博落回資源為示范的中藥材全產業鏈研究與綜合利用△

曾建國

[湖南農業大學 國家中藥材生產(湖南)技術中心，湖南 長沙 410128]

·專論·

博落回資源為示范的中藥材全產業鏈研究與綜合利用△

曾建國*

[湖南農業大學 國家中藥材生產(湖南)技術中心，湖南 長沙 410128]

博落回為新發掘的農用產品之重要中藥資源，是異喹啉類生物堿尤其是血根堿重要的來源植物，在歐洲已作為飼用抗生素重要的替代產品來使用(如Sangrovit)，本文介紹湖南農業大學“獸用中藥資源與中獸藥創制”國家農業科研杰出人才研究團隊從資源生物學、野生變家種、資源化學、品質評價與代謝分析、綜合利用開發等方面進行的博落回全產業鏈研究。

博落回；全產業鏈

博落回資源在我國共有兩個種，分別為博落回Macleayacordata(Willd)R.Br.和小果博落回Macleayamicrocar-pa(Maxim.)Fedde，系罌粟科博落回屬植物，是異喹啉類生物堿(B1As)血根堿的重要來源植物。作為新發掘的農用產品之重要中藥資源，湖南農業大學“獸用中藥資源與中獸藥創制”國家農業科研杰出人才團隊對博落回展開資源與生態、生物學、育種與栽培、采收及產地初加工、資源化學與提取工藝、品質評價與代謝分析、綜合利用等的全產業鏈研究與開發。

1 資源調查與適宜生態因子研究

1.1 資源分布調查

博落回主要分布在中國湖南等16個省，據報道在俄羅斯、德國和日本也有分布[1]。為了系統研究博落回和小果博落回的資源分布情況并采集種質資源，研究團隊連續3年分別在全國16個省對博落回和小果博落回野生資源進行調查，在16個省、71個市(縣)中采集博落回(包括小果博落回)樣本。博落回(大果)主要分布在湖南、安徽、福建、廣東、廣西、貴州、河南、湖北、江蘇、江西、浙江11個省，小果博落回主要分布在甘肅、湖北、河南、山西、陜西、四川、重慶7個省，發現湖北省和河南省同時分布博落回和小果博落回的野生資源。團隊共采集了2000份大果博落回和小果博落回種質資源(包括種子)，并通過GPS和拍照記錄了樣本博落回和小果博落回的野生居群小環境、生物學性狀等指標及其海拔、經緯度等圖像和數據。其中將600份根移栽到湖南農業大學博落回資源圃中并采集土壤擬進行氮(N)、鉀(K)、磷(P)等營養元素和微量金屬元素分析。

1.2 基于品質的適宜生態因子研究

分別對采集的2000份樣本的根、莖、葉、果實測定血根堿、白屈菜紅堿、原阿片堿、別隱品堿4個代表品質的生物堿，獲得超過3萬條數據，以血根堿含量為品質指標篩選優勢種質資源100份。同時，本團隊還對移栽的600份博落回(包括小果博落回)與其在野生環境中生長的果莢生物堿含量進行測定和比對分析，目的通過屏蔽環境差異前后研究生物堿代謝累積水平與適宜生態因子及遺傳因子的關系。整合分析不同生境條件下博落回中生物堿代謝累積量水平及生物量、土壤中相關元素以及生態因子數據(依據國家地理信息數據濕度、日照、降雨等)最后獲得博落回種植最佳環境生態因子，為野生變家種栽培技術提供支持。

1.3 形態學研究

初步研究表明，博落回葉表面被白粉，通過掃描電鏡研究顯示為葉片表面長條狀蠟質，表面蠟質與博落回的抗逆性相關，干旱脅迫下葉片表面蠟質變厚，氣孔表面也開始著生蠟質(見圖1、2)。通過研究顯示根為冬季生物堿的存儲器官，并初步推斷博落回根中這些生物堿主要累積在根的木栓層組織中(如圖3、4)。

圖2 干旱脅迫下博落回葉片表面

圖3 夏季博落回根

圖4 冬季博落回根

同時，對博落回莖、花粉和果穗及其他部位進行系列形態觀察研究。

2 生物學研究

2.1 組培研究

建立博落回體細胞再生體系[2]，通過博落回花藥離體培養技術培育出了博落回單倍體材料，為下一步博落回加倍單倍體(DH系)的構建提供基礎數據[3-4]，研究工業化生產博落回毛狀根作為B1As原料的可能性。

2.2 細胞生物學研究

研究博落回中血根堿的合成轉運與貯存規律，通過組織化學染色分析發現血根堿主要存在于博落回根部的中柱鞘外薄壁細胞和導管周圍。莖和葉柄中的生物堿主要出現在維管束周圍，偶爾也出現在莖的髓細胞中[5]。為進一步揭示博落回中血根堿的合成，本團隊利用激光顯微切割結合HPLC-MS/MS等技術，實現生物堿專屬及準確的組織化學定位及定量，初步推測博落回根中這些生物堿的合成、轉運和積累的組織分別為韌皮部、木質部維管束和木栓層[5-7]。

2.3 轉錄組研究

完成了博落回和小果博落回轉錄組高通量測序[8]。通過對不同時間、不同組織進行轉錄組、蛋白質組和代謝分析，初步探索了博落回屬植物的生物堿生源合成機制，并對參與血根堿合成的相關功能基因進行預測，為博落回屬植物血根堿通路功能基因克隆和驗證提供前期研究基礎。

2.4 基因組與合成生物學研究

團隊與諾禾致源合作于2014年完成了博落回全基因組測序、組裝，與中國農業科學院蔬菜花卉研究所合作進行基于多組學研究血根堿代謝合成。通過不斷篩選候選基因和酵母異源表達，成功找到了參與血根堿與白屈菜紅堿生源合成的14個基因；另外基于Zenk等[9-11]在罌粟中推測的血根堿合成路徑，利用同位素示蹤技術，從基因組水平確證了該生源合成途徑，并發現博落回中可能存在的血根堿和白屈菜紅堿生源合成旁路。Martin將罌粟中血根堿合成通路上的10個基因重組到釀酒酵母中，并能從(R，S)-norlaudanosoline產生二氫血根堿及其氧化衍生物血根堿[12]，團隊利用微生物代謝工程技術將博落回中參與合成血根堿和白屈菜紅堿的基因導入酵母中構建工程菌，旨在通過快速、高效、低成本合成血根堿與白屈菜紅堿，并期望獲得更大的有價值的表達效率，為血根堿天然藥物的生物制造帶來可能。

此外，博落回雖然屬于罌粟科植物，我們通過分析博落回基因組注釋數據未發現博落回中有合成嗎啡的相關基因，也未發現嗎啡生物合成必備的多個前體化合物，證明博落回根本不能合成嗎啡。以上這些工作以《全基因組視野下研究博落回中BlAs生源合成》為題于2017年1月已發表于Molecular Plant[ 13 ]。

2.5 宏基因組學研究

從2015年開始先后采集不同區域、不同品種、不同腸道部位的3000多個雞腸道內容物樣品，完成了500多個組合樣測序，構建了超過9.1 M的雞腸道宏基因集。與中國農業科學院農業基因組研究所和中國農業大學合作，正在采用宏基因組學方法研究血根堿與雞腸道菌群互作，通過腹瀉模型、炎癥模型等尋找血根堿對微生物區系的變化和微生物代謝相關基因情況，從而探討血根堿調節腸道菌群與抗炎機制。

3 育種與栽培技術

3.1 常規育種

博落回多處于野生資源狀態，利用雜交育種，已選獲雜交變異(如三角形果等)品種，還獲得博落回和小果博落回其他雜交種(見圖5)、不同產地博落回雜交種；通過化學、輻射誘變處理種子誘發博落回基因和染色體畸變，在短時間獲得有價值的新突變體，挖掘關鍵調控基因獲得研究樣本，以期定向培育高產生物堿或目標生物堿的優良品種。

圖5 博落回和小果博落回雜交種

3.2 分子輔助育種

在全基因組數據支持下，利用SSR等分子標記技術，對博落回遺傳多樣性進行研究[14]，為今后利用分子標記技術、選育高生物堿含量的博落回提供基礎，將選出的優勢博落回植株進行雜交，可以拓寬遺傳基礎，發掘有利基因，從而促進博落回的遺傳改良和新品種培育。

3.3 野生變家種栽培技術

博落回往往在拓荒燒山和開掘公路時，容易生長。其種子休眠期長，表觀看來易種植，實際上野生居群的生長已經實現了對土壤肥力等生境的自然選擇，然而規?；曳N，其肥力、病蟲草害卻成了技術瓶頸。為解決野生資源不足的狀況，通過開展博落回野生變家種研究和規范栽培推廣(見圖6)，以期解決既提高博落回果莢產量、又提高其品質的技術，在湖南瀏陽、新寧以及安徽等地建立博落回種植基地，為博落回作為重要的獸用中藥資源實現規模產業化奠定了基礎。

圖6 博落回野生變家種栽培

3.4 采收及產地初加工技術

博落回作為大型多年生草本植物，在生長初期全草能暫時累積一定量的異喹啉類生物堿(BIAs)，研究發現采用二茬栽培方法也許是提高栽培效益的手段，即在5月左右割去地上部分，用于提取或其他，對二茬生長結果率影響不大。博落回根其實也是積累BIAs的主要器官，可采挖3年后的根用作原料，殘留須根自然可成苗(可能會暫時性影響當年的產量)，這一系列的采收方法值得進一步研究。博落回的生物學及產地品質評價等研究應基于鮮博落回藥材烘干的產地初加工技術[15-17]。

4 資源化學與提取工藝研究

4.1 質譜導向分離博落回中異喹啉類生物堿

博落回中的BIAs，具有獨特的質譜裂解規律。我們研究了芐基四氫異喹啉、阿樸啡、吐根堿、白屈菜、雙芐基四氫異喹啉、四氫原小檗堿、N-甲基四氫原小檗堿、普羅托品、嗎啡、苯酞異喹啉、水仙環素、Anortianamide、苯并菲啶二聚體、二氫苯并菲啶、7，8-二氫原小檗堿、苯并菲啶、原小檗堿、苯并喹啉以及四氫苯并喹啉等19大類生物堿的質譜裂解規律。利用這些質譜裂解規律初步鑒定不同時期博落回屬植株根、莖、葉、花、果實中的異喹啉類生物堿，目前共鑒定芐基四氫異喹啉、四氫原小檗堿、N-甲基四氫原小檗堿、普羅托品、苯并菲啶二聚體、二氫苯并菲啶、7，8-二氫原小檗堿、苯并菲啶、原小檗堿、苯并喹啉以及四氫苯并喹啉等11類共151個異喹啉類生物堿，值得一提的是其中包括25個罕見的糖苷類生物堿[18-20]。為了更進一步通過核磁共振(NMR)確定這些生物堿的結構，利用質譜作為“眼睛”，結合多維制備液相對博落回屬植株中的生物堿進行追蹤分離，從2013年至2016年共分離到40余個生物堿(因部分新化合物未發表，故僅列出已發表的化合物)[21-23]。對分離得到的生物堿通過1D-NMR、2D-NMR以及高分辨質譜最終確定其結構(見圖7)。對于一些具有手性碳的生物堿，為了確定其構型，我們將其培養成晶體，通過晶體衍射的方式確定其構型。以生物堿23與24為例來說明質譜導向分離的過程，在質譜分析的過程中，我們在博落回的根中發現以前從未報道過的質合比：m/z394.164 7以及378.138 8，通過精確分子量的計算以及二級質譜，我們初步判斷這兩個化合物為新二氫苯并菲啶類生物堿。我們在質譜的追蹤指導下通過反復硅膠柱層析以及半制備液相最終分離到這兩個化合物，通過核磁共振以及單晶衍射技術最終確定他們的結構為6位氫被羥乙基取代的二氫苯并菲啶類生物堿消旋體(見圖8)[24-25]。另外，我們還發現大量的含氰基的生物堿，也許是該植物毒性的重要來源。

4.2 結構修飾具有成藥性價值的異喹啉生物堿

異喹啉類生物堿具有抗炎、抗菌等廣泛的藥理活性，因此，除了從博落回屬植株中分離異喹啉類生物堿，我們還通過化學合成的方法半合成了60余個包括生物合成通路中的異喹啉類生物堿[26-28](見圖7)。與香港浸會大學合作對系列異喹啉類生物堿進行抗菌、抗炎、抗腫瘤、抗埃博拉、抗HIV以及抗流感的活性篩選，發現化合物血根堿(12)以及二氫血根堿(18)具有非常好的抗腳氣真菌的作用，具有開發成一類新藥的潛力；生物堿37具有很好的抗埃博拉病毒的作用。

團隊還研究發現季銨類苯并菲啶生物堿(QBAs)的季銨正離子中心對化合物的色氨酸脫羧酶(DDC)抑制活性具有重要影響，還原產物二氫苯并菲啶類生物堿不具備DDC抑制活性。構效關系研究表明，QBAs類生物堿母核結構N-甲基菲啶鹽酸鹽同樣具有顯著的DDC抑制活性，其中含有酚羥基的N-甲基菲啶季銨鹽衍生物的DDC抑制活性比血根堿有顯著提高。N-甲基菲啶季銨鹽應該是一類新穎的DDC抑制劑[29]。

圖7 從博落回不同部位中分離到的異喹啉類生物堿

圖8 生物堿23a、23b與24a、24b的單晶圖譜

隨后，對QBAs類生物堿血根堿進行了進一步結構修飾，合成得到全新的N-甲基-2，3，7，8-四羥基苯并菲啶季銨鹽(THQB)(專利申請號：2016110400508)?；钚匝芯勘砻鱐HQB對腸道菌群分泌的多巴脫羧酶(DDC)的抑制活性較血根堿提高一個數量級，與商品化的多巴脫羧酶抑制劑比較，該化合物具有全新的作用機制。此外，該化合物對抗鏈球菌溶血素具有顯著的抑制活性，IC50=0.06 μg·mL-1，顯示有抗菌藥替代品開發前景。目前已基于可見光氧化還原催化策略合成了數十個QBAs生物堿衍生物[26]。

4.3 博落回中主要生物堿標準化提取工藝

血根堿和白屈菜紅堿(苯并菲啶類生物堿QBAs)、原阿片堿和別隱品堿(普羅托品類生物堿PAs)為博落回中含量最高的兩大類生物堿。為了充分利用這兩類生物堿，首先基于血根堿與白屈菜紅堿開發了相對穩定的QBAs的提取工藝(均為季胺堿，以原堿計總含量不低于60%)[30]；在提取QBAs同時將水溶性稍好部分利用大孔吸附樹脂分離制得普羅托品類總生物堿(Pas總堿超過50%)提取物[31]，將博落回資源開發出2個二類新獸藥產品(博落回總堿和博普總堿)。我們可以百千克級工業化生產98%純度的血根堿、白屈菜紅堿、原阿片堿和別隱品堿。另外，對葉、根進行標準化提取工藝開發，對果實中的脂肪油進行了超臨界萃取工藝研究[32]。

5 品質評價與代謝分析

5.1 博落回原料質量評價標準

為了滿足工業生產對博落回原藥材質量控制的要求，2009年制訂了博落回葉和博落回果實原料質量的湖南地方標準，從重金屬、表觀鑒別、生物堿含量等方面控制博落回葉和果實的質量[33-34]。

5.2 產地溯源及研究

基于LC-MS的代謝組學分析方法對湖南婁底、湖南長沙、安徽金寨、福建光澤4個不同產地博落回果實進行產地溯源研究，主成分分析(PCA)結果表明4個產地博落回果實能夠得到很好區分，基于PLS-DA建立的產地預測模型可以預測以上4個產地博落回果實的來源[20]，從基因水平進行溯源研究也是很好的選擇。

5.3 品種鑒定

利用DNA條形碼技術對博落回和小果博落回及其雜交種進行鑒定。通過擴增不同產地的博落回和小果博落回及其雜交種DNA條形碼序列(ITS，rbcL，matK等)，并對測序結果構建進化樹分析，找到最適用于準確鑒別博落回屬植物的條形碼，為博落回分子育種和品種鑒定奠定研究基礎。

5.4 藥代動力學及體內代謝研究

建立了HPLC-MS/MS檢測雞不同組織中檢測方法[35]，還建立了HPLC-MS/MS檢測豬肉中苯并菲啶類生物堿的方法[36]，研究了豬飼喂美佑壯90 d苯并菲啶類生物堿的代謝和殘留情況，為博落回作為飼料添加劑的安全性評價提供了科學依據。

系統研究了博落回4種主要生物堿的體內外代謝，鑒定了一系列新的代謝產物，揭示了其代謝生成規律，并為血漿和組織殘留方法的開發提供了非常重要的指導意義[37]。

在大鼠中鑒定了別隱品堿7種新的代謝物，原阿片堿2種新的代謝物，并證實了這些新的代謝產物在體內也檢出[38]。

研究闡明了血根堿動物體內轉變為二氫血根堿的代謝機制[39]，為進一步采用分子生物學技術與手段，對血根堿調控的細胞凋亡的分子機制進行了深入系統的研究，闡明了血根堿還原代謝的主要解毒酶[40]。

5.5 微量元素與博落回品質關聯分析研究

我們用ICP-MS測定植株不同部位和根系土壤微量元素和其他元素，并結合其BlAs累積量進行整合分析以期發現與品質調控的關聯性，博落回對鈾236有累積特性[41]，有望作為鈾尾礦的治理。

6 綜合利用與開發

6.1 人類健康領域

博落回中大量的異喹啉類生物堿均表現出良好的抗炎、抑菌、殺蟲等活性。在人類健康領域，顯示出治療腳氣等真菌感染、外用洗液等產品開發前景。發現博落回提取物有一定的抗肝纖維化作用[42]，其機制可能與其保護肝細胞膜、抑制肝星狀細胞活性、減輕肝臟炎癥及抗脂質過氧化作用等有關；利用季胺堿與黃芩苷葡萄糖醛酸基離子鍵結合，開展了博落回血根堿-黃芩苷、白屈菜紅堿-黃芩苷離子對化合物的體外抗菌活性和急性毒性研究，研究表明2種離子對化合物的體外抗菌活性增強，毒性減小，為新型抗菌藥物的篩選奠定了基礎[43]；進行了血根堿相關結構修飾物N-甲基-2，3，7，8-四羥基苯并菲啶季銨鹽(THQB)的成藥性研究。

6.2 動物健康領域

2012年團隊聯合湖南美可達生物資源股份有限公司(美可達)，成功注冊為首個二類中獸藥藥物飼料添加劑(博落回提取物及博落回散)，彌補了國內市場的空白，基于該產品的成功開發提出“整腸，抗炎，促生長”的飼用抗生素替代技術，獲得2014年湖南省科技進步獎一等獎。博落回提取物出口德國累計超過數億元人民幣，sangrovit系列產品在全球超過46個國家和地區使用，隨著國內外飼用抗生素逐步限用甚至禁用，相信它將成為重要的替代產品。博落回中的另一組生物堿組分PAs相信很快成為另一個二類中獸藥產品。系列博落回復方獸藥產品正在研制中。

6.3 植物健康領域

博落回總生物堿提取物通過美國EPA成功登記的Qwel，該產品作為殺菌劑，主要用于蔬菜及水果采摘前期的防蟲防菌保護，美可達也在農業部獲得了田間實驗批件，在綠色植物源殺菌劑農藥開發方向上頗具應用前景。

6.4 其他綜合利用

對博落回不同生物堿組分及不同應用領域進行綜合利用，開發了不同組分的新獸藥和不同應用領域的產品，對博落回植物不同部位也進行綜合利用開發。如研究了博落回種子油價值，結果表明博落回種子主要含有8種有機脂肪酸[32]，鑒于博落回植株生物量大，對根、莖、葉，尤其是葉的綜合利用已顯示出其價值，將莖桿粉碎作為有機肥的基質發酵后作用防控線蟲病的藥用肥料等。對博落回不同化學組分、不同部位和在人類健康、動物健康和植物健康等不同應用領域進行綜合利用的研究思路，為中藥材資源綜合利用開發提供了很好示范。

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ApplyingtheResearchofMacleayacordataResourcestoaDemonstrationintheResearchandComprehensiveUtilizationofTraditionalChineseMedicinalHerbsFullIndustryChain

ZENG Jianguo*

[HunanAgriculturalUniversity，NationalTraditionalChineseMedicinalHerbsProduction(Hunan)TechnicalCenter，Changsha410128，China]

Macleayacordatais a common traditional Chinese medicinal herb and often used as a kind of home-made pesticide.Macleayacordatais actually an important plant source for isoquinoline alkaloids, especially sanguinarine. In Europe,M.cordatahas already been used as an important AGP replacement, such as the product of Sangrovit. This article introduces the full industrial chain research ofM.cordata, which is made by the research team of Hunan Agricultural University from the aspects of resources biology, transition from wild collection to forest cultivation, resources chemistry and comprehensive utilization and development.

Macleayacordata；full industry chain

湖南省重大專項(2012FJ1004)

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曾建國，博士生導師，教授，研究方向：中藥資源與中獸藥創制等綜合利用；Tel：(0731)84673824，E-mail：zengjianguo@hunau.edu.cn

10.13313/j.issn.1673-4890.2017.10.002

2017-09-18)