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药用植物是世界各民族传统药物的主要来源,是现代药物开发利用的重要源泉。对重要药用植物类群的整理、挖掘和现代研究,一直以来是中医药传承和创新发展的重要组成部分。唇形科（Lamiaceae）黄芩属（Scutellaria）植物在世界范围内广泛分布,全球约有360-469种植物,其中约72个种或变种在世界各地作药用。我国约有126种或变种,其中约45个种或变种有传统药用记载。现代研究表明,该属植物具有抗肿瘤、抗炎、抗氧化、抗病毒、保肝和神经保护等多方面的显著活性,显示黄芩属蕴含丰富的药用植物,为一类重要的药用植物类群,值得深入挖掘和利用。然而,除了黄芩（Scutellaria baicalensis Georgi）和半枝莲（Scutellaria barbata D.Don）等少数几个种得到较深入的研究外,大部分黄芩属植物的化学成分和药理活性研究较少或没有得到研究。同时由于物种数多且性状变异复杂,该属植物的分类和亲缘关系不清。因而需要从系统生物学的角度对该属进行综合研究,揭示不同来源物种的药用亲缘关系,以期发现新的药用资源和活性成分。为此,本论文基于药用植物亲缘学理论,采用叶绿体基因组技术揭示中国产黄芩属35种植物亲缘关系;采用植物代谢组学技术揭示该属植物主要成分的分布规律;采用体/内活性研究揭示该属植物的抗肿瘤活性特征;并从系统的角度分析了黄芩属植物亲缘关系-化学成分-活性之间的可能存在的内在联系。具体研究内容及结果如下:1.黄芩属植物物种数多且性状变异复杂,经典的形态分类分歧大,没有得到有效统一。本研究采用叶绿体基因组构建系统发生树,为合理探讨黄芩属药用亲缘关系提供参考背景。通过二代高通量测序技术首次报道了中国24种黄芩属植物叶绿体基因组.:长度在151574-152591 bp之间,平均GC含量为38.34%;共注释了 1 13个基因,包括80个蛋白编码基因、29个tRNA和4个rRNA。并与已发表的其它11种黄芩属植物的叶绿体基因组一起进行了比较分析和系统发育树的构建:发现了丰富的简单序列重复位点,其中单核苷酸重复位点所占比例最高,五核苷酸重复位点所占比例最低;发现16个高变区可作为潜在的DNA条形码。研究结果不仅初步揭示了中国黄芩属主要药用物种的亲缘关系,而且推动了黄芩属植物的分子系统构建。2.天然产物是药用植物活性物质基础和新药发现的重要来源。黄芩属为丰产药物类群,但大部分物种化学成分研究较浅或尚为空白。系统分析和比较该属化学成分分布规律是揭示黄芩属药用亲缘关系、发现潜在药用资源和活性成分的基础。本研究采用UPLC-Q-TOF-MS技术首次对35种中国黄芩属植物进行了代谢组学分析:共在线鉴定出196个化合物,包括118个黄酮类化合物、30个二萜类化合物、5个吡喃酮苷类化合物、3个苯乙醇苷类化合物和其它类化合物39个。其中有85个化合物是首次在黄芩属植物注释到;基于特征数据矩阵的多元统计分析将35种植物基本归为两大组,与基于叶绿体基因组构建的分子系统发育树基本吻合;同时,还鉴定出不同组黄芩属植物的差异化学成分,发现不同组黄芩属植物主要差异化学成分与其传统功效存在一定的联系。研究结果为揭示黄芩属植物化学成分分布规律和黄芩属药用亲缘关系的阐明提供了基本数据,同时也为黄芩属潜在药用植物资源的开发利用奠定了基础。3.黄芩属植物中部分药用植物和化学成分抗肿瘤活性显著。但黄芩属植物抗肿瘤作用和分子机制的全局分析仍然有限。本研究首先运用网络药理学方法建立其抗肿瘤活性成分-靶点-通路-疾病的分子网络,分析结果显示:黄酮类及二萜类化合物是黄芩属植物抗肿瘤的主要活性成分,其中芹菜素、黄芩素、半枝莲碱G等为排名靠前的10个潜在关键活性成分;相关作用靶点86个,肿瘤相关通路203条,经拓扑筛选获得关键靶点为AKT1、EGFR、VEGFA和HSP90AA1等;GO功能与KEGG富集分析显示,黄芩属植物主要成分可能通过调节PI3K-Ak、Estrogen、HIF-1和FoxO等信号通路抑制肿瘤细胞的增殖、侵袭,抑制肿瘤血管生成,减轻炎症反应等。分子对接结果显示潜在关键活性成分与核心靶点具有稳定的结合。为验证网络药理学分析结果,进一步采用肿瘤细胞体外生长抑制方法（蛋白染料磺酰罗丹明B染色法）,基于3种人源肿瘤细胞,测定了芹菜素、黄芩素和合金欢素等14种化合物以及35种黄芩属植物的甲醇提取物,并对活性较高的提取物进行了代谢组学和主要活性化合物含量测定分析。结果发现:黄酮苷元普遍对各肿瘤细胞有较好的抑制活性,特别是木犀草素和黄芩素对人肺癌A549细胞、人肝癌Bel7402细胞和人结直肠癌HCT116细胞均具有显著的抑制活性;京黄芩黑龙江变种的提取物表现出较突出的人肝癌细胞和人结直肠癌细胞抑制作用,京黄芩提取物表现出较好的人结直肠细胞癌抑制作用,量效关系分析显示其中化合物白杨素、木犀草素、芹菜素、黄芩素、汉黄芩素可能是京黄芩及其黑龙江变种发挥抗肿瘤活性的主要活性化合物;滇黄芩根部对三种肿瘤细胞也有一定的抑制作用,滇黄芩根部中的黄芩素、白杨素、汉黄芩素以及高含量的黄芩苷、汉黄芩苷、野黄芩苷与千层纸素A可能是其抗肿瘤活性化合物。研究结果不仅部分验证了网络药理学的分析结果,为黄芩属植物进一步抗肿瘤活性研究提供了方向。同时本实验中超过一半以上的黄芩属提取物为首次进行抗肿瘤活性研究,可为黄芩属植物抗肿瘤活性资源的发现提供有益参考。4.黄芩茶主要由黄芩的地上部位制成,传统作为代茶饮,具有清热燥湿、降火解毒等功效。基于对黄芩属植物药用亲缘学的分析和前期研究,提示黄芩茶可能具有较好的防治肿瘤作用,为了验证这一假设,本研究对黄芩茶化学预防结直肠癌作用及其机制进行研究,结果发现:黄芩茶能够显著抑制氧化偶氮甲烷诱导的异常隐窝病灶形成;可显著降低IL-1β,IL-6,IL-10,TNF-α以及升高IFN-γ等炎症因子的水平;结合伪无菌大鼠模型,发现调节肠道菌群是黄芩茶预防结直肠癌作用的重要途径,16S rDNA测序分析表明,黄岑茶可通过增加有益菌群（Lachnoclostridium,Alistipes,Roseburia,Lactococcus）的丰度,降低 Bacteroides、Parasutterella 和unidentifiedClostridiales水平来调节肠道菌群结构;粪便代谢组学显示,黄岑茶可改善氧化偶氮甲烷诱导的代谢紊乱,这些发生改变的代谢物主要参与脂质代谢途径,且与肠道菌群变化之间有相关性。本研究表明黄芩茶可通过降低炎症、调节肠道菌群结构和改善代谢紊乱来抑制氧化偶氮甲烷诱导的异常隐窝灶形成,表明黄芩茶有潜力作为预防或治疗结直肠癌的药用资源和功能性饮料。5.为了揭示黄芩属植物的药用亲缘关系,本文基于上述研究结果,并结合相关文献报道,对中国黄芩属植物亲缘关系-化学成分-活性（传统疗效和药理活性）之间的联系进行了探讨。囊萼黄芩亚属植物、黄芩亚属的膜苞黄芩组和顶序黄芩组的狭叶黄芩亚组植物,亲缘关系近,聚为一个类群,都具有发达的根部。该类群植物常以根部入药,包含的高含量的黄酮类化合物可能与清热解毒、祛湿的传统疗效和抗肿瘤、抗炎、抗氧化、保肝等的药理活性相关。此外,连钱黄芩亚属植物与黄芩亚属的其他类群可归为一大类。此大类植物通常根茎不发达,常以全草入药。黄酮类和/或二萜类化合物为该类群植物的主要化合物,可能与清热解毒、祛湿、消痈、消肿等传统功效和抗肿瘤、抗炎等药理活性相关。对我国黄芩属植物药用植物亲缘学的探讨可为黄芩属药用植物资源的深入开发提供科学的理论依据。综上所述,本论文从分子系统学、代谢组学和抗肿瘤药理活性等多个视角,整合了多层次研究数据,对中国黄芩属植物的药用亲缘关系进行了较为系统地研究和探讨。研究结果可为黄芩属植物活性天然产物和抗肿瘤活性植物资源的发现提供方向,为该属植物的进一步深入研究和开发利用奠定了良好基础。