“北有人参，南有砂仁”，素有“南药瑰宝”之美誉的砂仁是我国著名的“四大南药”之一。从“十大广药”到“十大云药”，一株小小的砂仁，见证了道地药材的产地变迁，也演绎了“一种药材致富一个民族”的传奇佳话。
近日，中国医学科学院药用植物研究所云南分所张丽霞研究员团队，联合中山大学杨得坡教授团队和中国农业科学院深圳农业基因组研究所王丽研究员团队，在《Horticulture Research》(IF = 8.7)发表题为 “Multiomics comparison among populations of three plant sources of Amomi Fructus” 的研究论文，研究组装了阳春砂的染色体水平基因组，并对砂仁多基原物种群体进行了比较，为阳春砂的道地性保护和产业化发展提供了新思路，将为砂仁基原物(变)种的保护、遗传多样性提高、以及识别砂仁道地性和恰当的临床应用提供重要指导。
砂仁是我国传统“四大南药”之一，《中国药典》收载其来源于阳春砂、绿壳砂和海南砂的干燥成熟果实。砂仁入药始载于唐?《药性论》，距今已有1300多年的历史，具有化湿开胃，温脾止泻，理气安胎之功效，是治疗和预防肠胃病的要药。砂仁作为主要原料生产的中成药有“香砂养胃丸”、“香砂胃苓丸”、“香砂平胃颗粒”、“春砂六群丸”等134种。作为著名的药食同源品种，砂仁在保健品、调料、蜜饯、酒、茶、药膳中也被广泛应用。现代研究表明三种砂仁中以阳春砂品质最佳，为国产砂仁药材的主流品种。阳春砂道地产区是广东省阳春市，后因气候条件变化等多种原因使广东的阳春砂种群维持严重依赖人工授粉；而栽培区云南省因可以自然授粉，目前已成为阳春砂的主产区，提供了中国市场91%以上的阳春砂药材。
该研究组装了阳春砂的染色体水平基因组，对砂仁3个基原物(变)种的4个群体：道地产区广东阳春(WVV-YC)与主产区云南西双版纳的阳春砂(WVV-JH)、绿壳砂(WVX)和海南砂(WL)的群体进行了基因组和转录组等方面的综合比较研究，旨在解决三方面的问题：1)阳春砂和绿壳砂萜类相关生物合成基因的表达比较；2)阳春砂中催化龙脑生成樟脑的龙脑脱氢酶基因BDH(borneol dehydrogenase)的筛选、进化讨论和实验验证；3)砂仁4个群体的遗传差异分析。
该研究得到阳春砂基因组大小约为2.83 Gb，共注释到42,473个编码基因，丰富了对该物种基础生物学的理解，促进其比较基因组、遗传图谱和基因功能等的研究。阳春砂萜类生物合成基因主要有3类：TPS (terpene synthesis)，BAHD (borneol acetyltransferases)和BDH，研究比较了这些基因在阳春砂和绿壳砂不同组织和果实发育时期的表达模式发现，阳春砂萜类生物合成基因的表达整体上比在绿壳砂高，这为阳春砂有更好的药效提供了证据。该研究还对这3个基原物种的4个群体进行了重测序和分析，比较4个群体在遗传上的差异，发现50余年的引种历史已使得两地的阳春砂发生了遗传分化，引种到云南西双版纳的阳春砂与当地绿壳砂之间的基因交流增加了云南阳春砂遗传多样性，相比之下，广东阳春的阳春砂多样性最低、可能在经历遗传退化。
阳春砂基因组特征图
砂仁3个基原物种的4个群体遗传分析
该研究结果引发了对那些地理分布狭窄的道地药材种群遗传多样性下降的担忧。遗传多样性的降低可能会导致物种对环境的适合度降低，更容易因病虫害和非生物胁迫使种群个体数量严重减少，从而失去道地优势。同时，该研究还提出了一种可能的保护途径是将植物从道地产区引种到与其野生近缘物种共生的其他适宜生境，与具有更高遗传多样性的野生近缘植物杂交，将有望弥补物种遗传多样性下降的问题，为药用植物的育种提供丰富的遗传资源。研究也呼吁要重视收集和保存药用植物种质资源以增强药材的环境适应性。
中国医学科学院药用植物研究所云南分所张丽霞研究员、中山大学杨得坡教授、中国农业科学院深圳农业基因组研究所王丽研究员为论文通讯作者。博士生陈新连和博士后孙士超为论文的共同第一作者。
该研究得到了国家重点研发计划(2017YFC1701100、2020YFA0907900和2022YFD1600300)，云南省科技人才与平台计划(云南省杨得坡专家工作站、202205AF150071)等项目资助。云南省杨得坡专家工作站于2021年12月经云南省科技厅认定，由中国医学科学院药用植物研究所云南分所联合中山大学建设。杨得坡教授为法国留学博士，中山大学药学院教授、国家科技部南药首席专家，牵头创办“国家南药科技创新联盟”，是目前引领南药产业发展的领军专家，科技成果转化成效显著。杨得坡专家工作站将围绕“云砂仁”等品牌创建及全产业链建设等项目开展攻关研究，力争实现云砂仁等南药大品种的产业升级。
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