利用完整質體基因組精準鑒定天冬及其9種混偽品

在傳統醫學的寶庫中，天冬（Asparagus cochinchinensis）作為一味重要的中藥材，其加工后的塊根 —— 天門冬，在東亞地區尤其是中國，有著悠久的藥用歷史。它不僅能治療多種疾病，如胃痛、便秘、發熱、哮喘等，還被廣泛應用于制藥和保健品行業，可謂是 “藥界明星”。然而，近年來天冬市場卻遭遇了 “李鬼” 之亂。由于天冬與其同屬的 9 種植物在形態上極為相似，專業知識匱乏的采藥人和生產人員常常誤采、誤用，將這 9 種植物的塊根加工后當作天冬售賣。這一亂象不僅嚴重影響了以天冬為原料的藥品質量和療效，還對那些原本作為民族傳統藥材的 9 種植物造成了威脅，過度采集可能導致它們走向瀕危。

為了給天冬市場 “撥亂反正”，云南大學、中國科學院昆明植物研究所等機構的研究人員展開了一項極具意義的研究。他們的研究成果發表在《BMC Plant Biology》上，為準確鑒定天冬及其 9 種混偽品提供了新的方法。

研究人員采用了基因組 skimming 方法，該方法利用高通量測序技術，能夠獲取低覆蓋度的基因組測序數據，進而組裝出完整的質體基因組（plastomes）和核核糖體 DNA（nrDNA）陣列，以此作為分子標記來鑒定物種。研究中，他們從自然棲息地采集了 42 株代表 21 種蘆筍屬植物的樣本，其中對 10 種目標物種，包括天冬、興安天門冬（A. dauricus）等，進行了廣泛的種內采樣。

研究人員主要運用了以下關鍵技術方法：首先是高通量基因組測序，從硅膠干燥的葉片組織中提取基因組 DNA，構建配對末端鳥槍法文庫后進行測序；接著是對完整質體基因組和 nrDNA 陣列的組裝與注釋，利用特定軟件和參考序列進行組裝、比對和注釋；最后通過系統發育和遺傳距離分析，評估各分子標記的鑒別能力，包括序列比對、計算遺傳距離等操作。

研究結果如下：

1. 質體基因組和 nrDNA 陣列的組裝與注釋：成功為 42 個樣本組裝出完整的質體基因組和 nrDNA 陣列。質體基因組大小在 156,208 bp 至 157,139 bp 之間，具有典型的四分體結構，包含 114 個獨特的質體基因。nrDNA 陣列則覆蓋了 18S rDNA、ITS1、5.8S rDNA、ITS2 和 28S rDNA 區域。

2. 系統發育推斷：通過分析發現，完整質體基因組和 nrDNA 陣列的序列變異水平明顯高于傳統的 DNA 條形碼（如 rbcL、matK、trnH - psbA 和 ITS）。基于完整質體基因組的最大似然法（ML）系統發育分析成功將 10 種目標物種都解析為單系類群，且自展支持值很高；而基于 nrDNA 陣列的 ML 系統發育分析未能解析出A. taliensis的物種水平單系性，基于 ITS 序列的 ML 系統發育分析也未能解析出A. taliensis和A. dauricus的單系性，其他傳統 DNA 條形碼的解析能力更弱。

3. 條形碼間隙分析：遺傳距離分析顯示，完整質體基因組數據集在 10 種目標物種間存在明顯的條形碼間隙，即種間遺傳變異大于種內遺傳變異；而 nrDNA 陣列、ITS、matK、rbcL 和 psbA - trnH 數據集的種間和種內 K2P 距離存在不同程度的重疊，沒有明顯的條形碼間隙。

研究結論和討論部分指出，完整質體基因組在鑒定天冬及其 9 種混偽品方面表現卓越，可作為最佳分子標記。這一成果不僅有助于天冬相關藥品的質量控制，還能推動對那些作為混偽品的藥用蘆筍屬植物的保護和合理開發。不過，研究也存在一定的局限性，如分類群采樣未涵蓋蘆筍屬所有物種，且未從目標蘆筍物種的加工塊根中獲取完整質體基因組。未來，還需要進一步完善參考質體基因組庫，開發從加工塊根中獲取完整質體基因組的有效方法，以更好地保障天冬產品的質量和安全，促進藥用蘆筍屬植物的可持續利用。