神农架药用植物多组学成分谱及其治疗潜力研究

《Chinese Medicine》：Omics-based profiling and therapeutic potential of natural components in pan-Shennongjia medicinal herbs

本研究针对神农架地区丰富但未被系统研究的药用植物资源，整合405种代表性物种构建了首个区域尺度的多组学成分数据库(SHMC)，涵盖小RNA、小肽、次级代谢物和碳水化合物等2000余万种分子。通过案例研究揭示了环境驱动代谢谱适应性分化机制，并利用AI辅助系统验证了黄连生物碱和蜈蚣小肽等成分的治疗潜力，为区域药用资源保护和新药研发提供了重要基础。

　　

在中华医药宝库中，神农架地区犹如一颗璀璨的明珠，这里不仅是全球重要的生物多样性热点，更传说曾是神农氏尝百草的主要区域。然而，尽管拥有超过3000种药用 taxa（分类群），其中大量特有物种如神农香菊（Chrysanthemum indicum var. aromaticum）的天然成分和治疗潜力仍如迷雾般未被揭开。现有天然产物数据库如COCONUT虽规模庞大，却缺乏区域特色物种的组学数据，更未能建立成分与物种间的明确关联。这种数据空白严重制约了珍稀药用资源的保护和可持续利用。

为解开这一困境，Song等研究人员在《Chinese Medicine》发表了题为"Omics-based profiling and therapeutic potential of natural components in pan-Shennongjia medicinal herbs"的研究。他们首次系统整合了神农架地区405种代表性生物物种（对应323种中药材），构建了中文属种级系统发育树，发现该区域在科级水平上存在支系特异性物种富集现象。通过构建神农架草药多组学成分(SHMC)数据库，整合了包括小RNA、小肽、次级代谢物和碳水化合物在内的2000余万种组学分子，揭示了成分跨物种分布的系统发育选择性规律。

研究团队采用多组学整合分析策略，包括系统发育树构建（U.PhyloMaker软件）、广泛靶向挥发组学(HS-SPME-GC-MS/MS)、多糖提取与活性评价（ABTS/FRAP法）、基因组六框翻译预测（EMBOSS/ORFIPY）、小RNA鉴定（miRDeep2）等关键技术。样本涵盖神农架地区特有药用植物（如神农香菊、扭梗石斛）和动物（如少棘巨蜈蚣），结合公共数据库数据和实验验证，确保数据的全面性和准确性。

多样性及系统发育代表性

研究团队基于《中国药典》、《中国植物志》等权威资料，鉴定出神农架地区104科405种代表性药用物种。通过家族水平富集分析发现，景天科、蓼科和兰科等家族显著富集，表明区域药用选择具有独特偏好。系统发育分析显示，神农架草药与药典收录物种在较细的系统发育尺度上呈现过度分散模式，提示区域药用知识体系可能受到地方性知识系统和生态条件的共同塑造。

神农香菊成分特异性

对特有物种神农香菊的挥发组学分析发现336种物种特异性高积累代谢物，其中萜类化合物占主导地位（99种，29.5%），特别是倍半萜（85%）和单萜（13%）。通过构建TPS（萜类合成酶）-萜类共表达网络，结合原核表达验证，发现TPS基因的功能分化是形成其独特香气谱的内在分子基础。环境压力通过驱动遗传重编程，导致代谢物超积累，最终实现生态适应性优化。

扭梗石斛多糖积累

比较三种石斛多糖发现，扭梗石斛粗多糖提取率最高，且其多糖在ABTS清除率和FRAP抗氧化能力评价中表现出独特活性。前期研究证实扭梗石斛多糖对酒精性急性胃黏膜损伤和DSS诱导的溃疡性结肠炎具有显著改善作用，通过调节肠道菌群、黏膜屏障和免疫屏障发挥胃肠道保护功效。

SHMC数据库构建

SHMC数据库整合了323种中药材的四大类成分：85万条小RNA（含2.1万条miRNA）、2822万条小肽、7万条次级代谢物和1410种碳水化合物。功能模块包括次级代谢物ADMET（吸收、分布、代谢、排泄、毒性）分析和靶点预测工具，以及基于DeepSeek 671B R1模型微调的AI对话系统，支持自然语言交互查询。

成分分布规律

系统发育可视化显示，65%以上物种至少有一种次级代谢物记录，而小RNA和碳水化合物数据覆盖率较低。成分分布呈现明显的系统发育信号，麝属、石斛属和螳螂属富含小肽，菊属和大黄属等植物类群次级代谢物丰富。值得注意的是，尽管景天科在区域使用频率较高，但该科12种物种中有11种缺乏次级代谢物数据，反映出研究不平衡现象。

黄连成分治疗潜力验证

对黄连123种次级代谢物分析显示，生物碱占34.15%，其中88%为异喹啉类生物碱。通过"成分-靶点-通路"网络构建，发现氧化小檗碱、药根碱和小檗碱等成分与抗炎、抗菌、抗病毒和抗肿瘤通路密切相关。分子对接显示氧化小檗碱和药根碱与靶点结合能较低。同时首次发现黄连miRNA可能通过调控甘油脂代谢和胞葬作用等通路发挥治疗作用，为多成分协同作用提供新证据。

蜈蚣小肽治疗潜力挖掘

整合852,214条SHMC预测序列和307,345条转录组小肽，鉴定出33,991条高置信度蜈蚣小肽。基因组分布显示非启动子末端区域(Nptr)来源肽段数量最多（10,105条），长度和分子量也显著大于其他基因组特征区域。功能预测显示这些肽段富集于感染防御、免疫调节和癌症相关通路，其中8,336条独特抗炎肽中35.1%具有高置信度抗炎活性。

本研究建立了"环境压力→遗传重编程→代谢超积累→生态适应性优化"的进化框架，揭示了神农架草药成分多样化的环境驱动机制。SHMC数据库作为首个区域尺度的多组学成分资源，不仅填补了特有药用物种数据空白，更通过AI辅助靶点挖掘和实验验证，为传统药物现代化研究提供了新范式。该研究为区域药用资源保护和新药研发奠定了坚实基础，同时为其他地区特色生物资源研究提供了可借鉴的方法学框架。随着全基因组GPCR药物筛选平台等技术的发展，结合SHMC等数据库的天然产物挖掘，将推动中医药资源在药物发现领域实现跨越式发展。