亡羊补牢莫如未雨绸缪——药用植物基因资源合理保护与利用亟待重视
最近，《重庆日报》的一则新闻令中国医学科学院药物研究所卫生部天然药物生物合成重点实验室的程克棣教授担忧不已：某外国旅客在重庆南川市金佛山偷采珍稀植物巴山榧、红豆杉，被我公安机关抓获。程克棣之所以如此担心，不仅是因为这些我国特有的珍稀药用植物绻怀晒Φ赝翟说焦猓柚执咚?br>平的植物再生技术，完全可能会被培育出来，而且这些植物所特有的遗传密码——基因也将有可能流失。
程克棣指出，药用植物的基因资源不仅对于维持物种的多样性至关重要，而且对其中的一些功能基因的研究与利用有可能会给制药工业带来巨大变革。然而，相对于人类基因和水稻等农作物基因研究的蓬勃发展，我国对药用植物基因资源的合理利用与保护基本上是一片空白，亟须得到政府部门、研究机构等的重视。
■重要性——引发制药方式变革 维持物种持续发展
青蒿素是我国学者在20世纪70年代初从青蒿中分离得到的抗疟有效单体，是目前世界上最有效的治疗脑型疟疾和抗氯喹恶性疟疾的药物。长期以来，对药用植物青蒿进行提取一直是人们获得青蒿素最有效的途径。然而，也许在不远的将来，以青蒿素生物合成途径中的部分关键酶基因来生产青蒿素将变成可能。2004年底，美国微软公司主席比尔·盖茨投资4260万美金，资助一家美国公司进行利用特殊的遗传工程菌来生产青蒿酸的研究，并想通过不断的技术改进最终制造出青蒿素。
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程克棣指出，以药用植物中与某些发挥治疗作用的成分合成有关的功能基因来进行药品生产并非天方夜谭。目前，美国已于2003年在实验室中应用遗传工程菌大肠杆菌合成了青蒿素的前体紫穗槐烯；美国和我国也已先后完成了在实验室中应用遗传工程菌大肠杆菌和酵母合成紫杉醇的中间体紫杉烯的研究。虽然目前还无法完成大规模的工业化生产，但随着药用植物的功能基因研究的不断深入，这种全新的制药方式带来的变革也许已经近在咫尺。
此外，药用植物基因资源及其多样性是物种持续发展的基础。程克棣介绍说，一方面，随着中药现代化的进程，中药的规范化种植受到极大重视，保护药用植物的基因资源即种质资源，培育生长快、抗病强的优良种质至关重要。与此同时，大规模培育优良种质导致的物种遗传基础过窄、品种逐渐单一化又会降低物种的遗传多样性，导致栽培作物对环境变化或病虫害的抗性大大降低，影响其可持续发展。这种教训已在农业育种中出现。如美国的杂交玉米因为都来自T细胞质，而在1970年发生了小斑病流行，使当年收成减少了15%，损失10亿多美元。因此，保护基因资源是避免药用植物重蹈上述覆辙的关键。
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■迫切性——基因争夺已经展开 我国研究相对滞后
21世纪是基因的世纪。程克棣指出，自人类基因组计划(HGP)实施以来，针对包括人类基因在内的基因资源展开的争夺战已经打响。与人类基因资源保护相比，我国有关政府部门和学者对于药用植物基因资源的保护与利用还不够重视。而现实是，国际上对于药用植物基因资源特别是功能基因资源的争夺日趋激烈。欧洲和美国、日本等国家和地区在药用植物功能基因的专利保护方面已经走在了我们的前面。
药用植物功能基因研究在国外已经进行了许多年，主要集中在黄酮类化合物合成相关基因的克隆、植物细胞色素P450基因的克隆及萜类化合物合成基因的克隆。黄酮类化合物生物合成途径功能基因研究因为起步较早，大多数的基因都已被克隆和功能鉴定，并已实现了利用花青素合成基因修饰改变花的颜色。目前，功能基因克隆注册最多的几个植物分别是长春花、青蒿、甘草和红豆杉，注册基因最多的国家是日本、美国、德国，拥有基因专利最多的国家是美国。
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相对于国外的蓬勃发展，我国在药用植物基因资源保护与应用方面的工作还处于起步阶段。对此，程克棣有着切身的体会。作为我国最早进行相关研究的机构——中国医学科学院药物研究所卫生部天然药物生物合成重点实验室的研究人员，程克棣在实际工作中发现，往往是她们克隆了一个基因片段，却发现这一基因已被注册或被专利保护。最近几年，我国由中科院植物所、植物生理所、中国医学科学院药物所及上海中医药大学注册了15个基因，其中11个与青蒿萜类合成有关、2个与中国红豆杉有关、2个与黄芪代谢有关。但目前尚未见到我国在黄酮类化合物与细胞色素P450相关基因克隆及注册方面的工作。
“如果应用功能基因生产药物变成现实，那么拥有这些基因专利的国家，就有可能应用来源于我国的药用植物的基因生产药品，并卖给我们，赚我们的钱。”程克棣的话并非空穴来风。目前，已有许多药用植物的功能基因被申请了专利保护。在这方面，美国走在了前列。根据1996年～2002年的美国专利的初步检索，长春花、红豆杉均有功能基因专利公开，而与P450有关的基因和核酸顺序有40项之多，分别与植物脂肪酸羟基化、黄酮化合物羟基化、柠檬烯羟基化等多种羟基化反应有关。用基因工程方法改变花朵的颜色(花青素含量)的方法也申请了专利，植物P450代谢除草剂的能力及应用也是专利保护的要点。
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另外，基于对功能基因的关注，为了探索一个功能基因克隆的简捷快速的途径，一些国家对药用植物进行了大量的植物表达序列标记(EST)测序工作。较为突出的是加拿大在2002年报道了甜叶菊大量的EST测序结果，有5549项之多；美国对葡萄进行了系统的cDNA测序工作，在2002年1月报道了1182个cD鄄NA片段；西班牙在2001年就已报道了343个番红花EST片段的测序结果。这种基因注册或者是EST测序结果虽然仍然可以作为公共资源被应用，但被注册的基因不能再申请专利保护。也就是说，如果再不加紧进行相关研究，我国独有的基因资源很有可能会变成全世界的“公共财产”。
对于这种情况，程克棣忧心不已：“亡羊补牢莫如未雨绸缪。我们应该在这一领域保持较为先进的水平。别人能跑，我们也应该具备拔脚就能追的能力。否则将有可能给我国带来不可估量的损失。”她表示，在医药领域还有许多有待解决的现实问题的情况下，我国相关的政府机构和学者们对于药用植物功能基因的应用与保护这一前瞻性的话题重视不够可以理解。但是，鉴于这一问题的重要性，希望相关研究能够获得更大的经济与政策支持。
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■可行性——我国基因资源丰富 研究瞄准功能基因
我国拥有世界上最大的绿色药库，其中绝大部分是还未被人类充分认识的野生中药材，在这些药用植物资源中蕴藏着极其丰富的植物遗传、生理和生态现象。这使得我国在药用植物基因的研究中具备了无与伦比的先天优势。
但程克棣同时指出，由于目前人们对大多数药用植物的遗传背景都不很清楚，各种植物有几对染色体也很难查到，加之基因研究的投入较大，国家不可能投资于如此众多的药用植物基因组的测序，因此开展药用植物基因研究在选材时要遵循一些基本原则。首先是重要性原则。欲研究的对象应该是疗效明确、应用广泛的重要中药。目前人们已经选中的研究对象都是那些极为重要的药用植物，如人参、甘草、黄芪、红豆杉、甜叶菊、番红花等。其次，做有效成分基因调控的研究应选择那些有以往的化学工作基础、有效成分明确且含量低、化学合成困难的中药；欲研究关键酶基因的材料，应该选择那些合成途径(生源途径)做过研究，而且遗传尘耙脖冉锨宄囊┯弥参铩5谌≡裉厥庖糯⑸怼⑸窒蟮?br>中药或者是濒危药用植物。例如，已完成基因组测序的模式植物拟南芥，有5条染色体，基因组约120Mb，比玉米基因组2500Mb、小麦16000Mb相对较小。拟南芥不带有大量重复DNA，但是它有调控发育、代谢、对环境作出响应及疾病产生抗性等一整套完整基因。因而它的基因组序列为分析相关植物种类基因功能、在其他物种中寻找同源基因或相似基因提供了有效手段。鉴别拟南芥的编码特定性状如病害耐受、营养性状或产量的基因，将使得在其他植物中鉴别这类基因更加方便。
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程克棣指出，药用植物基因资源的合理保护与利用的当务之急是重点开展中草药的功能基因组研究。药用植物的功能基因大体可以分成三类。第一是有效成分生成途径中代谢关键酶的基因，如紫杉烯合酶、银杏内酯环化酶等。第二是形成优良农艺形状或特殊生理现象的基因，如控制红花刺的基因，甘草种子的抗逆性基因，雪莲及羌活的适应特殊环境的基因，栝楼、银杏、绞股蓝的性别决定基因，苦楝和银杏的抗虫抗病基因以及有毒中药荨麻和鲜用中药地黄、藿香的药用蛋白和多肽基因等。第三是重要标识基因。目前人们虽然不能确定这些基因的功能，但是它们在构建基因图谱和分子标记辅助育种等方面都有十分重要的作用。
程克棣强调，药用植物功能基因研究就是要从功能基因入手，阐明药用植物有效成分的生物合成及其调控机制。其内涵包括了生物及药物研究的诸多方面：例如利用分子生物学和生物信息学方法系统地分离与中药有效成分的生物合成及其代谢调控相关的基因；建立和比较药用植物的表达谱，对相关基因进行功能分析，确定影响中药有效成分含量和品质的基因，并获得焕嘤钟胁煌┬Щ钚?br>的化合物形成的生物信息数据库；建立依据基因的道地药材的真伪鉴别系统，确保中药材的品质；保护名贵、稀有中药材基因(种质)资源；利用分子设计等理论，通过组合化学技术合成或催化或体内体外催化合成天然产物，或为新药的研究提供先导化合物等。
本报记者 徐亚静, 百拇医药
程克棣指出，药用植物的基因资源不仅对于维持物种的多样性至关重要，而且对其中的一些功能基因的研究与利用有可能会给制药工业带来巨大变革。然而，相对于人类基因和水稻等农作物基因研究的蓬勃发展，我国对药用植物基因资源的合理利用与保护基本上是一片空白，亟须得到政府部门、研究机构等的重视。
■重要性——引发制药方式变革 维持物种持续发展
青蒿素是我国学者在20世纪70年代初从青蒿中分离得到的抗疟有效单体，是目前世界上最有效的治疗脑型疟疾和抗氯喹恶性疟疾的药物。长期以来，对药用植物青蒿进行提取一直是人们获得青蒿素最有效的途径。然而，也许在不远的将来，以青蒿素生物合成途径中的部分关键酶基因来生产青蒿素将变成可能。2004年底，美国微软公司主席比尔·盖茨投资4260万美金，资助一家美国公司进行利用特殊的遗传工程菌来生产青蒿酸的研究，并想通过不断的技术改进最终制造出青蒿素。
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程克棣指出，以药用植物中与某些发挥治疗作用的成分合成有关的功能基因来进行药品生产并非天方夜谭。目前，美国已于2003年在实验室中应用遗传工程菌大肠杆菌合成了青蒿素的前体紫穗槐烯；美国和我国也已先后完成了在实验室中应用遗传工程菌大肠杆菌和酵母合成紫杉醇的中间体紫杉烯的研究。虽然目前还无法完成大规模的工业化生产，但随着药用植物的功能基因研究的不断深入，这种全新的制药方式带来的变革也许已经近在咫尺。
此外，药用植物基因资源及其多样性是物种持续发展的基础。程克棣介绍说，一方面，随着中药现代化的进程，中药的规范化种植受到极大重视，保护药用植物的基因资源即种质资源，培育生长快、抗病强的优良种质至关重要。与此同时，大规模培育优良种质导致的物种遗传基础过窄、品种逐渐单一化又会降低物种的遗传多样性，导致栽培作物对环境变化或病虫害的抗性大大降低，影响其可持续发展。这种教训已在农业育种中出现。如美国的杂交玉米因为都来自T细胞质，而在1970年发生了小斑病流行，使当年收成减少了15%，损失10亿多美元。因此，保护基因资源是避免药用植物重蹈上述覆辙的关键。
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■迫切性——基因争夺已经展开 我国研究相对滞后
21世纪是基因的世纪。程克棣指出，自人类基因组计划(HGP)实施以来，针对包括人类基因在内的基因资源展开的争夺战已经打响。与人类基因资源保护相比，我国有关政府部门和学者对于药用植物基因资源的保护与利用还不够重视。而现实是，国际上对于药用植物基因资源特别是功能基因资源的争夺日趋激烈。欧洲和美国、日本等国家和地区在药用植物功能基因的专利保护方面已经走在了我们的前面。
药用植物功能基因研究在国外已经进行了许多年，主要集中在黄酮类化合物合成相关基因的克隆、植物细胞色素P450基因的克隆及萜类化合物合成基因的克隆。黄酮类化合物生物合成途径功能基因研究因为起步较早，大多数的基因都已被克隆和功能鉴定，并已实现了利用花青素合成基因修饰改变花的颜色。目前，功能基因克隆注册最多的几个植物分别是长春花、青蒿、甘草和红豆杉，注册基因最多的国家是日本、美国、德国，拥有基因专利最多的国家是美国。
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相对于国外的蓬勃发展，我国在药用植物基因资源保护与应用方面的工作还处于起步阶段。对此，程克棣有着切身的体会。作为我国最早进行相关研究的机构——中国医学科学院药物研究所卫生部天然药物生物合成重点实验室的研究人员，程克棣在实际工作中发现，往往是她们克隆了一个基因片段，却发现这一基因已被注册或被专利保护。最近几年，我国由中科院植物所、植物生理所、中国医学科学院药物所及上海中医药大学注册了15个基因，其中11个与青蒿萜类合成有关、2个与中国红豆杉有关、2个与黄芪代谢有关。但目前尚未见到我国在黄酮类化合物与细胞色素P450相关基因克隆及注册方面的工作。
“如果应用功能基因生产药物变成现实，那么拥有这些基因专利的国家，就有可能应用来源于我国的药用植物的基因生产药品，并卖给我们，赚我们的钱。”程克棣的话并非空穴来风。目前，已有许多药用植物的功能基因被申请了专利保护。在这方面，美国走在了前列。根据1996年～2002年的美国专利的初步检索，长春花、红豆杉均有功能基因专利公开，而与P450有关的基因和核酸顺序有40项之多，分别与植物脂肪酸羟基化、黄酮化合物羟基化、柠檬烯羟基化等多种羟基化反应有关。用基因工程方法改变花朵的颜色(花青素含量)的方法也申请了专利，植物P450代谢除草剂的能力及应用也是专利保护的要点。
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另外，基于对功能基因的关注，为了探索一个功能基因克隆的简捷快速的途径，一些国家对药用植物进行了大量的植物表达序列标记(EST)测序工作。较为突出的是加拿大在2002年报道了甜叶菊大量的EST测序结果，有5549项之多；美国对葡萄进行了系统的cDNA测序工作，在2002年1月报道了1182个cD鄄NA片段；西班牙在2001年就已报道了343个番红花EST片段的测序结果。这种基因注册或者是EST测序结果虽然仍然可以作为公共资源被应用，但被注册的基因不能再申请专利保护。也就是说，如果再不加紧进行相关研究，我国独有的基因资源很有可能会变成全世界的“公共财产”。
对于这种情况，程克棣忧心不已：“亡羊补牢莫如未雨绸缪。我们应该在这一领域保持较为先进的水平。别人能跑，我们也应该具备拔脚就能追的能力。否则将有可能给我国带来不可估量的损失。”她表示，在医药领域还有许多有待解决的现实问题的情况下，我国相关的政府机构和学者们对于药用植物功能基因的应用与保护这一前瞻性的话题重视不够可以理解。但是，鉴于这一问题的重要性，希望相关研究能够获得更大的经济与政策支持。
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■可行性——我国基因资源丰富 研究瞄准功能基因
我国拥有世界上最大的绿色药库，其中绝大部分是还未被人类充分认识的野生中药材，在这些药用植物资源中蕴藏着极其丰富的植物遗传、生理和生态现象。这使得我国在药用植物基因的研究中具备了无与伦比的先天优势。
但程克棣同时指出，由于目前人们对大多数药用植物的遗传背景都不很清楚，各种植物有几对染色体也很难查到，加之基因研究的投入较大，国家不可能投资于如此众多的药用植物基因组的测序，因此开展药用植物基因研究在选材时要遵循一些基本原则。首先是重要性原则。欲研究的对象应该是疗效明确、应用广泛的重要中药。目前人们已经选中的研究对象都是那些极为重要的药用植物，如人参、甘草、黄芪、红豆杉、甜叶菊、番红花等。其次，做有效成分基因调控的研究应选择那些有以往的化学工作基础、有效成分明确且含量低、化学合成困难的中药；欲研究关键酶基因的材料，应该选择那些合成途径(生源途径)做过研究，而且遗传尘耙脖冉锨宄囊┯弥参铩5谌≡裉厥庖糯⑸怼⑸窒蟮?br>中药或者是濒危药用植物。例如，已完成基因组测序的模式植物拟南芥，有5条染色体，基因组约120Mb，比玉米基因组2500Mb、小麦16000Mb相对较小。拟南芥不带有大量重复DNA，但是它有调控发育、代谢、对环境作出响应及疾病产生抗性等一整套完整基因。因而它的基因组序列为分析相关植物种类基因功能、在其他物种中寻找同源基因或相似基因提供了有效手段。鉴别拟南芥的编码特定性状如病害耐受、营养性状或产量的基因，将使得在其他植物中鉴别这类基因更加方便。
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程克棣指出，药用植物基因资源的合理保护与利用的当务之急是重点开展中草药的功能基因组研究。药用植物的功能基因大体可以分成三类。第一是有效成分生成途径中代谢关键酶的基因，如紫杉烯合酶、银杏内酯环化酶等。第二是形成优良农艺形状或特殊生理现象的基因，如控制红花刺的基因，甘草种子的抗逆性基因，雪莲及羌活的适应特殊环境的基因，栝楼、银杏、绞股蓝的性别决定基因，苦楝和银杏的抗虫抗病基因以及有毒中药荨麻和鲜用中药地黄、藿香的药用蛋白和多肽基因等。第三是重要标识基因。目前人们虽然不能确定这些基因的功能，但是它们在构建基因图谱和分子标记辅助育种等方面都有十分重要的作用。
程克棣强调，药用植物功能基因研究就是要从功能基因入手，阐明药用植物有效成分的生物合成及其调控机制。其内涵包括了生物及药物研究的诸多方面：例如利用分子生物学和生物信息学方法系统地分离与中药有效成分的生物合成及其代谢调控相关的基因；建立和比较药用植物的表达谱，对相关基因进行功能分析，确定影响中药有效成分含量和品质的基因，并获得焕嘤钟胁煌┬Щ钚?br>的化合物形成的生物信息数据库；建立依据基因的道地药材的真伪鉴别系统，确保中药材的品质；保护名贵、稀有中药材基因(种质)资源；利用分子设计等理论，通过组合化学技术合成或催化或体内体外催化合成天然产物，或为新药的研究提供先导化合物等。
本报记者 徐亚静, 百拇医药