种常见μ-阿片受体基因变异，即A118G和G2172T。A118G变异型使阿片药物的镇痛效力减弱。另一种阿片相关效应—瞳孔缩小，在118G携带者明显减弱。多态性还可影响阿片类药物的代谢。
阿片类药物的重要的代谢酶是CYP2D6。可待因通过CYP2D6转化为它的活性代谢产物－吗啡，从而发挥镇痛作用。对33名曾使用过曲马多的死者进行尸检发现，CYP2D6等位基因表达的数量与曲马多和O－和N－去甲基曲马多的血浆浓度比值密切相关，说明其代谢速度受CYP2D6多态性的影响。除CYP2D6外，美沙酮的代谢还受CYP3A4的作用。已证实CYP3A4在其它阿片类药如芬太尼、阿芬太尼和苏芬太尼的代谢方面也发挥重要作用。
有报道显示儿茶酚O-甲基转移酶(COMT)基因与痛觉的产生有关。COMT是儿茶酚胺代谢的重要介质，也是痛觉传导通路上肾上腺素能和多巴胺能神经的调控因子。研究证实Val158Met COMT基因多态性可以使该酶的活性下降3～4倍。Zubieta等报道，G1947A多态性个体对实验性疼痛的耐受性较差，μ-阿片受体密度增加，内源性脑啡肽水平降低[13～16]。
八、局部麻醉药与基因多态性
罗哌卡因是一种新型的酰胺类局麻药，有特有的S-(-)-S对应体，主要经肝脏代谢消除。罗哌卡因代谢产物3-OH-罗哌卡因由CYP1A2代谢生成，而4-OH-罗哌卡因、2-OH-罗哌卡因和2-6-pipecoloxylidide (PPX)则主要由CYP3A4代谢生成。CYP1A2的基因多态性主要是C734T和G2964A。Mendoza等对159例墨西哥人的DNA进行检测，发现CYP1A2基因的突变率为43%。Murayama等发现日本人中CYP1A2基因存在6种导致氨基酸替换的SNPs。这些发现可能对药物代谢动力学的研究、个体化用药具有重要意义[17，18，19]。
2教学手段与方法的改良
传统的基因工程教学方法在水产类高等学校中多以板书结合多媒体的方法来讲解概念、原理以及性质等内容，其过程相对机械、枯燥，使得学生难以理解所学内容。对此，笔者通过多媒体教学与自制模型演示相结合的方法取代原有的传统教学。由于基因工程的很多内容相对抽象，仅仅通过文字、图片和语言来表述是难以讲解透彻的。现代的多媒体教学技术具有图文声像随意组合、灵活多变的特点，为学生创造了良好的学习情境。通过功能强大的各种计算机软件把一些很难理解的内容做成动画影片，化难为易、化静为动、变抽象为形象，使学生对上课产生兴趣，促进学生对知识学习的渴望。同时，利用自制的模型讲解课程中的重点以及难点。例如:在介绍限制酶的切割位点时，让学生手持模型，分别角色扮演限制酶和基因序列，在排列位置的互换中了解3种切口的方式以及位置。这样的教学方法不仅形象，也让学生在互动中快速、深刻地记忆知识要点。另外，通过当下研究的前沿话题为例，先提出一个问题，引导学生运用其他课程所学过的或者自身所积累的知识来联想、分析、讨论，自己设计解答此问题的方法或实验流程。然后老师再参与其中，在讨论和修改方法以及实验流程的过程中，引出所要讲授的新的概念和知识要点。
例如介绍表达物质(蛋白质)的鉴定时，老师会先提出问题:基因克隆表达出的物质是什么?这些物质是由什么组成的?鉴定这些物质可以使用什么方法?然后引导学生回顾生物学中心法则，得出基因表达物质为蛋白质，蛋白质是由氨基酸组成等所学过的知识，由此学生可归纳出氨基酸测序法等鉴定蛋白质的方法。最后老师再在此基础上补充出WesternBlot法、生物质谱技术等新的鉴定方法。这样的讲课方式让学生回到课堂上的主角位置，在复习了以往的知识要点的同时也加深了学生对新知识的理解与记忆，在一定程度上启发了学生如何去发现问题和解决问题。此外，基因工程是一门实践性很强的课程，在讲授理论课的同时，实验课的安排也是非常重要的。设计好与理论课相配套的实验课程，可以使学生加深对基因工程学理论的学习和理解，达到理论和实践相结合的目的。对此，各大高校均在基因工程实验课上进行了改革创新，但有一点总被忽略，那就是实验研究对象。目前，国内大多数高校基因工程实验课所使用的研究对象均为果蝇等无脊椎模式生物。这种情况对于普通高校而言是可行的，但是对于拥有特色学科的水产类高校而言，研究对象也应具有其专业特点。所以本实验课所使用的研究对象是斑马鱼这种海洋模式生物。研究对象的改变虽微不足道，但是能让学生更好地理解自己所学专业的特色，在实践操作中加深对所属专业的热爱。
3成绩考核
中国传统的应试教育产生了“高分决定一切”的迂腐思想。随着国家教育体系改革的不断推进，学生对于专业知识的掌握与否，已经不能仅从一张考卷成绩的高低来反映，考核成绩的结构应向多元化的方向发展。基因工程的最终考核成绩主要包括两部分:平时成绩占40%，其中课堂出勤率10%、课堂讨论10%、课堂小考10%以及实验报告10%;期末考试成绩占60%。这样的考核体系改变了过去注重结果忽略过程的做法，让学生在平时将知识一点一滴地积累起来。同时，也让授课教师能够及时得到教学效果的反馈信息，进一步提高教学水平。
abstractthe discovery of small rna was expounded,the characteristics,function and mechanism of action were introduced,and the prospect of the research was made for the small rna study.
key wordssmall rna小rna是一类新发现的长度为21~25个核苷酸的小分子rna,它普遍存在于多细胞生物中,占整个基因组基因总数的2%左右。小rna是最为重要的调控rna分子,它可直接调控某些基因的开关,从而控制细胞的生长发育,并决定细胞分化的组织类型。根据小rna的生长、结构和功能大约可分为3类:小干涉rna(small interfering rna,sirna)、微rna(micrornas,mirnas)和其他小rna。小rna在生物进化过程中高度保守,并已被证实参与和调控包括时序发育、细胞凋亡、神经元发育、激素分泌等在内的多种生理过程[1]。小rna自1998年被发现以来,至今已有飞速的发展,目前在种类、特征、分子机制等方面的研究都有了突破性的进展,研究前景十分广阔。
1小rna的发现
1998年,生物学家发现,在果蝇和其他真核生物中导入外源双链rna分子,可以使内源基因相应序列基因的mrna降解,从而引发同源基因转录后基因沉默,这种基因表达的抑制作用称为rna干扰。小干涉rna在rna干扰途径的中间产生,最终可导致靶mrna降解产生rna干扰作用[2]。
mirnas是sirna(small interfering rna)之后发现的一种调节mrna稳定的rna。多数微rna具有高度保守性、时序性和组织特异性。线虫的lin-4[3]和let-7[4]是最早被发现的微rna,它们参与调控线虫的发育时序,后来将类似的rna统称为微rna。微rna具有重要的调控功能,与生物体的阶段性发育密切相关。随着研究的深入,已发现微rna在生命起源和早期进化、基因复杂性、疾病机理等方面的研究中具有更为深远的意义。
近年来,德国、英国、美国3个实验室[5-7]利用生物信息学、cdna文库及分子克隆技术,在不同生物体细胞中克隆到包括lin-4和let-7在内的约150个21～25个核苷酸的非编码小分子rna。这些rna具有极强的调控作用,与生物体的阶段性发育密切相关,并意识到这是一个极为广阔的小分子rna世界。
2小rna的特征
截至目前,人们认为小rna具有以下几个特点:一是小rna是长21～25个核苷酸的单链,非编码蛋白的短序列rna,本身不具有开放阅读框及蛋白质编码基因的特点,而是由独立的转录单位表达成熟的小rna,有5′磷酸和3′羟基。二是具有高度的保守性。小rna在进化过程中保持着“谨慎”的态度。一些小rna的基因在进化中呈保守的趋势,在不同生物间行使同一功能,这些基因称为直向同源基因。三是在不同组织、不同发育阶段中,小rna的水平有显著差异,一些小rna呈时间发育特异性。四是小rna绝大多数位于已知基因序列的外围,还有一些是成簇的,且簇生排列的基因往往协同表达。五是成熟的小rna由dicer酶从折叠的发夹状前体约60个核苷酸的一条臂上切割得来。
3小rna的功能
小rna有组织特异性,可能在调控基因表达及个体发育中起着重要作用,动物基因组中小rna的丰富性和表达模式的多样性,表明它们广泛参与基因表达调控[8],还可能以多种调节途径发挥作用[9]。小rna序列、结构、丰度和表达方式的多样性使其可能作为蛋白质编码rna的调节子,对基因表达、细胞周期调控及至个体发育产生重要影响。生物个体中的一群小rna,可通过自身的rna干扰机制在生命过程的各个阶段关闭或调控基因表达水平,从而控制细胞的多种生命活动,尤其在发育过程中。
4小rna的作用机制
小rna能通过risc以2种后转录的机制之一来调节基因表达。当mirna进入到细胞质中的risc复合物,如果成熟的mirna识别并与目的mrna序列高度互补配对,那么mirna能使rna在互补区特异断裂,并且断裂位点与小干涉 rna的相同,即在与mirna第10、第11个残基配对的mrna的核苷酸处;如果mirna与目的mrna的配对不是很精确,那么mirna将抑制其翻译过程从而调控目的基因的表达。在mrna断裂之后mirna还保持完整,并且能继续识别和降解其他的mrna。近几年人们对mirna的形成和作用机制已经基本研究清楚,只是一些细节有待研究。
5研究展望
尽管小分子rna的研究飞速发展,但在基因调控的机制研究和在功能基因组学应用方面还存在许多问题,如risc的组成、risc和dicer自身的调控等,小分子rna与转录因子的关系,小分子rna对发育的调控机制等。随着这些问题的解决,对功能基因组学的研究将更加快速和深入。
6参考文献
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中药资源是我国中医药事业发展的基础，采用创新的理论和方法寻找和发现中药新资源是中药资源可持续利用研究的热点和重点。肖培根提出的药用植物亲缘学从理论上总结药用植物的生物亲缘关系，化学成分和疗效（传统疗效和药理活性）间的相关性[1-4]，该学科的建立对于开发中药植物资源具有重要指导意义[5-7];系统发育基因组学方法可用于药物发现和开发的相关问题研究，可在组学水平拓展药用亲缘学的领域，由此衍生出药用基因组亲缘学的新概念。本文作者基于药用亲缘学的长期研究积累，提出这一新概念。本文简述药用亲缘学的知识谱系，研究方法和范式转换，展望药用基因组亲缘学的理论和实践价值。选择《中国药典》2010年版收录最多的毛茛科为例，可以对药用基因组亲缘学进行深入的概念验证和实证研究。结合传统药物学知识积累（包括中药药性和功效知识）和药理研究揭示的生物活性，在基因组，转录组和代谢组水平探讨毛茛科及其重要族属的系统发育和进化关系，揭示药用植物基因型和代谢表型，以及近缘种遗传多样性和化学多样性的内在关联。通过毛茛科示范研究，丰富药用亲缘学研究的内涵，开放地吸收有关领域的新知识和新技术，促进中药资源学科的成长。
近年随着高通量测序技术的迅猛发展，生物系统发育研究中开始采用基因组数据，因此出现一些新术语，如系统发育基因组学（phylogenomics，基因组系统学/基因组亲缘学）[8]， pharmacophylogenomics[9]，转录组亲缘学（phylotranscriptomics）[10]等。系统发育基因组学是进化和基因组学的交叉学科，是将基因组数据用于进化关系重建的综合分析;药用亲缘学研究药用生物（特别是药用植物）的生物亲缘关系，化学成分和疗效（传统疗效和药理活性）间的相关性;系统发育基因组学方法可用于药物发现和开发的相关问题研究，在组学水平拓展了药用亲缘学的领域（图1）。系统学（亲缘学）是生命科学各分支和交叉学科的根基所在，在中药资源学、中药鉴定和质量评价、中药药性、中药毒理和民族药等中药学相关领域起到提纲挈领的作用。提出药用基因组亲缘学新概念，是因应学科交融的大势所趋，期望在中医药理论指导下，运用多学科新理念、新方法和创新的技术手段进行跨学科综合研究，推动中药资源学科理论建构和实践应用，更好地服务于中医药现代化事业。
RAD.限制酶切位点相关的DNA; SNP.单核苷酸多态性; SSR.简单重复序列; EST.表达序列标签。
图1 可用于药用亲缘学亲缘关系推断的组学数据
Fig.1 Omics data that could be used in the pharmacophylogeny inference
1 系统发育基因组学
系统发育基因组学是生物进化和基因组学的交叉学科，是将基因组数据用于进化关系重建的综合分析，因此需要系统发育研究方法和基因组学技术的紧密配合。系统发育研究是比较分析单个基因或少数几个基因序列[11-12]，也常结合其他类型数据，例如形态学、细胞学和植物化学[13-14]数据。系统发育基因组学基于全基因组测序时代之前的分子系统学研究，通过比较全基因组序列或至少大部分基因组序列来全面获取对进化关系重建有用的信息[15]。目前该领域研究包括以下几方面。
1.1 基因功能预测和进化推演 现存植物已鉴明的307 700种，估测上限45万种，提示植物多样性的潜在空间巨大。在进化史上均经历多次全基因组倍增（WGD），倍增基因拷贝在基因组中通常以保守的同线块（syntenic block）形式存在。在植物进化过程中，基因组大小变化是一种相对频繁的事件，这些变化一般并不与基因多少及顺序变化相关联。基因数量及顺序的保守性称为同线性。基因组倍增显著影响新性状起源（图2），近年来植物次生代谢路径多样化与WGD有关的例子越来越多。倍增基因拷贝可以解释萜类和硫代葡糖苷[16]等多基因路径合成的次生代谢产物的多样化过程。次生代谢基因的串联倍增及随后发生的亚功能化和新基因化过程进一步增加了次生代谢产物的遗传多样性和化学多样性，增强了植物适应生态环境变迁的能力，显示了植物次生代谢产物化学空间在药物发现方面的巨大潜力。被子植物（有花植物）中已发现次生代谢产物超过20万种，可能大部分源自复杂性状的快速创新。
实线粗箭头.同源多倍体效应;虚线箭头.异源多倍体效应;细箭头.2类多倍体共有效应;符号.效应的方向。
图2 多倍体化对植物基因组和表型的影响
Fig. 2 Effects of polyploidization on the plant genome and the phenotype
通过比较核苷酸多样性估计值和dN/dS考查甾体糖生物碱次生代谢基因经受的选择限制[17]，可解释次生代谢多样性。高通量的SNP芯片分型可能发现有信息SNPs，其不同组合可区分次代物含量高中低的不同代谢表型，对道地药材研究具参考价值。禾本科苯并嗪类（Bx）基因倍增后发生重排，导致Bx1和2的新拷贝在禾本科共同祖先的一个染色体末端成簇[18]。成簇有利于相关基因共分离，末端染色体的定位既便于基因重排，也便于有关合成基因的进一步征募。这些事件对于后续的Bx生合基因簇的进化至关重要。系统发育分析提示双子叶和单子叶植物的Bx生物合成途径彼此独立进化，即趋同进化。氰苷的生物合成途径也存在类似的进化现象[19]。对次生代谢产物生物合成途径的深入研究有助于育种方案的理性设计，优化药用化合物的生产，实现基于生物技术的生产流程优化。
研究多基因家族的进化时， 基因树比物种树更有助于了解成员基因的进化历史和基因倍增过程。通过对基因树和物种树冲突进行解释，可推测进化机制，包括快速辐射分化、杂交/基因渐渗、不完全谱系分选、水平基因转移、旁系同源基因、基因倍增/丢失以及基因重组等。这些进化机制也可部分地解释近缘物种的化学表型多样性，有助于推测药用化合物的来源和转化路径。对于次生代谢产物生物合成基因家族和转录调控基因家族均可在系统发育框架内挖掘分析全基因组有关序列。
1.2 构建和厘清物种进化关系 例如基于桔梗科18个种叶绿体基因组的基因排列顺序构建系统树[20]，从全新的角度阐述了桔梗科18个属间的系统发育关系。采用高通量测序平台获得天南星科32属线粒体基因组序列[21]，发现线粒体系统树支持率低且与叶绿体系统树不一致。基于叶绿体全基因组序列的系统树表明水芋属Calla和落檐属Schismatoglottis在一个主枝基部聚在一起，得到形态学和细胞学证据支持。植物线粒体DNA的基因顺序可能进化较快，但是核苷酸序列的进化速率仅为动物的1%。叶绿体DNA核苷酸序列的进化速率比线粒体快3～4倍，目前在种间进化关系研究中应用最多，例如对菊分支植物（asterids）[22]、人参[23]、银杏[24]、金壳果科[25]、金虎尾目[26]的研究。但是叶绿体全基因组数据不足以解决经历快速分化的类群，例如姜目[27]。结合大量核基因组数据全面分析十分必要。单拷贝基因在被子植物基因组中比较常见，肖培根研究组基于29个已测序基因组的高质量数据实现了单拷贝基因的大规模识别和进化表征[28]。发现基因组倍增区块（duplicate block）数量和单拷贝基因数量呈显著负相关。17%单拷贝基因位于细胞器基因组，GO注释属于结合（binding）和催化活性类别的较多。真双子叶植物基因组中，单拷贝基因比非单拷贝基因具有更强的密码子偏性。RNA-seq数据证实了部分单拷贝基因相对高的表达水平。与其他植物不同，禾本科基因组中单拷贝基因的密码子有效数量（Nc）与密码子第三位G+C含量（GC3）呈显著负相关。Ka和Ks值提示进化上单拷贝基因比非单拷贝基因更保守。对可变剪接的选择约束（selective constraint），单拷贝基因弱于低拷贝数基因家族（1～10旁系同源基因）成员，但是强于高拷贝数基因家族（>10旁系同源基因）成员。联用各基因组共有的单拷贝基因序列得到分辨力佳的系统树。加上内含子序列提高了分支支持率，但是得到的系统树与未加时不一致。建树时包括内含子序列可能更适合较低的分类学水平。单拷贝基因和非单拷贝基因经受的进化约束明显不同，有些表现出物种特异性，尤其在真双子叶和单子叶植物间。
药用植物多样性是药用植物与环境形成的生态复合体以及与此相关的各种生态过程的总和，有遗传多样性、化学多样性、居群多样性、药用物种多样性、根际微生物多样性和生态系统多样性等多个层次。对于物种不均匀分化程度较强的地区， 在解释气候生态因子与药用植物多样性之间的关联时， 要充分考虑进化过程的影响。如中国西南地区的“天空之岛”[29]，在第四纪形成了丰富的药用植物资源，许多药用族属仍处于激烈分化过程中，例如毛茛科铁线莲属、乌头属、翠雀属等。全叶绿体基因组数据是细胞器尺度的超级条形码，可用其研究分布于不同地理位置的同一物种（例如道地药材）的种内变异[30]和地理亲缘学。但叶绿体基因组只相当于一个基因座，叶绿体基因组和核基因组在居群水平的应用可为研究道地药材起源，种内分化时间和分化强度提供线索。种内谱系关系的确立可重现居群的进化历史，是更细致的系统发育重建。
1.3 预测和追溯侧向基因转移 侧向（水平）基因转移在微生物进化中广泛存在的事实从根本上动摇了生命之树的假定形态[31]。已发现很多原核和真核生物间的侧向基因转移，相当多药用植物和其内生细菌/真菌具有相似的次代物生物合成路径，其隐含的系统发育基因组学规律有待揭示，这将有助于药用植物和其内生菌互作的研究，为开发植物药资源提供参考。
郝大程等：药用亲缘学论纲――知识谱系，认识论和范式转换
2 转录组亲缘学及其他
全基因组测序花费高，对于重复序列占比大，杂合度高和非二倍体基因组，序列正确拼接组装十分困难[32]。显然大规模比较转录组研究更具可行性。转录组测序（RNA-seq）数据基于表达的mRNA，不包括内含子信息，没有重复序列和倍性的干扰。初始的转录组亲缘学概念指多物种的基因共表达分析[10]，物种间进化距离分析可基于转录组信息。显然转录组亲缘学也可应用于药用植物研究，例如从19种植物（包括虎杖、红豆杉、银杏、人参等药用植物）转录组数据中提取50个单拷贝直系同源基因[33]，可用于系统树构建和进化分析。从紫菜属P. umbilicalis和P. purpurea的454焦磷酸测序获得482个编码红藻植物门头发菜纲紫菜属Porphyra膜转运蛋白的EST序列[34]，发现存在内共生和与原生藻菌有关的水平基因转移。此研究提供了海洋藻类钠偶联的转运系统的分子特征和共调控机制。重建陆生植物和藻类的起源和进化过程是植物系统发育的基本课题，对于理解关键适应性性状的产生十分重要。由于物种快速多样化导致一些进化关系分辨不清，少数几个分子标志明显不够，基因组尺度的数据显著增加了有信息位点数量。中药资源和中药鉴定是应用性很强的领域，尽管考虑的是中药材，但应避免一叶障目不见泰山的尴尬，全面挖掘中药资源和物种的准确界定都离不开其所在族属完全物种取样的分子系统学研究[35]。转录组代表能表达的那部分在功能上活跃的基因组，测序费用的大幅降低和生信分析方法的改进使得密集物种取样的转录组亲缘学研究成为可能。例如从92种streptophyte绿藻转录组数据和11种陆生植物基因组序列中提取共有的直系同源基因[36]，用其中852个核基因（1 701 170个序列联配位点）构建系统进化树，发现陆生植物和绿藻Zygnematophyceae为姊妹关系（图3），地钱（liverwort）和地衣（moss）组成的分支与维管植物分支为姊妹关系，而角苔（hornwort）与所有非角苔陆生植物为姊妹关系，从而证伪了之前关于早期陆生植物进化的假说。转录组亲缘学加深对基本植物性状进化的认识，包括药用植物化学多样性和相关生合路径的进化。
图3 获支持证据最多的陆生植物系统发育假说
Fig.3 Land plant phylogenetic hypothesis that has most lines of evidence
尽管只被应用了极短的时间尺度，人工选择已经极大地改变了驯化植物的形态、生理、植化、生活史。比较RNA-seq数据可用于解析种植番茄和5个近缘野生物种间基因序列和基因表达差异[37]。基于序列差异发现>50个基因经受正选择，数千个基因的表达水平有显著差异，许多是由于选择压力所导致。许多快速进化基因与环境应答和应激耐受有关。野生和种植品系间光反应共表达网络的大规模变化进一步强调了环境输入量对于基因表达进化的重要性。人工定向杂交和间接有利于非同义替换的驯化和改良过程已经极大地改变了番茄转录组。比较转录组有助于深入了解人工选择和自然选择对野生和种植品系的普遍效应，基于转录组的亲缘树构建有助于定量研究各近缘物种的起源时间和进化历程，这对药用物种研究的重要性是不言而喻的。
类似地，基于蛋白质组数据进行系统发育分析，有蛋白质组亲缘学（phyloproteomics）[38]，但尚未用于植物研究。表观基因组亲缘学（phyloepigenomics）[39]在表观遗传修饰层面考查物种亲缘关系，用于药用植物研究将有新颖发现。宏基因组亲缘学（phylometagenomics）[40]将可用于研究药用植物根际微生物和植物内生菌等。系统发育基因组学对计算能力和分析方法提出了新的挑战，故有计算基因组系统学。
3 药用植物亲缘学与药用基因组亲缘学
直系同源基因是在物种形成过程中由共同祖先基因演变来的分布于不同物种的基因，在药物发现过程中有助于动物模型的选择和分析流程的建立。葛兰素公司的Searls[9]首次使用pharmacophylogenomics一词，认为充分利用基因组数据挖掘直系同源基因，能更好地预测药靶基因功能。比较实验动物和人的基因组，不仅可找到保守功能元件，包括蛋白编码基因和非编码序列，而且能发现基因功能的迁移，从而使研究者充分认识物种间遗传差异，避免选用不适当的动物模型和药物筛选方案[15]。
Searls提出的pharmacophylogenomics是针对药靶的研究，而本文作者提出药用基因组亲缘学，是在基因组及其相关的转录组和代谢组水平系统研究药用植物的植物亲缘关系-化学成分-疗效（传统疗效及药理活性）间的相关性的新兴边缘学科。药用基因组亲缘学在药用植物领域可以有多方面的应用：①基于基因组信息构建不同尺度的生命之树， 明确药用植物类群间的系统发育和亲缘关系;②利用基因组数据估算分化时间并重建地理分布区， 推测现存药用植物/道地药材的起源和空间分布格局及其形成机制;③基于时间树， 结合生态、环境因素及代谢创新性状， 探讨药用植物的多样化进程和成因;④揭示药用植物多样性的来源和格局， 基于生物多样性探讨药用化合物（例如次级代谢产物）多样性，促进生合途径解析和创新药物发现;⑤预测药用植物多样性动态变化， 提出相应的保护性开发策略，促进人工栽培和分子育种。可见针对药用植物的基因组亲缘研究的内容完全不同于Searls原初的概念，只是暂借用pharmacophylogenomics作为药用基因组亲缘学英译。
本文作者拟整合形态分类数据、代谢组和化学分类数据、基因组和转录组数据、药理活性数据和传统药物学知识，探索以毛茛科药用植物科属为重点的药用亲缘学。毛茛科药用植物在中药学中的应用源远流长，我国42属约720种毛茛科植物中，有30属约220种可供作药用（《中国植物志》27卷24页）。黄连、附子、乌头、升麻、川木通等的原植物均属毛茛科。民间广泛使用的麻布七、水黄连、铁破锣、虎掌草、月下参、驴蹄草、星果草、白头翁等中草药也属于毛茛科。据作者统计在《中国药典》2010年版正文收录10个法定种，附录收录另10种，另外在可见的地方标准中至少收录了另外的20种[41]，共计40种，高于菊科、豆科等大科的收录数量，居所有植物科中的第一位。毛茛科大部分族属在我国均有悠久的药用历史，其防治疾病的科学价值经历了时间的考验。但目前对毛茛科的组学研究，尤其是基因组和转录组研究十分稀缺，对毛茛亚科多物种属的近缘种间亲缘关系了解较为粗浅，对唐松草亚科的一些多物种属，如唐松草属[14]、人字果属[42]，了解更少。这一现状也为进行药用基因组亲缘学的实证研究提供了很多课题。
人字果属约16种，分布于亚洲东部和喜马拉雅山区。我国9种，分布于秦岭以南的亚热带地区，均由肖培根和王文采在1960年代正式命名（1979《中国植物志》27卷472页）。据不完全调查，本属至少7种在分布地区的民间用作草药，具有确切的功效[43]。例如耳状人字果全草止咳化痰、消炎，蕨叶人字果根状茎消肿解毒，纵肋人字果全草健脾化湿、清热明目，人字果根状茎清热解毒、消肿。但是此属在毛茛科中是研究较少的，其药用价值值得深入挖掘。基于4个分子标记和形态特征得到的系统树提示，人字果属与扁果草属和拟扁果草属聚为一支，而与耧斗菜属、天葵属、拟耧斗菜属进化距离较远[44]。从预实验结果看，人字果属的化学成分独具特色。拟选择耳状人字果、蕨叶人字果、纵肋人字果和人字果4种，进行酶切位点相关DNA测序（RAD-Seq）。只有分别带有接头1和接头2的酶切位点周边的DN段会得到有意义的扩增，即为RAD标签（图4）[45]。将所有RAD标签序列连起来即代表物种的简化基因组，可用于同属物种或同种各居群的基因组亲缘关系推断。在进化史近期发生快速辐射分化的同属物种，往往由于有限几个分子标记的系统发育信号不足和/或基因树冲突，使得其亲缘关系难以辨清。人字果属和铁线莲属以及毛茛目其他多属均有此问题。以RAD-Seq为代表的简化基因组测序能提供关于物种基因组进化和杂交的全局观点，且无需事先知晓物种基因组的完整序列。基于此探索的科学问题：4种人字果的基因组亲缘关系是什么;粉背叶人字果（进行转录组测序）与这4种人字果的亲缘关系;化学分类与分子分类是否一致;如何从起源和进化角度解释;本属与唐松草亚科其他属的药用亲缘关系。
图4 RAD-Seq技术路线
Fig.4 Schematic representation of RAD-Seq pipeline
在药用亲缘学框架下进行中药资源研究的一个代表性例证是关于乌头属的亲缘学研究[46-47]。毛莨科乌头属全世界约有300余种，其中超过半数分布在中国。发现牛扁亚属是以牛扁碱和C18-二萜生物碱为主的类群，由于其毒性中等，因而可从中寻找镇痛、抗炎等新药前体[46]。乌头亚属下唐古特乌头系和圆叶乌头系是以内酯型二萜生物碱为主的类群，毒性较小，是新药寻找的重点研究类群。褐紫乌头系则以C20-二萜生物碱如光翠雀碱和宋果灵为主，杂有高度进化的乌头碱型二萜生物碱如乌头碱等成分。化学分类上不支持其独立成为一个分支。显柱乌头系是以含大茴香酸酯基的乌头碱型二萜生物碱以及塔拉萨敏和查斯曼宁胺醇类为主的类群，是块根较大的“大乌头”的主要来源，具大毒。乌头系以含15-羟基的单酯、双酯或多酯以及胺醇类乌头碱型二萜生物碱为主，且酯基中无大茴香酸酯基，此系是草乌的主要植物来源，具大毒。显柱乌头系，乌头系，兴安乌头系和蔓乌头系可能代表乌头亚属进化的类群。从二萜生物碱化学成分来看，露蕊乌头亚属与乌头属另外2个亚属差别很大，结合分子系统发育研究，形态学和细胞学结果，支持其为一单独属，介于翠雀属和乌头属之间[15，48]。基于细胞核和叶绿体DNA序列的分子系统树将形态极相近的九系分为2个群[47，49]， 一为甘青乌头系， 圆叶乌头系， 保山乌头系和短柄乌头系，均非单系群而是彼此交织;另一为乌头系， 兴安乌头系， 显柱乌头系， 蔓乌头系和准噶尔乌头系，亦均非单系群， 化学分类数据支持此分群。为了乌头资源的可持续利用和发现高效低毒的新化合物， 有必要将近年涌现的高通量技术用于乌头研究。基因组学和转录组学技术将在促进乌头生物活性化合物研究中发挥关键作用。
毛茛科是一个比较原始的真双子叶植物类群，已知代表性药用化合物包括苄基异喹啉生物碱、毛茛苷、三萜皂苷、二萜生物碱等。作者结合近年植物化学研究进展，对毛茛科所含主要化学成分类型和分布进行了系统归纳总结。毛茛苷和木兰花碱在一些属（例如毛茛属、铁线莲属、驴蹄草属等）共存，而非交替出现[2]。结合了疗效数据[50]的药用亲缘分析[7， 51]， 支持基于分子标记和形态数据提出的分类系统[44]。毛茛科可分为5个亚科： 毛茛亚科、唐松草亚科、黄连亚科、黄毛茛亚科、白根葵亚科。毛茛亚科可分为10族。铁线莲属与白头翁属和银莲花属均属于银莲花族，均含较多五环三萜皂苷;铁线莲属还含有黄酮、花青素、木质素、香豆素、生物碱等[52-53]，其中五环三萜皂苷已用于化学分类研究。升麻族中，类叶升麻属和升麻属的疗效和化学成分相近， 因此两属的亲缘关系也近[54]。由于它们果实的形态差异以及细胞学特征不同， 考虑这两属为升麻族植物的一个分支， 且类叶升麻属较升麻属更为进化。从化学分类学的角度来看， 铁破锣属含有特殊铁破锣皂苷可以成为一个独立的分支。基于细胞核ITS序列的系统发育树支持以上分析[49，55]。黄三七属既和铁破锣属一样含有五环三萜和铁破锣型环阿尔廷烷四环三萜类， 又和升麻属、类叶升麻属一样含有吲哚生物碱， 因此认为它是铁破锣属和升麻属、类叶升麻属之间的过渡类型[54]。可从毛茛亚科各族选择10个代表种（猫爪草、小木通、美花草、星果草、驴蹄草、升麻、铁筷子、黑种草、北乌头、金莲花），进行高通量转录组测序，从组装的Unigene中找到单拷贝直系同源基因（>400），联用这些基因序列构建系统进化树，结合化学和形态分类，药理活性和传统药物学资料，考察转录组数据在药用亲缘关系推断中的可用性。近年药用亲缘研究还涉及小檗科[56]，百合科贝母属[57]， 冬青科冬青属[58]，五味子科[59]和唇形科鼠尾草属[60]等。这些研究均需要在组学层面继续深化。
4 结论与展望
中国文明医药智慧肇始于原始文化，当时即有博物学知识的积累，包括对人居环境周边的生态和动植物的基本认识，“神农尝百草，一日而遇七十毒”，这里便蕴含着中药资源学和药用亲缘学的萌芽。梳理中药资源学知识谱系，1980年肖培根提出的药用植物亲缘学是年轻的成员，结合形态分类、化学分类、疗效特征研究药用植物，有可能发现自然界隐藏着的决定论的规律。技术哲学家唐・伊德认为，技术的居间调节作用改变了人类直接经验到的世界[61]，使得客观对象的新特征能显现出来，提供给人类一种新的视野。高精尖的实验技术仿佛没有极限，基因组学，代谢组学和相关技术的涌现不断刷新着对于中药资源和药用亲缘关系的认识，并正在促成研究范式转换。新范式的形成将成为药用基因组亲缘学由概念走向成熟理论和实践应用的标志。
药用植物亲缘学研究药用植物的植物亲缘关系，化学成分和疗效（传统疗效和药理活性）间的相关性[4]，交叉性和涉及多学科是其特点，故这门学科的成长需要开放地吸收有关领域的新知识和新技术。药用亲缘学的研究领域广泛，其背后更广阔的背景是中国文明天人合一的古老智慧和中药传统文化积淀的博物学资源。药用亲缘学不是封闭的单一学科，而是围绕药用植物亲缘关系展开多维度透视的交叉学科群，其研究范式开放，知识谱系不断延伸，呈现快速发展态势。药用基因组亲缘学（pharmacophylogenomics）扩展了药用亲缘学研究的内涵，可视为药用亲缘学的升级版，将有力推动药用植物资源的开发和可持续利用[62]，并期待其引领中药资源实践导向的交叉学科创新。
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前言：工业化进程的加快，带来了比较严重的环境污染问题，不仅影响了经济的可持续发展，还给人们的健康造成了很大的威胁，因此，做好环境保护和污染治理工作，是可持续发展理念下社会各界普遍关注的问题。利用宏基因组技术，开展环境保护和污染修复，能够取得良好的效果，而且不会对环境产生二次破坏。
1 宏基因组技术概述
宏基因组的概念最早出现了1998年，用以定义土壤细菌的混合基因组，经过了十数年的发展和演变，现在的宏基因组指的是环境中全部微生物遗传物质的综合，也称环境基因组或者元基因组。宏基因组的主要研究流程，是从自然环境中会，直接提取总DNA，经纯化及部分酶切后，接入到合适的载体中，确保其能够在适当的环境下转化为宿主菌，进而形成全新的DNA文库，结合功能检索和序列分析等，可以针对获得的克隆子进行筛选，得到目的产物。这里针对其主要流程进行简单分析[1]。
（1）环境样本提取：环境样本的质量是宏基因组技术应用的关键所在，在环境样本中，存在大量的有机和无极颗粒，微生物占据的比例很小，而且其一般都是与颗粒紧密依附，想要在充分保证目的基因完整的前提下，完全提取样本中的DNA，对于相关技术有着极高的要求。在当前的技术条件下，比较常见的两种样品提取方法包括原味裂解法和异位裂解法。
（2）载体选择：载体的选择关系着基因组转入宿主细胞的效率和效果，一般常见的载体包括了有质粒、福斯黏粒、细菌人工染色体、哺乳动物人工染色体等，在进行选择的过程中，主要参照对象是目的基因的大小以及是否有利于实现目的基因的扩增和表达等。每一种载体都有着各自的优势和不足，在实际研究过程中，技术人员应该结合具体的需求，对载体进行合理选择。
（3）宿主菌选择：目的基因在连接载体之后，需要转化成宿主菌，然后才能够进行阳性克隆子的筛选工作，得到各种酶和生物活性物质，从这个角度分析，想要实现重组基因的高效克隆和表达，宿主菌的选择是非常重要的前提条件，在进行选择的过程中，必须考虑转化效率、稳定性以及载体在宿主菌中的表达性等。
（4）宏基因组文库筛选：宏基因组文库的构建，主要目的是从中获取丰富的基因资源，实现对于生物活性物质的挖掘。不过，在环境样品中，微生物的种类极其繁杂，文库的容量巨大，如何对功能基因进行有效筛选，是研究人员必须深入探索的问题。就目前来看，经过长期的发展，宏基因组文库的筛选方案有几种，包括序列驱动筛选、功能驱动筛选、底物诱导基因表达筛选以及化合物结构筛选等。如果想要获取更多的信息，可以同时应用多种筛选方法，通过优势互补，提升宏基因组文库的筛选效率[2]。
2 宏基因组技术在环境保护和污染治理中的应用
对于环境的保护和污染的治理，一直都是社会各界普遍关注的问题，最近几年，伴随着微生物学的发展，生物修复技术逐渐成为了污染修复的热门技术，主要是利用细菌、真菌以及一些微生物、植物等，通过自然代谢，对环境中的污染物进行清除，利用生物的分解能力，实现污染修复的目的。
2.1降解基因及功能菌株的挖掘
相关研究表明，在环境中可供培养的微生物仅仅占据为微生物总量的1%-10%，而仅仅依照这些资源来对新的物种和基因进行发掘，显然是远远不够的。结合宏基因组技术，可以从环境样本中进行基因组DNA的提取和克隆，从而实现了直接从自然界获取遗传信息，因此理论上能够获取任意序列的基因，既可以借此发现新物种，也可以合成新的物质。从这个角度分析，在环境保护和污染治理中应用宏基因组技术，具有较高的可行性。
很多环境污染，尤其是水体污染，温度相对较低，并不适合常规微生物的生存，传统的生物修复技术无法起到良好的效果。应用宏基因组技术，可以筛选出一些在低温条件下具备良好生存能力和生物活性的微生物，实现污染的治理和修复，如海洋石油降解、重金属低温修复等。同样，在高温、酸碱等极端环境中，宏基因组技术的应用同样能够起到良好的污染修复效果。就目前而言，在环境科学领域，遗传工程是最活跃一个分支，可以将宏基因组中分离出的基因元件组编织成具备降解污染物功能的基因簇，取代原本的化工物，或者直接针对环境中的污染物质进行降解。必须注意一点，基因工程菌在实际应用前，需要做好功能稳定性、遗传稳定性以及生态安全性的检验，确认无误后才能用于污染治理[3]。
2.2生物种群多样性的分析
在全球环境变化研究中，生物的多样性和变化性一直都是备受关注的课题，针对微生物种群的多样性及相关群落结构进行研究，是现代环境监测与评价的一个重要手段。宏基因组技术的应用，能够帮助研究人员充分了解环境样品中微生物的多样性，结合其中的总DNA提取方法，可以了解微生物与被污染环境的互作关系，明确污染程度，实现对于环境的监控和评价。例如，Treusch等研究人员从森林土壤以及沙地生态系统中提取DNA，构建出了3个大片段Fosmid基因文库，对古细菌多样性进行了明确揭示；黄立南等人采用扩展性rDNA限制性酶切片段分析法，针对广州市北郊的李坑垃圾填埋场渗滤液中存在的古细菌群落进行了研究和分析，从中初步获取了垃圾填埋内部古细菌群落的结构和多样性的信息。
伴随着研究的不断深入，证实了环境的变化会对生物物种产生影响，同时，处于隔离状态的单一物种会主动对环境变化作出响应，不过其与存在各类互作关系时的结果有着很大的差异性。只有在基因组水平上，对环境胁迫银族以及微生物群落的组成关系进行深入研究，才能对生物、环境以及生态之间的相互关系进行明确，了解其动态变化，为环境的保护、检测、预警、评价及治理提供可靠依据[4]。
3 结语
总而言之，利用宏基因组技术，可以获取生物多样性的相关信息，这些信息在环境监测和评价中发挥着重要作用，不过，考虑到宏基因组技术研究实践尚短，存在着大量亟待解决的技术难题，加上其本身的研究涉及范围光、工程量巨大，应该对各种资源进行整合，构建环境样品宏基因组共享数据库，推动多个学科的交叉融合，使得宏基因组技术在环境保护和污染治理方面的作用能够得到最大限度的发展。
参考文献
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【关键词】 江西省 栀子 种质资源
栀子 Gardenia jasminoides Ellis又名黄栀子、红栀子、山栀，为茜草科多年生常绿灌木，喜温暖湿润、阳光充足的环境，较耐旱，忌积水［1］。以果实入药，具泻火除烦、清热利尿、凉血解毒的功效，用于热病心烦、黄疸尿赤、热淋涩痛、血热吐衄、目赤肿痛、火毒疮疡；外治扭挫伤痛［2］。现代研究表明栀子还有利胆作用、止血作用、镇静、降温作用、抗病原微生物作用、抗炎作用、降血压作用等［3］。除药用外，栀子还是重要的天然黄色素原料，被广泛应用于食品、化工等行业。目前纯天然黄色素在食品业、染色业中所占比例仅为10%， 而国内每年以20%～30%的需求速度增长，市场价格长期趋势稳中有涨，因此目前种植栀子的前景比较看好［4］。
1 调查方法
江西是栀子的主产区之一，目前人工种植面积超过26 667 ha。赣中丘陵主要为红壤，较适合发展栀子种植产业。本次调查是在前期文献调研的基础上，结合栀子的生物学特性和生态特性，以研究人员深入到各个县、市为主，依靠当地农业部门以及药材部门为辅的方法进行实地考察，并对目前江西省栀子种植规模较大的地区如新干、金溪、丰城、樟树等地进行重点考察。
2 调查结果
在调查中发现了江西省栀子主要用途有两个，一是以新干县、永丰县、进贤县、临川市等为代表的其栀子主要供提取色素用，二是以金溪、丰城、樟树为代表的栀子加工为药材供药用。由于近年来大规模的人工种植，病虫害明显增多，栀子的抗性呈下降趋势，产量、质量也随之下降，从而严重影响了江西栀子产业化的发展。因此，开展栀子种质资源调查，收集优良种质，对开展栀子品种选育工作有重要意义，对人工栽培种植栀子出现的许多问题也能在一定程度上进行改善；并且通过调查加强对我省野生栀子资源的保护。
2.1 江西栀子种质分布情况在调查中发现，栀子在江西省是典型的野生广布种，基本上每个县市均有野生分布。通过对丰城、玉山等99个县(区)、市的调查，发现除南昌市东湖区、西湖区、青云谱区、青山湖区外基本上每个县（区）均有野生栀子分布；同时也了解到其中31个县、市进行了栀子的人工种植。人工种植栀子主要集中在以下几个地区，吉安市的新干县、永丰县、峡江县、吉安县、泰和县、永新县一带，其中又以新干县和永丰县为多，面积在约6 667 ha；抚州地区的金溪县、临川市、南城县一带，其中又以金溪县和临川市规模较大，面积达约10 667 ha；宜春市则主要集中在樟树市、丰城市一带，面积达约5 300 ha，其它地方如上高、高安等县市也有一定的规模；九江市的武宁县，上饶市的婺源县，南昌市的进贤县，也有一定的种植规模，但大多处于初产期。调查过程中我们采集了356份栀子种质样品，供实验室研究用。在调查中也发现了江西省在种植栀子时出现了许多问题，有的地方野生栀子资源遭到了严重的破坏。
2.2 栀子种质资源类型从本次调查所收集的栀子种质资源来看，江西省的栀子种质资源可以从叶型、果实颜色、果实大小、果实形状、果实成熟期、宿萼长度及开张程度、树形等方面来进行分类，约有25种不同的类型。
2.2.1 叶的类型江西栀子种质的叶型主要有：长卵形叶、卵形叶和披针形叶等3种类型。
2.2.2 果实颜色类型江西栀子成熟果实的表面颜色主要有红色、黄色、红黄色、紫红色4种类型。
2.2.3 果实大小类型江西栀子的果实根据其鲜果的重量大小可分为大果、中果、小果3种基本类型。
2.2.4 果实形状类型江西栀子的果实外形主要有卵圆形、圆形和长形3种基本类型。
2.2.5 果实成熟期根据果实成熟的时期可以分为早熟、中熟和迟熟3种基本类型。
2.2.6 宿萼长度类型根据鲜果的宿萼长度与果实长度的比值来划分，江西栀子的宿萼长度类型有长萼、中萼和短萼3种类型。
2.2.7 宿萼的开张程度根据鲜果的宿萼的开张程度可以分为开张、平行和闭合3种类型。
2.2.8 树形的开张程度根据成年树树冠与地面的夹角可以分为直立、开张和匍匐3种基本类型。
3 种质资源开发现状和存在的问题
3.1 资源丰富，但加工技术落后，开发利用度低江西省的栀子资源比较丰富，特别是在前几年随着市场对栀子的需求量的增大，在江西的一些地方进行了大规模的栀子种植，种植规模在26 667 ha以上，且野生资源分布广，资源蕴藏量大。但在调查中发现，许多个体户对栀子的认识不足，加工技术落后，开发利用度较小，部分种植户采用原始的土法加工，操作不规范，如蒸的时间长短不一致，从而导致栀子生熟不一致；如干燥过程中温度过高，导致药材品相不好等，这样严重地影响了栀子药材的质量。还有部分地方种植的栀子仅供提取色素用，而对于其中的环烯醚萜苷类化合物如栀子苷等成分未加之提取，白白地浪费了。由此可见种植个体户对栀子有效成分的了解不够，他们的知识水平还有待进一步的提高。因此随着市场对栀子的需求量逐渐达到饱和，价格也在逐渐趋于稳定并呈下滑趋势，如今年栀子鲜果的价格仅0.7～0.8元，远远低于前几年，从而导致许多个体户对栀子种植热情明显不足，管理就显得很不关心，甚至有的地方出现了荒芜现象。
3.2 科学管理水平不足在调查中发现许多个体户的管理水平非常缺乏，从而在种植栀子时显得心有余而力不足，而且许多地方虽然大面积的种植栀子，但是管理的人员不仅少而且对专业知识了解很少。另外由于天气的影响对栀子的影响也很大，但种植户也不能运用先进的科学技术去减少天气带来的负效应，未能做到未雨绸缪。只能靠天吃饭，年景好多收，年景差少收。
3.3 破坏生态平衡由于市场需求的逐渐饱和，而种植面积的逐渐增多，使得栀子的价格有下滑趋势，从而在许多地方种植户为了降低生产的成本，在病虫害防治过程中使用了一些不符合药材规范化种植的农药，影响了药材的质量，也对当地的生态平衡产生了负面的影响。
3.4 收获季节显得杂乱无章在调查中研究人员发现在许多地方由于是大面积的种植，而目前栀子的采收主要依赖于人工，随着大量的农民工外出务工，农村劳动力明显不足，因此许多种植户为了能够顺利的完成采收任务，往往提前开始采收，从而使大量尚未成熟的栀子也被采收了，影响了栀子的质量，从而对栀子上市产生了负面的影响。还有许多采药人员为了达到完成采收任务，对栀子的采收不按科学方法进行，导致栀子叶和嫩梢遭受损伤，从而严重影响来年的栀子生产。
4 栀子种质资源开发利用的前景与措施
4.1 加强考察，提高栀子种质资源的开发利用度江西省的药材种植业在全国有较大的影响，如江西栀子、枳壳、车前等药材的种植规模居全国之首。因此在对种植药材的利用度方面要更加重视，因为这在一定程度上不仅影响了当地的经济发展，也影响我国整体经济的发展。在调查中，我省的许多地方对栀子的开发利用度甚微，因此农、林、医药单位应充分运用现代化技术加大对栀子种植技术的研究，从而提高对该种质资源的利用度。
4.2 加强投入，注重药用植物种质资源的研究与利用考察、收集和保护栀子种质资源，其目的在于研究和充分利用其优异性状或优异基因，以期更好服务于栀子种植业。近年来，国内药材种植业的发展一定程度受制于没有较多突破性新品种的问世，而现有品种退化现象非常明显，其关键在于没有对药用植物现有的种质资源进行系统的收集、整理和评价，从而影响了优良品种的选育工作。因此加大力度，全面开展药材种植业种质资源的基础研究，重点开展药用植物种质的结构基因组学、功能基因组学、比较基因组学和进化基因组学及生物信息学等方面的研究，发掘和利用现有的优异基因，进行品种选育，从而培育出更多优质高产抗性强的新品种，服务于药材种植业生产。
4.3 加大力度，重视栀子种质资源遗传多样性的保护
在引进新品种或进行大面积种植的同时保留当地野生植物原有的生态环境，使其不致因环境恶化或人为破坏而随自然栖息地的消失而灭绝，并且只有在原有生态条件下保存这些植物，才能使它们在与环境条件的相互作用下，不断产生变异，从而演化出适应恶劣条件的基因，为人类不断发掘和利用这些基因提供来源。栀子在江西具有丰富的野生资源，蕴藏了大量的优良基因，但是这些优良基因尚未进行系统的收集、整理和评价，对于其中的优良基因尚未获取，因此加强对其的保护就势在必行。而要真正保存这些优良基因，首先就应保护其原有的生态环境。
4.4 加强宣传、教育、学习，提高种植个体户的整体素质
从调查中发现，许多种植户对栀子的认识不够，在资源利用上浪费严重，此外部分种植户为了获取更大的利益，盲目扩大种植规模，破坏了当地的地表植被，导致水土流失比较明显。因此各地政府，以及相关单位应该抓好对当地人民的文化素质水平的建设、提高他们的环保意识等，让人民对现代科学技术有一定的认识，并运用先进的科学技术发展栀子种植业。
参考文献
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中图分类号：TS41+1 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2012）23-5248-05
Review and Prospect of Metabonomics in the Research of Tobacco Aroma Composition
FENG Ji，YU Jun，CAI Chang-chun
（Research Center of Tobacco Biotechnology Engineering， Hubei Tobacco Research Institute， Wuhan 430030， China）
Abstract： Metabonomics， developed from the late 20th century， is a new discipline comprehensively researching on all metabolites in organisms. It is to analyze qualitatively and quantitatively and reveal the mechanism of metabolism in organisms. Although metabonomics has been developing rapidly in recent decades， the application of metabonomics on research of tobacco （Nicotiana tabacum） aroma composition is still in the primary stage. The technical methods and progress on aroma composition in tobacco were reviewed； and the prospects of the application of metabonomics on the research of tobacco aroma composition were looked forward.
Key words： tobacco（Nicotiana tabacum）； metabonomics； aroma composition； crossed research
随着烟草基因组测序的完成（测序品种为野生种绒毛状烟草Nicotiana tomentosiformis、林烟草N. sylvestris和栽培种红花大金元N. tabacum），人们逐渐从烟草结构基因组学（以建立高分辨率的遗传和物理图谱为主）向烟草功能基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学过渡。代谢组学（Metabonomics）是继转录组学和蛋白质组学之后发展起来的一门新兴学科，是系统生物学的重要组成部分。代谢组学的概念来源于代谢组，而要了解代谢组则必须先了解代谢（Metabolism）和代谢物（Metabolite）。代谢是指生物体内所发生的用以维持生命的一系列有序的化学反应总称。在代谢过程产生或消耗的小分子物质（分子质量1 000 u以内）叫做代谢物，不包括生物大分子物质。因此，代谢物的分析是从分子水平上研究生物体生命活动的一个重要突破口。代谢组学是以组群指标分析为基础，以高通量检测和数据处理为手段，以信息建模与系统整合为目标，对某一生物或细胞在一特定生理时期内所有代谢物进行定性和定量分析的一门新学科[1]。
烟草中的香味物质是以烟草植株体内初生代谢前体物为原料，经一系列酶的催化作用发生生理生化反应所形成的一类次生代谢产物。目前从烟叶组织中已鉴定出的代谢物有3 000多种，其中与香味有关的代谢物有700余种[2]。这些香味物质的分子里含有羟基、巯基等特定致香功能基团，使烟叶组织散发出令人愉悦舒爽的香味。按照特定致香功能基团不同，烟草香味物质可分为有机酸类、酚类、脂质类、甾醇类、萜类、杂环类等代谢物[3]。如此种类繁多的烟草香味代谢物给研究带来了一定的困难。然而利用代谢组学的技术手段，将这数百种不同种类的香味物质作为一个整体研究对象，通过高通量的分析仪器进行检测，对所获得的大量数据进行相应的整合处理，从中了解和掌握烟草中所有香味物质代谢变化规律，可有效地判断和预测烟草香味物质的代谢变化，为培育不同香型烟草品种服务。因此，将代谢组学研究技术应用于烟草香味物质研究中是十分必要的[4]。
1 代谢组学的技术原理
代谢组学研究技术具有高灵敏度、高通量和无偏向性等特点。近红外光谱（Near infrared spectroscopy，NIR）分析技术是近年来代谢组学研究领域快速发展的一种高效分析技术，该技术是将一束不同波长的红外射线照射到标准样品上，某些特定波长的红外射线被样品吸收而形成该样品的红外吸收光谱，然后利用近红外光谱所反映的样品基团、组成或物态等信息构建校正模型，以此来实现对未知样品的定性或定量分析。在烟草香味物质研究中，研究人员收集数百份具有代表性样品的光谱数据，以此建立相应指标的近红外模型用于测定烟草重要香味成分。研究结果表明，近红外光谱分析技术作为一种简便、高效、低消耗的绿色分析技术用于测定烟草中重要香味物质成分是可行的[5，6]。然而，该技术需要大量有代表性样品建立模型，同时需要根据仪器的改变或标准样品变化不断更新模型，这些因素大大缩小了近红外光谱分析技术的使用范围。
色谱法是另一种高效的分析手段，具有高分辨能力、高灵敏度和高分析速度等特点，是分析复杂混合代谢物的主要手段[7]。但是在进行定性和定量分析时，由于色谱法主要依据保留的出峰值，很难对那些未知复杂的代谢物做出定性分析，因此需要借助于其他仪器进行辅助分析。而质谱分析法是一种将分子电离成不同的带电荷离子，然后按质荷比将其分离和检测，从而推断分子结构的分析方法[8]。虽然质谱分析法具有很强的结构分析和鉴定能力，但是这种方法只能够对单一的组分给出良好的定性结果，对那些复杂混合的代谢物不具备分离解析能力。因此，色谱与质谱联用技术既可以发挥色谱法和质谱法各自的优势，同时也相互弥补了各自的不足。气相色谱与质谱联用技术（Gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）于1957年首次得以实现[9]，并且得到迅速的发展。该方法主要适合于复杂的混合代谢物中未知组分的定性分析，判断代谢物的分子结构。这种方法灵敏度高，分析速度快，重复性好，但不足之处是对样品中难挥发或是极性较大的代谢物进行分析之前，需要将样品经过衍生化处理。液相色谱与质谱联用技术（Liquid chromatography-mass spectrometry，LC-MS）可以很好地解决这个问题[10]。与GC-MS相比，LC-MS更适合于分析那些沸点高、分子大、热稳定差或极性强的代谢物。在已知的植物代谢物中大约70%的代谢物是不挥发的，因此LC-MS比GC-MS有更加广阔的应用前景。但是LC-MS和GC-MS各有所长，应相互补充。目前在烟草的香味物质分析研究中，GC-MS的应用较广泛，大部分烟草香味物质是由GC-MS分析技术检测出来的[11]。
2 代谢组学在烟草香味物质研究中的应用
2.1 烟草香味物质成分的鉴定
在20世纪五六十年代，科研人员就着手对烟草香味物质成分进行分离检测，但由于分离检测技术手段的限制，相关研究未能取得实质性突破，人们对烟草香味物质的认识始终停留在初级水平。随着气相色谱、液相色谱、质谱等代谢组学研究技术的发展和普及，使得科研人员能够在高通量水平上对烟草香味物质成分进行分离、鉴定以及相应研究。1976年，Lloyd等[12]借助蒸馏萃取技术从烤烟烟叶和烟丝中提取出香精和精油，并将它们分成若干组分，利用GC-MS技术并结合近红外、核磁共振等技术，对香精和精油中香味物质进行了研究，分离鉴定出羧酸类、醇类、醛类、脂类等共计12类323种代谢物（香精中含有195种，精油中含有228种），其中275种是在烤烟中首次发现的，132种未在其他类型烟草中被发现。Demole[13，14]等采用水蒸气蒸馏、溶剂提取和真空蒸馏技术对白肋烟中的挥发性和半挥发性香味物质进行提取，通过GC-MS技术对提取物进行检测分析，共鉴定193种代谢物，其中81种代谢物首次在烟草中被鉴定，确定大马酮和二氢大马酮为重要的香味物质。Schumacher[15]以马里兰烟为研究材料，利用GC-MS技术对其提取液进行检测分析，鉴定出142种马里兰烟香味物质，并将这些香味物质与烤烟、白肋烟的香味物质进行比较分析。
我国对烟草香味物质成分分离检测研究起步较晚，但近20年我国科研人员检测烟草香味物质成分的研究也取得了较大的进展，分离鉴定出一批与烟草香气有关的代谢物。刘百战等[16]借助顶空分离法从不同部位、成熟度及颜色的云南烤烟中提取香味物质，并利用毛细管气相色谱技术对提取液进行测定分析，共检测到14种香味物质。谢剑平等[17]采用蒸馏萃取技术从国产（湖北鹤峰、重庆奉节）和进口（巴西、津巴布韦和马拉维）白肋烟烟叶中提取出香味物质，用GC-MS技术对提取液中的酸性、碱性和中性香味物质进行了分析，总共鉴定出200种香味物质，其中有30种代谢物在烟草香味物质研究中尚未报道。吴新华等[18]采用超高效液相色谱-电喷雾串联四极杆质谱（UPLC-ESI-MS/MS）技术并在多反应离子监测（MRM）模式下，分离测定了7种烟草的香味物质。
利用代谢组学技术对烟草香味物质成分的鉴定研究，在很大程度上提高了对烟草香味物质的认识，证实了不同香型烟草间的香味物质成分存在显著的差异[19]。代谢组学研究技术为烟草香味物质研究提供了一种准确客观的检测技术，为今后深入研究不同烟草类型间、不同品种间、不同地方种植同一品种间主要香味物质的差异及其形成原因提供了可能的手段。
2.2 不同基因型烟草香味物质的比较
在影响烟草香味物质合成与积累的因素中，基因型是最重要的因素，它可通过烟草体内基因表达调控直接影响烟叶的香味[20]。如烟草品种的基因型存在缺陷，无论采取怎样的栽培技术和其他措施，其体内不产生或合成较少香味物质，导致该烟草的香气质和量上都存在不足。因此，要获得香气品质优良的烟草品种，必须鉴别区分不同基因型烟草材料之间的香味物质差异，对评价筛选优良特色烟草材料有重要作用。常爱霞等[21]利用蒸馏萃取以及GC-MS技术对特香型烤烟、香料烟和烤烟3种类型的烟叶进行了挥发性致香成分的检测分析，发现特香型烤烟与烤烟的差异相对较小，而与香料烟存在着较大差异。汪耀富等[22]采用GC-MS技术对中国推广种植的5个不同基因型烤烟品种的香味物质含量进行了比较分析，证明不同基因型烤烟叶片间香味物质的含量差异较大。席元肖等[23]应用LC和GC-MS技术，对中国18个产区68个产烟县的初烤烟叶样品的香味物质进行代谢组学分析。结果表明香型烤烟的叶黄素、类胡萝卜素、新绿原酸、芸香苷等共13种香味物质的含量显著较高；浓香型烤烟的绿原酸、香叶基丙酮、苯乙醛、苯甲醛、巨豆三烯酮等共7种香味物质的含量显著较高；中间香型烤烟大部分香味物质含量居中。因此，基因型对目标香型烤烟品种的选育有十分关键的影响。
2.3 不同生态环境烟草香味物质的比较
烟草中香味物质合成与积累易受外界环境影响，光照、温度、水分、海拔、气候等因素是影响烟草香味物质的重要因素[24]。因此，监测不同环境中的烟草香味物质的变化，可以了解不同的外界环境对烟草体中香味物质合成与积累的影响。杨兴有等[25]使用NIR、HPLC和GC-MS分析技术对不同光照处理过的烤烟材料进行分析。研究结果显示，中性香味物质总量随光照减弱而明显增加，但当光照减弱到一定程度，中性香味物质又开始减少。水分是烟草生长发育不可或缺的条件，但降水量和土壤中水分含量对烟草烟叶香味物质的影响却是相反。例如采用HPLC分析技术对烟草叶片的香味物质进行分析，研究发现增加田间灌水量能显著提高烟草叶片产生香味物质，而降雨则能淋洗大量烟叶表面脂溶性香气物质[26，27]。杨虹琦等[28]采用HPLC分析技术对来自于云南、贵州、福建、河南、黑龙江5省共10个地区的烟叶材料进行分析。研究表明，随着纬度的降低和海拔高度的升高，烤烟中类胡萝卜素含量逐渐升高。
2.4 不同栽培与调制方式烟草香味物质的比较
不同栽培措施对烟草中香味物质合成与积累影响较大，只有根据各烟区自身的环境条件，找到合适的栽培方式，最大限度地发挥各烟区的自然优势，使各烟区烟叶具有不同风格特色的香味。例如烟草种植密度和叶片数影响着烟叶中性香味物质的含量。因此，赵铭钦等[29]采用GC-MS分析技术在延边烟区对种植密度和留叶数不同的烟草进行检测分析。结果表明，不同种植密度和留叶数对烟叶中性致香物质含量的影响不同，其中当密度为120 cm×50 cm、留叶数为18片/株时，烟叶中性香味物质含量最高，香气质量较好，适宜在延边烟区生产中推广应用。
烟叶调制过程是香味物质前体物降解、香味物质形成和转化的主要时期。因此探索优化调制过程中的条件，最大限度促使烟叶内香味物质前体物大量转化，使得更多的特色香味物质彰显出来。Weeks等[30]运用GC-MS技术分析发现烟叶在调制过程中香味物质新植二烯含量显著增加，但陈化时间过长，其含量则下降，表明新植二烯可发生进一步代谢反应。宫长荣等[31]利用GC-MS技术研究不同烘烤条件下的烟叶香味物质含量，认为以低温慢烤烟叶中香气物质损失较少，内在品质较好。
2.5 代谢组学与其他学科的交叉应用
随着各个学科研究的深入，科学家们逐渐认识到基因组、表达组和蛋白质组水平上的变化不一定能够对烟草香味物质产生实质的影响。而烟草体代谢产生的代谢产物才是烟草体中新陈代谢的最终结果，能够准确反映烟草体中状态，因此只有将各个学科所获得的相关信息联系起来，才能从整体水平研究烟草香味物质对环境变化的响应[32]。任何单一方面的研究对烟草香味物质的理解都是不全面的，因此烟草代谢组学与其他学科的交叉研究是必然趋势。
将代谢轮廓分析与遗传学、基因组学结合在一起展开研究，是烟草代谢组学与遗传学、基因组学交叉领域新兴的研究方向。常爱霞等[33]采用蒸馏萃取和GC-MS分析技术，对有特殊香气大白筋599和具有一般香气的G28烤烟烟叶进行全面代谢轮廓分析，共检测到67种香味物质，其中55种为二者共有，且大白筋599有25种香味物质含量高于G28。剩下12种香味物质为品种特有，其中8种为大白筋599所特有，4种为G28所特有。进一步的遗传分析表明大白筋599的特异香味物质是由单显性基因所控制。另外，有人采用代谢组学与基因组学研究方法对香料烟香味物质进行研究，发现香料烟特征性香味物质是雪松-琥珀香，该代谢物受一个位于A染色体上的基因控制[34]。
由于烟草中大多数香味物质的含量较低，通过育种工程增加某类物质的含量需要漫长时间且效果也不明显，无法在短期内快速有效地改善烟草的香味品质。因此，通过基因工程技术将某些特定的基因导入烟草基因组内或使用农杆菌转化烟草而获得转基因植株，可以快速有效提高烟草的香味品质[35]。李雪君等[36]采用GS-MS分析技术，对转法呢基焦磷酸合酶（Farnesyldiphosphatesynthase，FPS）基因烟草株系（K-4、K-6、K-17、K-35）和未转基因对照的烤后烟叶中类胡萝卜素含量及萜烯类香味物质含量进行分析，研究发现与未转基因对照相比，转基因烟草株系烤后烟叶中8种类胡萝卜素降解产物及茄酮、新植二烯含量都有不同程度的提高，结果表明外源FPS基因在烟草中的表达对烟草香味物质的合成具有促进作用，有利于烟叶品质的提高。
结合细胞生物学研究方法，利用植物细胞培养技术获得高产细胞系，通过调节培养基、激素、光照、温度、胁迫因子等培养条件对培养的细胞系进行处理，最终应用代谢组学研究技术得到稳定可靠的试验数据。Chappeil等[37]采用GC-MS分析技术对处理过的烟草悬浮细胞和未处理对照的细胞培养液进行分析，结果认为向烟草悬浮细胞中加入真菌细胞壁碎片后会导致细胞培养液中香味物质倍半萜产物的积累增加。
3 展望
代谢组学是进行烟草香味物质研究的主要手段之一，目前在烟草香味物质的检测分析以及相关基因功能的研究等方面取得了很大的成功。但从总体来看，代谢组学在烟草香味物质研究中的应用仍然处于发展阶段，在方法学和应用两方面均面临着极大的挑战。
在方法学研究方面，烟草香味物质的复杂性使得研究人员对分析技术的灵敏度、分辨率、动态范围和通量提出了更高的要求[38]。代谢组学研究的深入得益于分析技术的不断发展，如高分辨质谱、超高效液相色谱与质谱联用、毛细管液相色谱与质谱联用和多维核磁共振技术等的使用，为代谢组学在烟草香味物质研究中的应用提供了更加广阔的空间。但是由于缺乏可通用的标准数据库，一定程度上限制了这些技术在烟草香味物质研究中的应用范围。因此完善的烟草香味物质数据库的构建及相应研究的标准化等越来越受到关注。在应用方面，如何从大量的烟草香味物质中找出特异性的香味物质（特别是低丰度的香味物质）是烟草代谢组学发展的瓶颈。能否克服此瓶颈是决定此技术能否广泛应用的一个重要因素。
由于烟草代谢组学存在着这些制约因素，将烟草代谢组学与其他学科整合交叉研究，并且相互验证，是学科发展的必然趋势。目前的研究均是将其他组学两两结合起来研究，如将其他学科全部结合成为一个有机体对烟草香味物质进行研究，将会使烟草香味物质的研究提升到一个前所未有的深度。如“烟草基因组计划”（我国《烟草行业中长期科技发展规划纲要（2006-2020年）》中确定的9个科技重大专项之一）将大规模开展烟草基因组测序和全基因组序列图谱的绘制、揭示基因表达调控的机制、阐明蛋白质组分的表达及功能模式、探索代谢产物变化规律及构建相应的代谢调控网络等，以实现烟草基因组、转录组、蛋白质组和代谢组等数据的整合，建立全面系统的烟草生物信息学数据库，提高对烟草复杂生物学调控网络的认识，这也是未来烟草香味物质研究的重要趋势[39，40]。
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一、代谢微生物概述
代谢组学(metabonomics/ metabolomics) 是效仿基因组学和蛋白质组学的研究思想，对生物体内所有代谢物进行定量分析，并寻找代谢物与生理病理变化的相对关系的研究方式，是系统生物学的组成部分。其研究对象大都是相对分子质量1000以内的小分子物质。先进分析检测技术结合模式识别和专家系统等计算分析方法是代谢组学研究的基本方法。化学分析技术中最常用的是1H核磁共振(1HNMR)以及色谱(毛细管电泳)-质谱联用(X-MS)。目前代谢组数据处理的主要方法是:应用主成分分析(PCA) 等将从原始图谱信息或预处理后的信息进行归类，并采用相应的可视化技术直观地表达出来;建立类别间的数学模型，使各类样品间达到最大的分离，并利用建立的多参数模型对未知的样本进行预测;最终建立可利用的该领域的应用数据库和专家系统。应用代谢组学可进行疾病诊断、对药物进行毒性评价和研究植物细胞代谢等。
二、代谢组学的研究方法
代谢物组学分析中，对于不同类型的代谢产物，往往要采取不同的分析方法进行研究。目前，代谢物组学通常采用红外光谱法( infraredspectroscopy ， IR) 、核磁共振( nuclear magneticresonance ， NMR)、质谱(mass spectrometry ， MS) 、高效液相色谱( high performance liquidchromatography ， HPLC) 以及各种技术的耦联，如气象色谱耦联质谱( gas chromatography2mass spectrometry，GC/MS)和液相色谱耦联质谱(liquid chromatography2mass spectrometry，LC/MS)来分析研究代谢物并为其绘制图谱。这些技术的耦联可以提高对样品的分辨率、敏感性及选择度，有利于对更多的生物体系内的代谢物绘制图谱。一般来说，选择代谢物组学分析方法时，其原则是要同时考虑仪器和技术的检测速度、选择性和灵敏度，找到一种最适合目标化合物的方法。
三、代谢组学在微生物领域的研究进展
(一)微生物分类，突变体筛选以及功能基因研究
经典的微生物分类方法多根据微生物形态学以及对不同底物的代谢情况进行表型分类。最近，随着分子生物学的突飞猛进，基因型分类方法如16SrDNA测序，DNA杂交以及PCR指纹图谱等方法得到了广泛应用。然而，某些菌株按照基因型与表型两类方法分类会得出不同的结果。因此，根据不同的分类目的联合应用这两类方法已成为一种趋势。BIOLOG等方法在表型分类中应用较为广泛，但是，代谢谱分析方法(metabolic p rofiling)异军突起，逐渐成为一种快速、高通量，全面的表型分类方法。采用代谢组分类时，可以通过检测胞外代谢物来加以鉴别。常用的胞外代谢物检测方法为样品衍生化后进行GC2MS分析、薄层层析或HPLC2MS分析，最后通过特征峰比对进行分类。Bundy等采用NMR分析代谢谱成功地区分开临床病理来源以及实验室来源的不同杆菌(bacillus cereus)。除了表型分类外，代谢组学数据可以应用于突变体的筛选。在传统研究中的沉默突变体(即未发生明显的表型变化的突变体)内，突变基因可能导致了某些代谢途径发生变化，通过代谢快照(metabolic snap shot)可以发现该突变体并研究相应基因的功能。
(二)发酵工艺的监控和优化
发酵工艺的监控和优化需要检测大量的参数，利用代谢组学研究工具可以减少实验数量，提高检测通量，并有助于揭示发酵过程的生化网络机制，从而有利于理性优化工艺过程。Buchholz等采用连续采样的方法研究了大肠杆菌在发酵过程中的代谢网络的动力学变化。他们在葡萄糖缺乏的培养液培养的大肠杆菌中加入葡萄糖，并迅速混匀，按每秒4～5次的频率连续取样。利用酶学分析、HPLC/LC2MS等手段监测样品中多达30种以上的代谢物、核苷以及辅酶，从而解析了葡萄糖以及甘油的代谢途径和底物摄取体系。通过统计学分析建模，发现在接触葡萄糖底物后的15～25s范围内，大肠杆菌体内发生的葡萄糖代谢物变化与经典生化途径相符，但随后的过程则与经典途径不符，推测可能存在新的未知调控步骤。Takors认为，通过上述代谢动力学研究，掌握代谢途径及网络中的关键参数，将直接有利于代谢工程的优化，包括菌株的理性优化以及发酵参数的调控。
(三)环境微生物研究
微生物降解是环境中去除污染物的主要途径。深入了解污染物在微生物内的代谢途径，将有助于人们优化生物降解的条件，从而实现快速的生物修复。这些代谢中间体大都通过萃取、分析方法进行逐个研究，并借助专家经验拟合出代谢途径，其动力学过程亦很少触及。代谢组学方法的采用有可能改变这一现状。Boersma等采用代谢组学方法研究氟代酚的微生物降解途径。氟代化合物具有特殊的19F核磁共振属性，19F的核磁共振灵敏度与1H核相近;由于生物体内无内源性19F核磁信号，因而无本底干扰。所有19F核磁信号均可归结于异生素及其代谢物。19F核的化学位移值宽，约为700ppm(1H为15ppm，13C为250ppm)。较宽的化学位移导致19 F在不同取代物的峰图不易产生重叠。因此，借助核磁共振技术可以更方便地研究含氟化合物的代谢中间体。Boersma等根据总代谢物的核磁共振图谱，推测出红球菌内羟化酶在不同的取代位(1，2，3三种不同的取代数量)羟基化氟代酚，然后再通过儿茶酚内位双加氧酶开环形成氟代粘糠酸的代谢过程。此外，他们还首次检测到开环后的下游代谢物，即通过氯粘糠酸异构酶生成氟代粘糠酸内酯以及氟代马来酸等中间代谢物。根际(rhizosphere)空间在植物2微生物相互作用中发挥着重要的作用。Narasimhan等利用根际代谢物组(rhizosphere metabolomics)方法，阐释了植物分泌物对根际微生物降解多氯代酚( PCB)的作用机制。然而，在采用拟南芥突变体(产生较少的phenylp ropanoids)的对照组中，降解菌的数量较低，降解率也仅达50%。结果表明植物根际分泌的次级代谢物促进降解菌的繁衍增殖，从而促进了污染物的降解。
此外，微生物代谢组学还应研究如何改进样品的制备方法。例如，在代谢组研究中，为了中止细胞代谢反应采用冷淬火(cold quenching)方法，将细胞样品迅速置于低温(液氮或-70℃甲醇中)，这会导致许多微生物发生冷休克(cold2shock) ，释放出大量的胞内物质，引起代谢组学定量研究发生偏差。
参考文献：
转基因大豆，是指利用转基因技术，通过基因工程方法导入外源基因所培育的具有特定性状的大豆品种。转基因大豆的研发是转基因作物研发的热点之一，涉及的转基因性状包括对除草剂、虫害、病害及干旱、盐碱等环境逆境的抗性，以及油分、蛋白质、活性物质的含量和组成等，其中针对生产应用开展的品质改良和抗逆研究较多。
2 转基因大豆潜在的健康危害
对于转基因大豆及其制品的安全问题，业内普遍的看法是：转基因大豆的过敏性、毒性、 营养品质改变、生态系统的影响以及生物多样性的影响。
转基因大豆由于其引入外部基因，可能更容易引起人体的过敏反应，转基因大豆及制品导致过敏的事件屡见不鲜。另外，如果引入的抗生素标记基因进入人体，则有可能导致人体内致病菌产生抗药性，从而降低抗生素的临床有效性，也可能使人体对很多抗生素产生抗药性。
有研究表明，转基因大豆的组成物质与非转基因大豆相比有较大的变化，如植物凝血素提高了约1倍，蛋白酶抑制剂高26.7%，而蛋白质和苯丙氨酸明显下降，维生素B2复合体胆碱的含量低29%等，这些组成物质的变化可能会使人体生长缓慢；转基因大豆还含有一种类似雌性激素类化学物质，它会影响人体荷尔蒙，导致人体生殖器官异常，并损害免疫系统。此外，有证据表明，转基因大豆食品与非霍奇淋巴瘤发病率的提高具有一定相关性。
3 转基因大豆食品安全性评价
3.1 评价原则
评价转基因食品安全性，国际上广泛采用的是1993年经济合作发展组织（OCED）提出的实质等同性评价原则，主要内容包括生物学特性和营养成分比较。但是以英国为代表的欧盟国家采用过程评价法，即采用严格的毒性、过敏性、抗性标记基因的实验并对其应用与发展采取严格的过程检测作为安全评价的方法。目前国际上对转基因食品安全性评价基本遵循以科学为基础、实质等同性、个案分析以及逐步完善等原则。在实际检测过程中要综合运用结果评价法、过程评价法、个案分析等。
3.2 评价内容
3.2.1 营养学评价。比较转基因产品与同/近基因型亲本的传统品种概略养分差异，包括粗蛋白质、碳水化合物、脂肪酸、纤维素、维生素、矿物质；全面分析氨基酸、脂肪酸的组成和含量变化；测定抗营养因子含量。
3.2.2 过敏性评价。若导入基因来自已知含有过敏原的生物，其编码的蛋白质是在转基因产品的食用部分表达，则不论是常见或不常见的过敏原，均需确定该基因是否编码某一种过敏原，转基因产品用于食品时，还必须进行人的临床试验来确定其过敏性，如皮肤穿刺试验等。
[中图分类号]S513 [文献标识码]A [文章编号]1003―1650（2016）03―0099―01
1全球及中国转基因作物商业化发展态势
2015年转基因作物已实现商业化种植20年，转基因作物种植面积正在持续增加。据国际农业生物技术应用服务组织统计，截至2014年全球已有28个国家的1800万农民种植了1.81亿公顷的转基因作物，是1996年种植面积的106倍。实践表明，转基因作物对农业的可持续发展作出了重大贡献。来自ISAAA的综合分析表明，转基因作物在1995年至2014年间产生了多重重大效益：采用转基因技术降低了37%的化学农药的使用率，提高了22%的作物产量，农民利润增加了68%。
随着中国的经济社会发展以及农业产业结构调整，中国的粮食需求仍不断增加，比如每年进口玉米和大豆持续增加，而其中90%为转基因产品，特别是中国作为大豆的主要消费国，进口的大豆占全球出口总量的65%。一直以来，中国正积极推进转基因作物的研发工作，转基因抗虫玉米等作物的研发和未来的商业化应用对中国和全球的粮食和饲料需求都有巨大的贡献潜力。
2玉米转化事件在全球商业化应用现状
转化事件（GM event）是指在遗传转化过程中外源DNA与植物基因组DNA发生特异性重组进而通过组织培养而得到的植株个体。因此，本文涉及的转化事件不包括通过常规育种方法将不同的转化事件聚合而得到的转基因植物。转基因作物从研发到商业化应用至少包括初级研发阶段，高级研发阶段，监管阶段，商业化预备阶段及商业化应用阶段。初级研发阶段包括基因挖掘，转化事件的创制、筛选及评价，一般需要3-5年进入高级研发阶段；高级研发阶段是指尚未进入监管阶段的转化事件，但已进入研发阶段的后期并为监管申请提供试验数据，将在7-8年左右实现商业化；监管阶段是指已经至少提交一个国家进行监管申请，并有可能在2―3年内获得许可并商业化应用；商业化预备阶段是指在全球范围内至少获得一个国家规模化种植的许可，但尚未实现规模化种植、生产和销售，是否实现商业化取决于的研发商的决定；商业化应用阶段是指在全球范围内至少有一个国家实现规模化种植、生产和销售。
目前已有16个转化事件实现了商业化生产，涉及的性状包括除草剂耐性（草甘膦，草铵膦），抗虫性状（鳞翅目害虫，鞘翅目害虫），生理性状改良（水分利用效窜和品质改良（淀粉酶含量）4类性状。就目的基因而言，16个转化事件共涉及Bt基因10个，在16个已经实现商业化生产的转化事件中，美国是全部批准商业化种植的国家之一；在欧盟，MON810早在1998年就获得商业化种植的许可，Bt11等12个转化事件已获得批准用作加工原料，但尚未获得批准商业化种植3272，5307和Bt176等3个转化事件尚未获得批准用作加工原料和商业化种植在中国，除了转化事件5307以外的15个转化事件均获得进口用作加工原料的许可。据统计，自2011年以来，我国进口的转基因玉米逐年增加，2014年进口500万吨。
3转基因玉米产品线研发趋势与展望
3.1玉米规模化转基因技术体系日趋成熟
工厂化流水线式的规模化转基因技术体系是获得并实现玉米转化事件商业化化应用的平台保障。玉米规模化转基因技术体系采用的主要方法是基因枪法和农杆菌介导法。规模化的转化体系需要高效的筛选体系，采用抗生素筛选标记基因筛选玉米转化事件存在安全性问题，利用双T-DNA载体是一种较方便的删除选择标记基因的方法，将选择标记基因和目的基因放置在2个T-DNA上，双T-DNA在转基因植株后代分离，筛选只含目的基因而不含标记基因的转基因植株。比如，孟山都公司开发的MON810，MON863等转化事件采用了上述策略删除了抗生素标记基因nptll。先正达公司开发的正向选择系统――甘露糖异构酶基因pm i筛选系统规避了后期通过同源重组删除标记基因的繁琐步骤，如已经商业化的玉米转化事件MIR162，MIR604等。此外，随着玉米转化体系的优化，除草剂耐性基因pat epsps等不仅可以作为目标性状而且可以作为筛选标记用于玉米转化事件的创制，如孟山都公司的MON88017，陶氏杜邦公司的TC1507等玉米转化事件。
3.2功能基因改良及资源挖掘呈多样化趋势
