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中药材是所有中药产品发挥防病治病作用的源头物质。中药材生产环节的稳定规范是支撑整个中药产业链条健康有序发展的首要环节。当前中药材生产领域面临两大主要挑战,一是作为中医理论指导下的药物,中药材的质量具有独特内涵,对此应该如何表征和控制;二是作为普遍的生物来源的产品,中药材中大量濒危植物入药使用给生物多样性构成威胁,对此该如何平衡人类的需求和自然的供给。不同于一般化学药品,中药材因为兼具中医属性和生物属性而具有自身鲜明的特点。因此对中药材的生产和管理需要创新符合中药自身特色的理念和技术以应对上述来自于质量和资源的双重挑战。近年来逐渐兴起的以代谢组学为代表的各种“组学”新技术,因为在方法兼顾了综合分析和特征筛选的特点,尤其契合于中医的整体观和辩证观思想,受到中药和农业相关研究领域的广泛推荐。代谢组学以生物体中所有小分子代谢物为研究对象,所揭示的事实既可以从活性代谢物的角度直接反映中药的质量特征,也可以从代谢调控角度解释植物生长发育的过程,有望成为中药材应对质量和资源挑战的有力工具。本论文以两味典型的川产药材——川牛膝(Cyathula officinalis Kuan)和华重楼(Parispolyphylla Smith var.chinensis(Franch.)Hara)——为研究对象。然后针对川牛膝生产中存在的质量隐患问题,以及华重楼生产中面临的资源匮乏问题,分别选取3个角度进行研究。川牛膝质量隐患问题分别从保证基原准确(鉴别川牛膝及其常见伪品)、规范生产过程(确定川牛膝药材最佳采收年限)、完善质量标准(修订川牛膝炮制品标准)的角度考量,华重楼资源匮乏问题分别从替代资源入药的可行性(开展法定品种与非法定品种的质量一致性评价)、高产育种的方向性(筛选高产华重楼的形态标记)、加快人工栽培瓶颈技术的攻克进程(认识种子萌发过程的代谢变化)的角度考量。在研究策略上,充分借鉴代谢组学的思想和技术,主要以高效液相色谱仪、气相色谱-质谱联用仪、液相色谱-质谱联用仪等为检测平台,以主成分分析、偏最小二乘分析、聚类分析等多变量统计模型和代谢通路数据库为分析工具,在全面揭示药材受自身发育或外界影响条件下的代谢物变化特征的基础上,更加深入地解释道地川牛膝药材质量的代谢表型和影响因素,以及更加深入地探讨华重楼种质资源的开发利用价值和资源再生的途径,旨在最终为药材的规范化生产和可持续利用提供科学指导和技术保障。研究主要取得以下结果:1.针对川牛膝质量隐患问题:证明了种质类型、炮制方法、生长年限3个因素对川牛膝质量的影响,建立了相应的基于代谢指纹图谱的川牛膝基原鉴别和质量评价方法,指出了现行川牛膝质量标准的存疑之处,筛选了川牛膝若干潜在质量标志物。(1)川牛膝与麻牛膝在代谢组层次上具有显著差,临床使用时应当予以区别。该差异的表现,即包括代谢组轮廓的总体差异,也包括重要活性成分的含量差异。该差异的产生,主要来自于丁酸甲酯代谢途径,丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢途径,谷胱甘肽代谢途径和苯基丙氨酸代谢途径。实验所建立的基于液相色谱-质谱平台并联合使用主成分分析和聚类分析的方法可以成为鉴别川牛膝与麻牛膝的有力工具。γ-氨基丁酸、东茛菪亭、多奈哌齐、甜菜碱等代谢物有望成为解释川牛膝药理活性以及鉴别混伪品的潜在质量标志物。(2)川牛膝根在1-4年之间,随生长年限增加具有不同的代谢组轮廓特征。1、2、3、4年生药材之间主要区别于如下15个代谢物:葡糖酸、木糖醇、戊糖酸、派可林酸、核糖酸、甘露糖、草酸、乳糖醛酸、乳酸、1,2,4-丁三醇、丙酮醇、3-羟基丁酸、柠苹酸、氨甲酰谷氨酸和纤维二糖。为了提高药材不同批次间的质量一致性,川牛膝以播种后第4年采收为最佳。本实验所建立的基于GC-MS平台,联合使用主成分分析、聚类分析、偏最小二乘判别分析等多变量统计分析的方法有潜力作为鉴别川牛膝根生长年限的有力工具。(3)酒炙和盐炙对川牛膝药材内在化学成分的种类构成和含量水平具有显著影响。酒炙处理至少对其中的17个成分(液相色谱峰)产生了显著影响,而盐炙处理至少对其中的11个成分(液相色谱峰)产生了显著影响。葛根素、杯苋甾酮、大豆苷元3个已知的药效成分含量经酒炙后均未得到显著的提升,经盐炙处理后也仅有葛根素含量得到一定提升。因此关于川牛膝酒炙品和盐炙品的质控指标成分值得进一步研究,而本实验所建立的液相色谱指纹图谱中P3号色谱峰的存在,为新质控指标的筛选提供了良好的线索。此外,实验所建立的HPLC指纹图谱,结合主成分分析、聚类分析、指纹图谱相似度比较等方法可以用于川牛膝生品、酒炙品、盐炙品之间的鉴定以及炮制过程的质量一致性评价。2.针对华重楼的资源匮乏问题:评价了筛选替代种质、选育高产品种、促进人工栽培3条途径对解决华重楼资源危机的可行性和关键点,建立了基于代谢指纹图谱的华重楼基原鉴别和质量评价方法,提出了华重楼高产选育的形态指标,揭示了华重楼种子萌发过程的代谢组变化总体特征和关键调控通路及代谢物。(1)华重楼与其两种近缘种质(代号SY重楼、DY重楼)3种不同类型的基原种的重楼皂苷总含量之间无显著性差异,相应化学指纹图谱与对照指纹图谱的平均相似系数之间亦无显著差异。因此SY重楼和DY重楼作为华重楼的替代资源入药使用在药材的有效性和一致性方面均具有一定的合理性。但是3种不同重楼基原种的总皂苷含量均含量分别为0.16%、0.12%、0.12%,均不及《中国药典》规定标准,而且各自指纹图谱相似度的种内变异较大,因此影响重楼药材质量的主要因素除了遗传差异外还有其它重要因素。考虑到在本研究中3种重楼均由野生条件移栽至相同栽培条件下管理1年,因此造成重楼质量差异的主要因素除遗传差异外可能与植物的自身发育阶段如生长年限密切相关。本研究所建立的高效液相指纹图谱联合多变量统计分析的方法可以用于评价重楼不同基原种药材的质量一致性。从本研究所建立的高效液相指纹图谱中筛选得到8个色谱峰对图谱相似性影响较大,在质量评价中应予以重点关注。(2)选育高产品种是生产上扩大华重楼药材供给的重要途径。合理株型是作物高产品种的生育基础和形态特征,也是品种选育的重要方向。华重楼野生种质资源存在广泛的形态变异,变异幅度由高到低依次为皂苷含量、根茎干重、叶柄长、茎长、花瓣长、花梗长、萼片长、叶宽、叶长、萼片宽、叶片数、雄蕊数、花瓣数;华重楼各形态性状之间存在较强的相关性,主成分分析显示其大体上综合反映了华重楼的光合部位发育和生殖部位发育特征;重楼皂苷Ⅶ、Ⅵ、Ⅱ、Ⅰ总含量介于0.02%-0.87%之间,平均含量0.13%,与其它各农艺性状无显著相关性。华重楼高产选育应当重视具有大叶片、大萼片、高茎秆特征的种质资源的利用。(3)通过人工催芽华重楼种子生产实生苗的方式,可以迅速形成华重楼种苗的规模供应能力,有助于促进华重楼药材彻底走出资源困境。华重楼种子萌发困难原因主要由于种胚发育后熟所致。在本实验所使用的人工培养条件下大约160天可以顺利发育成正常幼苗。整个种子萌发过程根据其代谢轮廓总体差异可以分为3个主要的阶段:种胚后熟阶段、胚根发育阶段、幼苗建成阶段。华重楼种子萌发过程涉及大范围代谢调节行为,本实验通过GC-MS平台检测到超过150个代谢物在萌发过程中发生了显著的含量变化,可能涉及15个关键的代谢通路,分别为:氨酰基t-RNA合成途径、丙氨酸、天冬氨酸、谷氨酸代谢途径、甘氨酸、丝氨酸、苏氨酸代谢途径、氰基氨基酸代谢途径、半胱氨酸和蛋氨酸代谢途径、硫代谢途径、精氨酸和脯氨酸代谢途径、光合作用固碳途径、赖氨酸合成途径、谷胱甘肽途径、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸合成途径、TCA循环途径、乙醛酸和脱羧基途径、泛醌和辅酶A途径、嘧啶代谢途径。