基于分子谱系地理学和群体遗传学的黄芩道地药材遗传成因研究

"The more obvious the geoherblism was, the more obvious the genetic differentiation was" is the hypothesis about genetic law for formation of Dao-di medicinal materials advanced by professor Luqi Huang. Verifying the truth of it based on molecular phylogeography and population genetics is important on theory for giving scientific connotation of Dao-di medicinal materials, an experiential standard assessing the quality of medicinal materials. At the same time, it is also important in practice for providing instructive to domestication projects and locality identification by molecular marker of Dao-di medicinal materials..In this study, the genetic divergence of chloroplast genomes and genetic structure of nuclear genomes in wild and cultivated Scutellaria baicalensis will be studied using theories and methods of molecular phylogeography and population genetics. The correlation between genetic variation and phytochemical differentiation will be analyzed combining the gained results of HPLC fingerprints of roots of Scutellaria baicalensis. The objectives of this study will be to: 1) verify the hypothesis "The more obvious the geoherblism was, the more obvious the genetic differentiation was" and evaluate the impacts of genetic variation on geoherblism; 2) unravel the necessity of Dao-di Scutellaria baicalensis domestication in situ or the impacts of domestication ex situ on geoherblism; 3) select out the molecular geography markers for locality identification of Dao-di Scutellaria baicalensis. This study will provide new theories and methods for researching the evolutional law, domestication and locality identification of Dao-di medicinal materials, letting one unit guide a whole area.

"道地性越明显，其基因特化越明显"是黄璐琦研究员关于道地药材遗传成因的模式假说，应用分子谱系地理学和群体遗传学的理论和研究方法验证其科学性，对赋予道地药材这一传统的药材评价标准现代科学的内涵具有重要的理论意义，同时对道地药材栽培制定科学的引种策略和道地药材的产地鉴别提供直接指导，具有重要的实践意义。.本研究以黄芩为材料，应用分子谱系地理学和群体遗传学的理论和方法，从叶绿体和核基因组水平分析野生和栽培黄芩的叶绿体谱系地理模式和核基因遗传结构类型，结合前期化学表型地理变异研究的结果进行相关性分析，旨在①验证"道地性越明显，其基因特化越明显"的模式假说，判明遗传因素对道地性的影响程度；②阐明道地药材栽培是否必须在道地产区就地引种,异地引种对道地性影响有多大；③筛选出道地黄芩产地鉴别的分子地理标识。本研究为道地药材形成规律、栽培引种策略和产地鉴别研究提供了新的理论和方法，起到以点带面的作用。

阐明道地药材的遗传成因是赋予道地药材现代科学内涵、科学指导道地药材引种栽培和产地鉴别的前提。本研究以黄芩为代表，应用分子谱系地理学、群体遗传学和代谢组学对黄芩道地性形成的遗传成因进行了研究。叶绿体分子谱系地理分析表明道地居群集中分布了网状进化树中心的原始单倍型，并具有5个特有单倍型（HapG、HapE、HapN、HapU、HapS），阐明道地居群与非道地居群有明显分化。栽培居群（hT = 0.832）与野生居群（hT = 0.888）相近的总遗传多样性表明了栽培过程轻微的遗传瓶颈。而栽培居群显著低的基因分化系数GST（栽培：0.220，野生：0.701）以及野生居群受距离影响的有限基因流谱系地理模式（r = 0.4346, P < 0.0010）在栽培居群中已消失（r = 0.0599, P = 0.2710）的现象表明黄芩栽培过程中广泛的种子交流和均质化。SSR分析表明栽培居群的期望杂合度（He=0.7441）、观察杂合度（HO=0.5597）、平均等位基因数（NA=14.0667）与野生居群（He=0.7554、HO=0.5524、NA=13.6000）相近，说明栽培黄芩核基因遗传多样性仅有轻微下降；而栽培居群显著低的遗传分化系数Fst（栽培：0.1006，野生：0.1495）和基因分化系数Gst（栽培：0.0630，野生：0.1130）以及显著高的基因流Nm（栽培：2.2354，野生：1.4217）表明栽培过程人为加大了居群间的花粉流。STRUCTURE分析的结果野生居群具有地理分化的两类基因型在栽培居群中均匀分化，栽培居群没有出现新的基因型，表明栽培过程核基因的均质化。黄酮成份分层次聚类分析结果，28个野生居群聚为道地产区以西以南和道地产区以东以北两大类，道地居群分散在这两类中。黄酮成份变化与地理距离相关性分析结果表明黄酮含量变化与地理距离显著相关（r = 0.167，P < 0.01）。道地居群与非道地居群的明显分化初步映证了“道地性越明显，其基因特化越明显”的模式假说；就地引种是保存道地药材优质性、避免种质混杂的有效方法；5个叶绿体特有单倍型可作为道地黄芩初步产地鉴别的分子地理标识。