楊鈺穎，苗 水，李雯婷，季 申*

植物代謝組學在根及根莖類中藥材中的研究進展

楊鈺穎1, 2，苗 水2，李雯婷2，季 申1, 2*

1. 上海中醫(yī)藥大學中藥學院，上海 201203 2. 上海市食品藥品檢驗研究院，國家藥品監(jiān)督管理局中藥質量控制重點實驗室，上海 201203

隨著生命科學研究的深入和儀器分析手段的進步，植物代謝組學作為一種重要的分析手段逐漸應用于根及根莖類中藥材的研究。通過對植物代謝組學技術在根及根莖類中藥品種鑒定、正常及外界因素影響下的種植生長及采收加工等方面的應用進行綜述，為根及根莖類中藥的親緣種屬鑒定、生長發(fā)育機制、炮制機制及質量安全控制等研究提供可靠依據，為其藥效機制的深入挖掘、人工種植方法的改良、炮制方式的最佳選擇、市售質量控制及安全性評價等方面的深入研究提供參考，使植物代謝組學技術在根及根莖類中藥全產業(yè)鏈發(fā)展中能夠更好的發(fā)揮其作用。

植物代謝組學；根；根莖；中藥；代謝產物；檢測技術

隨著生命科學研究的深入和儀器分析手段的進步，組學技術逐漸成為探索生命各領域的重要手段[1-2]。組學科學是對從細胞器到生態(tài)系統(tǒng)（包括有機體）的組織層面上參與生命維持與發(fā)展的不同分子水平的研究，包括基因（基因組學）、RNA（轉錄組學）、蛋白質（蛋白質組學）、代謝物（代謝組學）等[3-4]。多種分子水平的組學共同構成龐大的相互作用網絡，以不同角度闡明生物個體的表型性狀的成因及產生的功能機制[5-6]，其中代謝組學的研究具有重要價值（圖1）[7]。植物代謝組學作為代謝組學的一個重要分支，在植物品種分類、品質劃分及中藥藥效評價等方面均發(fā)揮著重要作用。

圖1 代謝組學研究的重要價值

我國中藥材種類頗豐，其中以植物類型為多，約占中藥資源總數的87%[8]，根據入藥部位劃分又包括根、莖、葉、花、果實、種子等。《中國藥典》2020年版收載的616種藥材和飲片中有169種是以根及根莖為入藥部位的中藥，其比例高達27.44%，說明該類中藥臨床應用種類較多，又因其代謝產物具多樣性，調節(jié)機制較為復雜，突出了探索其潛在生化性質的必要性，故對其植物代謝組學的研究一直是學者們關注的焦點[9]。

本文對植物代謝組學技術在根及根莖類中藥品種鑒定、正常及外界因素影響下的種植生長和采收加工等方面的應用進行綜述，為根及根莖類中藥的親緣種屬鑒定、生長發(fā)育機制、炮制機制及質量安全控制等方面的研究提供可靠依據[10-11]，為其藥效機制的深入挖掘、人工種植方法的改良、炮制方式的最佳選擇、市售質量控制及安全性評價等方面的深入研究提供參考，使植物代謝組學技術在根及根莖類中藥全產業(yè)鏈發(fā)展中能夠更好的發(fā)揮其作用。

1 植物代謝組學

植物代謝組學是指以不同種屬、不同基因或不同生態(tài)類型的植物在不同生長時期或受到某種刺激干擾條件前后的整體代謝產物為研究對象，借助多種檢測技術進行全面的定性、定量分析，找出成分代謝變化規(guī)律，從而監(jiān)控或評價基因功能的一門新興學科。其研究模塊主要包括樣本采集加工、樣品溶液制備、儀器檢測分析匹配、統(tǒng)計數據處理篩選、代謝途徑或代謝網絡分析闡釋等[12-15]。其中，對于植物代謝組學技術的應用在很大程度上取決于其全面識別、量化和定位每種代謝物的儀器檢測技術及數據分析方法。

目前針對植物代謝組學的儀器檢測技術主要有液相色譜-質譜聯用技術（liquid chromagraphy-mass spectrometry，LC-MS）、核磁共振光譜（nuclear magnetic resonance，NMR）、氣相色譜-質譜聯用技術（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）、毛細管電泳-質譜聯用技術（capillary electrophoresis-mass spectrometry，CE-MS）和傅里葉變換離子回旋共振-質譜聯用技術（Fourier transform ion cyclotron resonance-mass spectrometry，FI-ICR-MS）等[16]，其中以LC-MS、NMR和GC-MS技術的應用為多。

為了對檢測儀器上的數據結果進行進一步的簡化，增強數據的可視性，需要進行一定的結果分析。其所獲數據的處理方法主要包括主成分分析（principal component analysis，PCA）、偏最小二乘判別分析（partial least squares-discriminant analysis，PLS-DA）、正交偏最小二乘判別分析（orthogonal partial least squares-discriminant analysis，OPLS-DA）等，進而篩選差異代謝物，為后續(xù)植物代謝機制性質的深入研究提供基礎[12]。

植物代謝組學的應用主要集中體現在對模式植物如擬南芥及農作物如玉米、大米等不同部位的代謝多樣性遺傳機制及其與植物復雜性狀的關聯性研究，進而為優(yōu)質育種方法的改良、作物品質指標的提升提供一定的依據[16]。植物代謝組學還多被用于植物源性食品如茶葉采收時間的確定，蕃茄、草莓等果實成熟后的生理過程研究，從而進行成熟表型機制的探索及采后儲藏質量變化因素的確定等[17-19]。

經近幾年報道發(fā)現，植物代謝組學技術在中藥領域中的應用也在愈發(fā)增多，如甘草[20]、丹參[21]等大宗藥材。

2 植物代謝組學在根及根莖類中藥中的應用

近年來，隨著中醫(yī)藥事業(yè)的不斷發(fā)展，中藥材的防病、治病能力在世界各地都受到廣泛關注，而中藥質量作為中醫(yī)臨床應用及中藥市場擴展的生命線，也亟需保障與提升。中藥中含有一些代謝產物特別是次級代謝產物，其結構多變、活性多樣，通常也作為中藥的藥效物質基礎，與中藥材質量密切相關。由于根及根莖類中藥臨床應用較多，且具有化學成分復雜和藥效成分不明確等特點，采用單個或多個指標成分測定法均不足以全面評價根及根莖類中藥材質量。

植物代謝組學技術是一種基于高分辨率和高通量檢測平臺對樣本中化學組成進行全面分析的方法，其分析的概念符合傳統(tǒng)中藥的整體性概念，可以更科學、全面地反映根及根莖類中藥材的內在質量，系統(tǒng)闡釋根及根莖類中藥材中的化學成分由于品種、生長環(huán)境和炮制方法等因素的影響而發(fā)生的變化，該技術為根及根莖類中藥質量控制提供了一種新思路，同時為中藥現代化的深入研究提供了新的技術手段，為中藥在成藥及藥效發(fā)揮作用的機制中提供進一步見解或科學依據，促進根及根莖類中藥全產業(yè)鏈發(fā)展，使中藥更好的應用于臨床[15,22-23]。

目前植物代謝組學已被應用于根及根莖類中藥種植栽培、采收加工、鑒別分析等方面的研究。

2.1 在中藥品種鑒定中的應用

中藥品種復雜多樣，其正確性一直是中藥種植生長、采收加工的源頭保證，中藥的品種鑒定也是中藥質量安全性研究的首要環(huán)節(jié)。隨著根及根莖類中藥材人工種植品種的增多、面積的增大，出現了很多盲目引種、不合理臨床用藥及偽品售賣的情況，且大多無法通過外觀性狀進行區(qū)分，故對其品種鑒定的分析方法一直在發(fā)展與完善，以更加準確的識別根及根莖類中藥的種間差異。

植物代謝組學于根及根莖類中藥材研究中的應用，在為其品種鑒定提供了新方法的同時，還探索了相似品種間藥理作用差異與植株內代謝產物品種及含量的關系，使不同品種在中醫(yī)臨床上能夠各自發(fā)揮更好的效用。典型根及根莖類中藥如麥冬、葛根、黃芪、柴胡等存在的品種差異可能會導致藥用質量差異，故需要對其進行差異成分的鑒別。有研究利用高效液相色譜與三重四級桿質譜聯用技術（high performance liquid chromatography triple quadrupole mass spectrometry，HPLC-QQQ-MS/MS）結合PLS-DA及PCA數據處理方法同時分析并篩選了麥冬與山麥冬中23種差異性成分，結果發(fā)現山麥冬中皂苷的含量顯著高于麥冬，而類黃酮的含量趨勢則相反，說明二者產生的臨床效果可能不同，需區(qū)分使用[24]；在對葛根與其變種進行超高效液相-質譜串聯（ultra-high performance liquid chromatography-mass spectrometry，UPLC-MS）技術結合OPLS-DA及PCA的分析中，共鑒定了614種代謝物，結果表明葛根與其變種間存在一定的差異性，其中，二者的營養(yǎng)差異可以用核苷酸類、氨基酸類、糖類和脂類成分的豐度差異來解釋，而藥用品質的差異則是由異黃酮類、酚酸類、有機酸類和香豆素類成分的含量差異所造成，故在臨床使用時，需要進行葛根品種的區(qū)分以達到其最優(yōu)的品質效果[25]；焦美麗等[26]運用1H-NMR結合PLS-DA、OPLS-DA及PCA的代謝組學技術對黃芪和紅芪2個品種進行化學成分分析，發(fā)現二者在黃酮、皂苷等藥效成分上存在較大差異，在臨床應用中應注意區(qū)分使用；章莎莎等[27]利用GC-MS結合PLS-DA、PCA的代謝組學技術對北柴胡、紅柴胡、三島柴胡、黑柴胡等不同品種的柴胡進行分析，結果發(fā)現這幾種柴胡中主要活性成分揮發(fā)油存在差異，北柴胡和紅柴胡的揮發(fā)油含量不同，化學組成也存在顯著區(qū)別，北柴胡與黑柴胡及三島柴胡的揮發(fā)油組成成分雖然結構差異不大，但揮發(fā)油的含量存在差異，為不同種類的柴胡在臨床合理用藥上提供了依據。

植物代謝組學不僅可以分辨根及根莖類中藥不同品種間的效用，在其正品與偽品的鑒別中也發(fā)揮著重要作用。近幾年，中藥材市場因供給需求及經濟效益等緣由，摻偽摻雜、偽品售賣等現象層出不窮，根及根莖類中藥材市場存在類似現象較多，如藏柴胡、錐葉柴胡冒充柴胡、白芷和白芍中摻入滑石粉、西洋參用形狀相似的白芷或人參偽品冒充等，此類現象的出現對根及根莖類中藥的安全性及有效性產生較大的影響，植物代謝組學的應用為根及根莖類中藥材的檢測與監(jiān)管提供了一種新的思路。Wallace等[28]通過LC-MS與液相色譜-紫外-可見光譜（liquid chromatography-utraviolet，LC-UV）相結合的非靶向植物代謝組學方法對白毛茛和其偽品黃連進行分析，可鑒別出白毛茛的摻假率為5%～95%。麥冬與山麥冬品種不同，自從山麥冬在《中國藥典》中單列出來，其種植行業(yè)就受到了極大的打擊，近些年藥材市場總會出現將個頭長度均較小的山麥冬作為麥冬進行售賣的情況，Luo等[24]利用LC-MS的植物代謝組學技術分析了麥冬與山麥冬代謝物間的差異，為二者的鑒別研究與市場監(jiān)管提供了新的分析方式。

綜上，植物代謝組學不僅能夠識別典型根及根莖類中藥材品種間的差異化合物，還可以初步分析其臨床療效及種間品質的成分機制，可明顯區(qū)分典型根及根莖類中藥正品、摻雜摻偽品種，為提高根及根莖類中藥材的市售品質及臨床使用提供理論基礎及數據支撐。根及根莖類中藥材品種繁多，基質復雜，目前植物代謝組學的研究仍處在發(fā)展階段，需大量實驗數據積累加以闡釋。

2.2 在種植栽培過程中的應用

2.2.1 空間分布 根及根莖類中藥材在種植過程中，其內部成分隨著生長時間的推移在不同部位中呈現動態(tài)分布的特點。植物代謝組學具有無損傷、動態(tài)的性質[29]，可以對同一種根及根莖類中藥材在生長發(fā)育不同時間段所產生的代謝產物變化進行動態(tài)監(jiān)測，從而彌補中藥傳統(tǒng)檢測方法的不足，以更加深入了解根及根莖類中藥材的生長發(fā)育和藥效機制。Tong等[21]利用LC-MS與解吸電噴霧電離耦合質譜成像（desorption electrospray ionization-mass spectrometry imaging，DESI-MSI）相結合的方法，對丹參中不同代謝產物在植株中的時空分布進行分析，通過LC-MS結合PLS-DA、OPLS-DA及PCA的植物代謝組學技術初步鑒定了丹參中的637種代謝產物，并利用DESI-MSI揭示了63種代謝物在不同植物部位的空間分布狀態(tài)。結果發(fā)現導致類黃酮重新分布到花瓣下唇的主要原因是參與類黃酮生物合成的C-3位發(fā)生羥基化反應，而導致丹參根和地上部分的酚酸類成分存在差異的主要原因是在丹參根中會發(fā)生產生雜環(huán)酚酸的關鍵反應——雜環(huán)化，為丹參生長發(fā)育機制的闡述及對其進行進一步的蛋白質組學、基因組學等的相關研究提供了科學依據和數據支撐。

傳統(tǒng)根及根莖類中藥材的藥用部位主要是根、根莖、塊根、塊莖等，經文獻查閱發(fā)現，對其進行時空分布的代謝組學研究還將有利于其他部位的藥用開發(fā)。如典型根及根莖類中藥材黨參、人參、西洋參的藥用部位均為根，Zeng等[30]通過UPLC-MS結合植物代謝組學技術檢測鑒定出了黨參莖、葉、根中的1508種代謝物，并從中篩選出了463種作為差異代謝物，結果發(fā)現黨參的莖葉中還含有白術苷、紫丁香苷和蒼術內酯等豐富的代謝產物，推測其莖葉部位可能具有很高的治療保健價值，可對其進行進一步的藥用開發(fā)。李樂樂[31]通過超高效液相色譜-四極桿-靜電場軌道阱質譜（ultrahigh-performance liquid chromatography coupled to quadrupole Orbitrap high-resolution mass spectrometry，UHPLC-Q-Orbitrap HRMS）結合PCA、PLS-DA的植物代謝組學技術對人參及西洋參各部位進行成分分析，發(fā)現二者的莖和葉含有和其根中相類似的人參皂苷成分，這也是人參和西洋參的莖葉部位均存在類似于根的藥理作用的主要原因。眾所周知，人參與西洋參的生長周期較長，入市價格較高，一般臨床僅取根部入藥，而將其莖葉廢棄，此研究證明二者莖葉中同樣存在一定的藥理活性，故也可進行進一步的藥效開發(fā)研究，以提升中藥資源利用水平。

大麻作為中藥材，其主要的入藥部位為根或葉，Jin等[32]通過LC-MS、GC-MS等檢測技術對大麻各個部位（花序、葉片、莖皮和根）中具有藥用價值的次級代謝成分進行靶向植物代謝組學分析，結果發(fā)現大麻花序和葉子中含有相對豐富的大麻素、單萜類、倍半萜類和類黃酮類成分，而莖皮和根中含有三萜類及甾醇成分較多，這些具活性的次級代謝成分能夠發(fā)揮不同的藥理作用，而且不同濃度的不同次級代謝成分的組合也可能會增加其治療性。由此說明，中藥植株內的活性成分的分布存在動態(tài)變化，其在不同部位的種類及含量可能存在差異，每味中藥植株的部分與全部也可能均會產生藥用價值，之前舍棄不用的部位也可能作為新的藥用部位重新投入臨床使用。綜上所述，不同空間分布的代謝組學研究是將植株的部分與整體聯系在一起，其在中藥藥效部位的再開發(fā)、新藥的研制及中藥品質的提升方面均會產生重要的作用，從而為臨床用藥的選擇提供依據，也為中藥市場藥材品質的保障及供需關系的緩解提供更為可靠的途徑。但目前不同空間的植物代謝組學研究種類較少，此結論還不足以支撐所有中藥種類，且不同次生代謝產物的協(xié)同作用還需要更多數據研究加以驗證，故仍需要更多的相關研究來不斷發(fā)展與完善。

空間分布與時間分布存在一定的關聯性。在中藥植株的生長過程中，其體內成分在不同生長周期的量豐部位存在一定差異，市售中藥材也一般會選取活性成分的富集部位進行采收加工，對根及根莖類中藥來說，合適的采收期對藥用部位的品質影響尤為重要。有研究利用植物代謝組學對活性成分的空間分布進而對合適的采收時期進行一定的推斷。張彩云[33]利用超高效液相色譜-四極桿飛行時間質譜（ultra-performance liquid chromatography coupled with quadrupole time of flight mass spectrometry，UPLC-Q-TOF-MS）、NMR對何首烏代謝物進行全面分析，UPLC-Q-TOF-MS共分析鑒定出了49個化合物，NMR的檢測與UPLC-Q-TOF-MS進行互補，分析鑒定出26個化合物，同時證明了飽和脂肪酸類和不飽和脂肪酸類化合物的存在，并篩選出13種何首烏不同部位的質量評價指標成分，結果表明，苯丙氨酸、阿魏酸、果糖和蔗糖主要存在于何首烏根部，其中能源物質果糖和蔗糖在根中含量高，說明何首烏的莖和葉為根的主要能量供給者，并且在采收時就已提供大量能量于根部，說明典型根及根莖類中藥材何首烏的能源成分在根、莖、葉中的動態(tài)傳遞過程，為何首烏的藥用生長年限選擇提供了一定的依據。

2.2.2 時間分布 根及根莖類中藥材在生長發(fā)育的不同階段中，體內次級代謝產物的種類和含量均處在不斷的變化之中，不同生長時間會使根及根莖類藥材中次級代謝產物存在一定差異，從而影響藥材的內在質量及入市后的臨床效果。近年來，植物代謝組學為根及根莖類中藥材活性成分的時間分布及生長年限選擇提供一定的數據基礎。

楊應文等[34]采用1H-NMR測定27個不同生長周期內當歸的主要活性成分阿魏酸、藁本內酯、當歸多糖，并進行成分歸屬與動態(tài)分析，3種成分作為當歸質量評價指標及主要差異代謝物，成分含量均在第1年變化較為平穩(wěn)，但第2、3年變化較顯著，說明當歸植株在不同生長周期活性成分含量存在差異，對藥材的內在質量有具一定的影響，故需考慮當歸生長周期與活性成分積累量，以此確定其最佳采收年限。張娜等[35]利用UPLC-Q-TOF-MS、UPLC-QQQ-MS、HPLC結合PCA的植物代謝組學方法對1～4年生的黃芩進行研究，發(fā)現不同生長年限的黃芩質量存在差異，并篩選出了黃芩苷、漢黃芩苷、黃芩素、漢黃芩素4個成分作為黃芩質量控制的指標成分，經HPLC的定量分析發(fā)現指標成分呈一定的規(guī)律性，黃芩苷、漢黃芩苷的含量在1、2年生的黃芩中逐漸升高，3、4年生中的含量呈下降趨勢，黃芩素、漢黃芩素的含量隨年限的增長逐漸升高，而對于黃芩指標成分的總量則在2年生時達到最高，第3年后開始下降，此數據結果可為黃芩采收入市生長年限的最優(yōu)選擇提供參考。

對于根及根莖類中藥材生長過程中藥用部位的主成分含量，并非都隨著時間的增加而不斷增長，利用植物代謝組學對其活性成分的鑒別與藥用部位的時間分布進行動態(tài)研究，更加保證了中藥材的采收品質及臨床療效，同時也為根及根莖類中藥材的合理種植提供更為科學的依據。目前，根及根莖類中藥的品種間存在一定的差異性，此類研究仍需要長時間的動態(tài)研究與數據積累，加以說明植株體內成分的時間動態(tài)分布規(guī)律。

2.3 在外界因素對根及根莖類中藥材質量影響研究中的應用

2.3.1 環(huán)境脅迫 在自然界中，植物的生存環(huán)境并不總是適宜的，其露地的生長發(fā)育過程總是存在各種環(huán)境的脅迫[36]，如干旱、洪澇、鹽脅迫等。根及根莖類中藥材在生長過程中由于大部分生長年限較長，如三七的生長周期為3年，人參人工種植可能需要生長5～6年的時間才可收獲等，故環(huán)境脅迫更有可能會對其產生較大的影響。

隨著近年來極端環(huán)境現象的增多，藥用植物對逆境的反應和機制的研究引起了人們的高度重視[37]，植物代謝組學技術的應用為研究根及根莖類中藥在環(huán)境脅迫下的代謝途徑變化和耐受機制提供了可靠手段，進而更加深刻闡釋環(huán)境脅迫對根及根莖類中藥質量的影響。

仉勁[38]通過液質聯用技術結合PLS-DA、OPLS-DA及PCA等研究干旱脅迫下丹參的代謝變化，主要檢測到葉中的差異代謝物有149個，根中的差異代謝物有133個，并通過差異代謝物的京都基因與基因組百科全書通路富集分析得出丹參葉部在干旱條件下主要通過調節(jié)半乳糖代謝、纈氨酸和亮氨酸及異亮氨酸生物合成、谷胱甘肽代謝、泛酸和輔酶A生物合成、檸檬酸循環(huán)及丙氨酸代謝等途徑來響應干旱脅迫；丹參的根部在干旱下主要通過調節(jié)半乳糖代謝、淀粉和蔗糖代謝、氨基糖和核苷酸糖代謝、不飽和脂肪酸生物合成等途徑來響應干旱脅迫。管仁偉等[39]利用UHPLC-Q-TOF-MS結合OPLS-DA及PCA等的技術分析鑒定出黃芩中的44個黃酮類成分，并從中篩選出了18個差異代謝物，說明干旱及鹽脅迫可通過黃芩中黃酮類成分生物合成途徑中的關鍵酶活性表達量從而引起黃酮類成分含量上的動態(tài)變化差異，結果表明，適度的干旱及鹽脅迫能夠提高黃芩中相關合成酶的活性，并且有利于黃酮類成分的合成與累積，但也存在一定的限度，當脅迫程度加劇至超過黃芩自身生理調節(jié)功能，脅迫因素所產生的積極作用會轉變?yōu)橐种疲瑥亩绊扅S酮類成分的轉化。劉洋[40]利用非靶向GC-MS技術結合PLS-DA等的處理方法對干旱脅迫下蒙古黃芪與膜莢黃芪進行植物代謝組學分析，鑒定了196種代謝成分并從中篩選出46種差異代謝物，結果表明，在干旱脅迫下，蘋果酸和甘露糖僅在膜莢黃芪的葉片中顯著增加，蔗糖和肌醇僅在蒙古黃芪中具有顯著的累積現象，揭示了在干旱脅迫下蒙古黃芪與膜莢黃芪間的代謝物存在較大的差異。此研究還利用靶向LC-MS技術共分析了28種酚類代謝物和2種關鍵化合物，其中酚酸類成分僅在干旱脅迫下的蒙古黃芪的葉片中有増加，而膜莢黃芪中沒有，推測其可能是蒙古黃芪比膜莢黃芪更具耐旱性的原因之一。

根及根莖類中藥材在種植過程中受周圍環(huán)境影響可能會使成分含量產生一定的動態(tài)差異，進而對藥材采收品質產生影響。植物代謝組學技術的應用初步解釋了環(huán)境影響下的成分代謝機制及植株耐受機制，為后續(xù)蛋白質組學、基因組學等機制研究提供了理論基礎，同時也為根及根莖類中藥材的種植產地及環(huán)境選擇提供合理依據以保證根及根莖類中藥材人工種植品質。此類研究需要考慮的因素較為復雜，目前仍處在廣泛的數據積累階段。

2.3.2 人工干預 隨著市場上對根及根莖類中藥材需求量的增大，野生資源逐漸匱乏，人工種植的形勢成為市場主流。在田間種植的中藥植株難免會受到病蟲草害、溫度水分等生物及非生物的脅迫，由于考慮到中藥作物的產量、品質及經濟效益，人工的用藥干預不可避免。

近年來，植物生長調節(jié)劑因其效果好、用量少、毒性低、成本少的特性在中藥種植領域受到廣泛的研究及應用，為了更好地研究其應用對根及根莖類中藥材的品質影響及建立系統(tǒng)全面的中藥品質安全性評價體系，基于植物代謝組學技術的方法研究越來越多。王超群[41]通過UPLC-Q-TOF-MS檢測結合PCA、PLS-DA等多元統(tǒng)計分析方法對外源施加矮壯素的黨參進行代謝產物分析，結果篩選出了21個與施用矮壯素相關的潛在化學標志物，為黨參種植過程中矮壯素使用安全性的定性和定量評估奠定了數據基礎，并為黨參的品質評價提供了參考。

課題組前期對植物生長調節(jié)劑在中藥中的應用情況進行了多方面調研與田間試驗研究，通過UPLC-Q-TOF-MS結合統(tǒng)計學分析技術對外源施加幾種植物生長調節(jié)劑的桔梗、板藍根及延胡索等典型根及根莖類中藥材進行了基于植物代謝組學技術的外在及內在品質評價研究，并發(fā)現施藥前后藥材的外觀性狀和內在成分在時間空間上均存在較大的差異，且具有一定的規(guī)律性，為后續(xù)根及根莖類中藥材施加植物生長調節(jié)劑后的質量安全性評價研究提供了數據參考。

2.4 在采收及炮制加工中的應用

2.4.1 產地加工 產地加工是中藥進入商品市場前的初步處理和干燥過程，主要是去除樣品中的雜質及多余水分，以便于儲存、運輸和臨床使用，也是保證藥材質量的重要環(huán)節(jié)之一。在干燥過程中，采集的中藥植株可能會導致部分揮發(fā)性成分的降解或散失，也可能會有的新化合物形成[42]。羅益遠等[43]采用UPLC-Q-TOF-MS技術結合PCA、PLS-DA等統(tǒng)計學方法分析白術根莖部位在40 ℃烘干、曬干、陰干、微波干燥下的成分差異，結果篩選出10種區(qū)分不同干燥方法的特征性成分，并發(fā)現這些成分在不同干燥條件下呈現出不同的變化規(guī)律，其中，陰干、曬干品的特征化合物含量較高，而微波干燥品中特征化合物的相對含量較低，可能原因為微波技術雖然干燥速率較快，但瞬間的升溫過程會對白術中萜類、苷類成分造成破壞損失，并由此得出白術陰干、曬干的干燥方式為佳。

Dai等[44]采用NMR與LC-MS技術相結合的植物代謝組學方法分析丹參在不同干燥方式下初級和次級代謝物的變化，結果發(fā)現空氣和陽光干燥是通過增強丹參酮和谷氨酸介導的脯氨酸生物合成及改變碳水化合物和氨基酸的代謝，顯著影響丹參的初級和次級代謝。風干促進莽草酸介導的多酚酸生物合成，曬干則會抑制多酚酸的生成。此結果有利于了解藥材產地加工作用的重要價值。

相關研究目前仍處在發(fā)展階段，通過植物代謝組學的方法系統(tǒng)地分析根及根莖類中藥材內在特征成分的差異，從而發(fā)現根及根莖類中藥材在采收后經不同的干燥過程會對其內在成分產生一定的影響，并以此篩選得出產地加工的最佳干燥方式，為保證中藥材的內在質量方法提供了一定的參考價值，此類研究也可能為一些特殊中藥的耐旱性質提供一些潛在的重要代謝信息。

2.4.2 炮制加工 中藥炮制是指未經加工的中藥材在中醫(yī)藥理論的指導下，運用凈、切、炒、煅、炮、炙、浸、泡、蒸、煮等工藝方法制成飲片，以應用于臨床的過程[29]，是我國獨有的中藥材處理方法。中藥炮制具有減毒增效、緩和藥性及擴展藥理作用等的效果。為闡釋根及根莖類中藥材的炮制機制及藥效機制，植物代謝組學越來越多的應用于根及根莖類中藥材炮制前后的分析，見表1。

表1 植物代謝組學在根及根莖類中藥炮制加工中的應用

部分根及根莖類中藥材本身具有一定的毒性，但炮制后會出現減毒的效果，如半夏、京大戟等，經液質聯用檢測技術結合統(tǒng)計學分析發(fā)現[15,45]，明礬炮制后的半夏毒性降低可能是因為所含草酸鈣等毒性成分的含量降低，醋煮炮制后的京大戟毒性降低可能是因為在炮制過程中，加熱和醋酸可能會使有毒性作用的二萜類成分結構遭到破壞，使其含量降低。

經文獻查閱，炮制前后中藥中的初級和次級代謝產物大都會存在顯著的差異，這也是炮制使中藥得以增效、緩性及產生與生品不同藥理作用的主要原因。周國洪等[50]通過PCA、PLS-DA輔助UPLC-MS技術的植物代謝組學分析方法對生、熟地黃進行檢測，發(fā)現生地黃和熟地黃的代謝物含量存在較大差異，其中，在生地黃蒸制為熟地黃后,主要活性成分環(huán)烯醚萜苷類的含量顯著下降，而環(huán)烯醚萜苷元含量顯著上升，推測可能是生、熟地黃功效存在差異的原因，而熟地黃質地變黏，味由苦轉甘可能是由于蒸制后的地黃中果糖和半乳糖含量明顯上升造成。另有研究表明，白術炮制前后的樣本經植物代謝組學方法分析，推測可能由于其蜂蜜麩炒后蒼術內酯III成分的含量上升，故使炮制后白術在保護腸黏膜、促進腸內營養(yǎng)物質吸收的效果方面得以加強[47]。

對于根及根莖類中藥材，同一品種的炮制方法有很多，但不一定每種方式都會產生增效作用。例如烏藥炮制方法多樣，包括酒制、醋制、炒制等，其中醋制烏藥與烏藥的內在成分含量及藥效作用的差異較大，易柳等[51]通過UPLC-三重四極桿復合線性離子阱質譜及PCA、OPLS-DA統(tǒng)計學分析，鑒定出烏藥與醋制烏藥的差異代謝物并從中篩選出了156個具有顯著性的差異代謝物，同時發(fā)現了烏藥的指標性成分去甲異波爾定經醋制后含量顯著減少，由于去甲異波爾定能作用于炎癥的多個通路，故推測其含量減少可能會導致烏藥醋制后的抗炎作用發(fā)生減弱。

綜上，植物代謝組學在根及根莖類中藥材炮制中的應用不僅可以鑒別出炮制前后代謝產物的差異，也可以更深入的闡釋不同炮制方式所帶來的影響，并由此探索根及根莖類中藥材的最優(yōu)炮制方法，以提升中藥炮制品的藥用價值。目前此方面仍需大量數據積累與驗證，以進一步闡釋其炮制機制。

3 與其他組學聯合在根及根莖類中藥中的應用

植物代謝組學的主要研究對象是植物的代謝產物，但由于植物特別是中藥中代謝產物化學性質的復雜性與多樣性，僅憑植物代謝組學的研究數據并不能全面的解釋中藥的藥效機制或其生長各段品質性狀的成因，故植物代謝組學與其他組學（如轉錄組學、蛋白組學、基因組學等）的多組學聯合分析已逐漸成為植物組學的研究熱點。

通過近幾年的文獻報道顯示，以植物代謝組學為中心的多組學聯合分析方法在根及根莖類中藥的外界脅迫和藥效成分作用的相關機制研究已有應用。有研究利用UPLC/Q-TOF-MS及轉錄組測序技術（RNA-sequencing，RNA-seq）對人工種植產生的橙色表型丹參與普通種類的丹參進行植物代謝組學及轉錄組學的分析，并根據結果推測出呈橙色表型的丹參根品質下降的原因，即在人工種植的大田環(huán)境中生長的丹參會受到各種外界脅迫，植株體內可能出現不尋常的轉錄起始和不正確的蛋白質折疊，從而使相關蛋白質降解，有效成分發(fā)生轉化[52]；還有研究利用LC-MS/MS及RNA-seq技術研究了茉莉酸甲酯誘導板藍根毛狀根產生的代謝產物含量變化及基因表達變化，從而探索木脂素、類黃酮等有效成分的合成途徑[53-54]，以挖掘調控代謝產物積累的核心基因，從而揭示重要成分的合成特點及調節(jié)機制。

植物代謝組學與其他組學的聯合技術目前仍處于發(fā)展階段，其組合提供了根及根莖類中藥從基因組到代謝組及表型特征的各種功能途徑的綜合信息，互相補充信息與驗證依據[55]，為根及根莖類中藥材質量控制研究提供更為科學的參考。

4 結語與展望

以中藥臨床應用相對較多的植物型種類——根及根莖類中藥為對象，通過植物代謝組學結合多種先進的檢測技術對其中的代謝產物進行系統(tǒng)分析，包括品種鑒定（相似異用、摻偽鑒別等）、正常種植生長（時空分布）、外界因素干預生長（環(huán)境、人為等因素）、中藥采收后的產地加工及后續(xù)炮制加工等方面的全產業(yè)鏈應用研究，進而對其品種鑒定、生長發(fā)育機制、炮制機制及對外界脅迫發(fā)生的抗性機制產生更為深刻的理解，為根及根莖類中藥材在中醫(yī)臨床上應用的正確品種選擇及最佳生長年限、入藥部位再開發(fā)、產地及炮制加工工藝等的選擇提供參考及數據支持，同時也為根及根莖類中藥材在種植栽培中的合理用藥提供依據，為其在質量控制和安全性評價方面的進一步研究提供參考。

目前，植物代謝組學在根及根莖類中藥中的應用仍存在不足之處。（1）對于植物代謝組學的儀器檢測技術仍需不斷完善，各項技術均存在一定的局限性，目前還沒有任何一種儀器檢測技術可以獨立且完整的完成植物代謝組學的全面分析，因此，多技術聯合測定仍為較熱門的發(fā)展趨勢。（2）植物代謝組學的研究對象主要針對整體代謝產物，但現在對于根及根莖類中藥材相關代謝信息的數據庫并不完備，且中藥種類繁多且雜，很多代謝方面的研究仍是空白，故應針對不同品種進行探索與數據積累，以完善根及根莖類中藥材的代謝組學數據庫。（3）系統(tǒng)的挖掘和處理海量的數據仍然是當前植物代謝組學的技術瓶頸，需要建立一種高覆蓋率的數據采集策略以最小化低豐度的代謝物信息[8]。（4）植物代謝組學對根及根莖類中藥材中的各種機制研究主要是根據不同代謝產物形成的網絡途徑從而進行推測與闡述，并不能全面解釋表型形成及功能發(fā)揮的內部作用機制，故還需要結合更多種的組學技術（如蛋白質組學、轉錄組學及基因組學）來進行更加深入的研究，以挖掘功能基因，系統(tǒng)闡釋活性成分的合成與代謝機制，從而為根及根莖類中藥材的質量安全保證與品質提升提供更為科學的依據。

未來植物代謝組學技術的發(fā)展必定會對中藥領域產生強大的推動力，儀器性能的完善、數據處理方法的提升、代謝物數據庫的完備及多組學的聯合闡釋，將促進中藥朝著科學化、現代化的方向發(fā)展前進，使中醫(yī)藥文化走向世界。

利益沖突 所有作者均聲明不存在利益沖突

[1] 郭鳳丹, 王興軍, 侯蕾, 等. 植物代謝組學研究進展 [J]. 山東農業(yè)科學, 2017, 49(12): 154-162.

[2] 段禮新, 漆小泉. 基于GC-MS的植物代謝組學研究 [J]. 生命科學, 2015, 27(8): 971-977.

[3] 王露露, 李冰, 王圳伊, 等. 基于“整體觀”系統(tǒng)生物學技術在中藥研究中的應用進展 [J]. 中草藥, 2020, 51(19): 5053-5064.

[4] Rizo J, Guillén D, Farrés A,. Omics in traditional vegetable fermented foods and beverages [J]., 2020, 60(5): 791-809.

[5] 周濟, Francois T, Tony P, 等. 植物表型組學: 發(fā)展、現狀與挑戰(zhàn) [J]. 南京農業(yè)大學學報, 2018, 41(4): 580-588.

[6] 張改君, 苗靜, 郭麗穎, 等. 多組學聯用在中藥作用機制研究中的應用 [J].中草藥, 2021, 52(10): 3112-3120.

[7] 王瑛, 李金霞. 代謝組學技術在植物生態(tài)學研究中的應用 [J]. 草業(yè)科學, 2018, 35(10): 2354-2372.

[8] Xiao Q, Mu X L, Liu J S,. Plant metabolomics: A new strategy and tool for quality evaluation of Chinese medicinal materials [J]., 2022, 17(1): 1-19.

[9] 梁威. 2020年版《中國藥典》(一部) 根及根莖類中藥基原及藥用部位統(tǒng)計分析 [J]. 亞太傳統(tǒng)醫(yī)藥, 2022, 18(8): 168-172.

[10] 劉霞, 王映紅. 基于NMR的代謝組學技術在藥用植物研究中的應用 [J]. 藥學學報, 2017, 52(4): 541-549.

[11] 崔芙巖, 楊佳穎, 王志剛, 等. 代謝組學在中醫(yī)藥領域的應用與展望 [J]. 中草藥, 2022, 53(14): 4512-4526.

[12] 王斌, 張騰霄, 趙倩, 等. 植物代謝組學在藥用植物中的應用進展 [J]. 中華中醫(yī)藥學刊, 2021, 39(5): 28-31.

[13] 田淑云, 廖朝華, 周紫薇, 等. 植物代謝組學在藥材質量評價中的研究進展與展望 [J]. 藥學學報, 2022, 57(6): 1734-1749.

[14] 馮敏, 張文智, 張雯霞, 等. 植物代謝組學技術在中藥資源研究中的應用 [J]. 藥物評價研究, 2020, 43(4): 785-789.

[15] 曾顏, 侯朋藝, 陳曉輝. 基于植物代謝組學技術的京大戟炮制前后化學成分變化研究 [J]. 中藥材, 2016, 39(3): 530-533.

[16] Hong J, Yang L T, Zhang D B,. Plant metabolomics: An indispensable system biology tool for plant science [J]., 2016, 17(6): 767.

[17] Pott D M, de Abreu e Lima F, Soria C,. Metabolic reconfiguration of strawberry physiology in response to postharvest practices [J]., 2020, 321: 126747.

[18] Zuo J H, Grierson D, Courtney L T,. Relationships between genome methylation, levels of non-coding RNAs, mRNAs and metabolites in ripening tomato fruit [J]., 2020, 103(3): 980-994.

[19] Zeng C Z, Lin H Y, Liu Z X,. Metabolomics analysis ofwith respect to harvesting time [J]., 2020, 128: 108814.

[20] Karthikkeyan G, Pervaje R, Subbannayya Y,. Plant omics: Metabolomics and network pharmacology of liquorice, Indian ayurvedic medicine yashtimadhu [J]., 2020, 24(12): 743-755.

[21] Tong Q, Zhang C, Tu Y,. Biosynthesis-based spatial metabolome ofBunge by combining metabolomics approaches with mass spectrometry-imaging [J]., 2022, 238: 123045.

[22] Oyenihi O R, Oyenihi A B, Erhabor J O,. Unravelling the anticancer mechanisms of traditional herbal medicines with metabolomics [J]., 2021, 26(21): 6541.

[23] 張劍霜, 喻浩, 鐘欣, 等. 基于GC-MS代謝組學技術比較冬蟲夏草與蟬花的質量 [J]. 中國實驗方劑學雜志, 2018, 24(18): 23-29.

[24] Luo H, Ming L S, Tong T T,. Chemical comparison ofandbased on quantitative analysis of multiple components by HPLC coupled with electrospray ionization tandem triple quadrupole mass spectrometry [J]., 2020, 103(4): 1148-1159.

[25] Shang X H, Huang D, Wang Y,. Identification of nutritional ingredients and medicinal components ofand its varieties using UPLC-MS/MS-based metabolomics [J]., 2021, 26(21): 6587.

[26] 焦美麗, 李震宇, 張福生, 等. 基于分子標記和代謝組學技術的黃芪與紅芪比較研究 [J]. 藥學學報, 2015, 50(12): 1625-1631.

[27] 章莎莎, 邢婕, 李震宇, 等. 基于GC-MS代謝組學技術對不同品種柴胡揮發(fā)油的研究 [J]. 中國實驗方劑學雜志, 2014, 20(12): 84-87.

[28] Wallace E D, Todd D A, Harnly J M,. Identification of adulteration in botanical samples with untargeted metabolomics [J]., 2020, 412(18): 4273-4286.

[29] 李震宇, 崔伊凡, 秦雪梅. 中藥材質量評價的挑戰(zhàn)與代謝組學應用于中藥材質量評價的研究進展[J]. 中草藥, 2018, 49(10): 2221-2229.

[30] Zeng X, Li J X, Lyu X K,. Untargeted metabolomics reveals multiple phytometabolites in the agricultural waste materials and medicinal materials of[J]., 2022, 12: 814011.

[31] 李樂樂. 應用植物代謝組學方法研究不同人參制品的化學成分差異 [D]. 長春: 長春中醫(yī)藥大學, 2020.

[32] Jin D, Dai K P, Xie Z,. Secondary metabolites profiled ininflorescences, leaves, stem barks, and roots for medicinal purposes [J]., 2020, 10: 3309.

[33] 張彩云. 基于植物代謝組學技術的何首烏質量評價研究 [D]. 廣州: 廣東藥科大學, 2016.

[34] 楊應文, 王亞麗, 薩日娜, 等. 不同生長期當歸1H NMR指紋圖譜的研究 [J]. 波譜學雜志, 2013, 30(1): 69-79.

[35] 張娜, 蘇風山, 周園濤, 等. 基于植物代謝組學和指標成分的黃芩藥材優(yōu)質標準研究 [J]. 中國中藥雜志, 2022, 47(10): 2681-2688.

[36] 黃璐琦, 郭蘭萍. 環(huán)境脅迫下次生代謝產物的積累及道地藥材的形成 [J]. 中國中藥雜志, 2007, 32(4): 277-280.

[37] 原靜靜, 孫曉琛, 栗錦鵬, 等. 代謝組學在藥用植物非生物脅迫中的應用 [J]. 中國中醫(yī)藥信息雜志, 2023, 30(1): 176-180.

[38] 仉勁. 應用多組學技術解析丹參應答干旱脅迫的機制 [D]. 泰安: 山東農業(yè)大學, 2020.

[39] 管仁偉, 郭瑞齊, 林慧彬, 等. 基于植物代謝組學技術的干旱及鹽脅迫對黃芩中黃酮類成分影響的研究 [J]. 中草藥, 2022, 53(5): 1504-1511.

[40] 劉洋. 應用代謝組學對比研究兩種黃芪響應UV-B和干旱脅迫的代謝基礎 [D]. 哈爾濱: 東北林業(yè)大學, 2018.

[41] 王超群. 矮壯素對黨參代謝產物及其土壤微生態(tài)的影響 [D]. 蘭州: 蘭州大學, 2021.

[42] Zhang L L, Lv S, Xu J G,. Influence of drying methods on chemical compositions, antioxidant and antibacterial activity of essential oil from lemon peel [J]., 2018, 32(10): 1184-1188.

[43] 羅益遠, 錢旭武, 沙秀秀, 等. 基于UPLC-QTOF-MS結合多元統(tǒng)計的不同干燥方法白術中化學成分差異分析 [J]. 中國藥學雜志, 2022, 57(10): 784-790.

[44] Dai H, Xiao C N, Liu H B,. Combined NMR and LC-MS analysis reveals the metabonomic changes inBunge induced by water depletion [J]., 2010, 9(3): 1460-1475.

[45] Sun L M, Zhang B, Wang Y C,. Metabolomic analysis of rawand its alum-processed products via UPLC-MS and their cytotoxicity [J]., 2019, 33(2): e4411.

[46] 孫慧敏. 柴胡醋制前后的化學及藥理比較研究 [D]. 太原: 山西大學, 2016.

[47] Shan G S, Zhang L X, Zhao Q M,. Metabolomic study of raw and processedKoidz by LC-MS [J]., 2014, 98: 74-84.

[48] Hu L Q, Wang Y Q, Sun H J,. An untargeted metabolomics approach to investigate the wine-processed mechanism ofin acute lung injury [J]., 2020, 253: 112665.

[49] 文旺, 李莉, 李德坤, 等. 基于液質聯用技術和植物代謝組學的甘草炮制品化學成分差異性分析 [J]. 中國實驗方劑學雜志, 2020, 26(17): 104-110.

[50] 周國洪, 趙珍東, 汪小根, 等. 基于植物代謝組學的地黃蒸制前后化學成分變化研究 [J]. 海峽藥學, 2020, 32(7): 34-37.

[51] 易柳, 王瑞穎, 高元峰, 等. 基于液質聯用技術和植物代謝組學的烏藥醋制前后質量差異研究 [J]. 中國藥師, 2022, 25(6): 1000-1007.

[52] Zhan Z L, Fang W T, Ma X H,. Metabolome and transcriptome analyses reveal quality change in the orange-rooted(Danshen) from cultivated field [J]., 2019, 14(1): 42.

[53] Zhang L, Chen J F, Zhou X,. Dynamic metabolic and transcriptomic profiling of methyl jasmonate-treated hairy roots reveals synthetic characters and regulators of lignan biosynthesis inFort [J]., 2016, 14(12): 2217-2227.

[54] Chen J F, Dong X, Li Q,. Biosynthesis of the active compounds ofbased on transcriptome sequencing and metabolites profiling [J]., 2013, 14(1): 1-13.

[55] Yang Y D, Ali Saand M, Huang L Y,. Applications of multi-omics technologies for crop improvement [J]., 2021, 12: 563953.

Research progress on plant metabolomics in root and rhizome traditional Chinese medicine

YANG Yu-ying1, 2, MIAO Shui2, LI Wen-ting2, JI Shen1, 2

1. School of Pharmacy, Shanghai University of Traditional Chinese Medicine, Shanghai 201203, China 2. Key Laboratory for Quality Control of Traditional Chinese Medicine of National Medical Products Administration, Shanghai Institute for Food and Drug Control, Shanghai 201203, China

With the advancement of life science research and instrumental analysis, plant metabolomics has been gradually applied to the study of root and rhizome herbs as an important analytical tool. The paper reviews the application of plant metabolomics technology in the identification of root and rhizome Chinese medicine species, cultivation and growth under the influence of normal and external factors as well as harvesting and processing, with the aim of providing a reliable basis for research on the identification of related species, growth and development mechanism, preparation mechanism and quality and safety control of root and rhizome traditional Chinese medicine, and providing references for the in-depth research on the mechanism of medicinal efficacy, improvement of artificial cultivation method, optimal selection of preparation method, quality control of marketing and safety evaluation, so that the plant metabolomics technology can better play its role in the development of the whole industrial chain of root and rhizome traditional Chinese medicine.

plant metabolomics; roots; rhizomes; traditional Chinese medicine; metabolite; detection technology

R284

A

0253 - 2670(2023)20 - 6856 - 10

10.7501/j.issn.0253-2670.2023.20.029

2023-04-25

國家藥典委員會課題（2022Z14）；上海市中藥和保健食品品質與安全檢測專業(yè)技術服務平臺（21DZ2290200）

楊鈺穎，碩士研究生，研究方向為中藥質量控制和安全性檢測。E-mail: yangyuying2023@163.com

通信作者：季 申，博士，主任藥師，博士生導師，從事中藥、天然藥物及保健食品質量控制和安全性檢測方法研究。E-mail: jishen2021@126.com

[責任編輯 趙慧亮]