基于种内分化的中药大黄道地性形成的遗传学机制研究

Studies on geoherbalism have long been one of the hot issues in the field of Chinese pharmacology. Investigating the genetic differentiation of the source plants and the history of population dynamics can help to understand the historical causes of intraspecific differentiation and the current distribution pattern of source plants, and thereby to reveal the geoherbalism formation mechanism of Chinese medicinal materials. Rhubarb is an important bulk medicinal material, and its source plants (i.e. Rheum officinale, R. palmatum and R. tanguticum) are ideal candidates for studying geoherbalism formation. Our previous studies indicated that these three 'species' should be considered as a single species. However, there occurs high intraspecific differentiation. In this project, with 'population' as the basic unit, we aim to investigate the genetic variability and divergence of the source plants at chromosomal, gene (i.e. cpDNA & nucDNA) and microsatellite (SSR) loci levels. In association with paleogeologic and paleoclimatic data, the relationship of intraspecific differentiation and the geoherbalism formation mechanism of rhubarb would be discussed. This study attempt to explain the relationship of geoherbalism formation of rhubarb and the origin and evolutionary history, population dynamics of the source plant of rhubarb on both the cellular and molecular levels. The findings would not only explain the genetic mechanism of the geoherbalism formation of rhubarb, but also provide valuable references for studying geoherbalism formation of similar Chinese medicinal materials.

药材道地性的研究一直是中药学领域的热点问题之一，对其原植物的遗传分化、居群动态历史进行研究有助于了解药材原植物的种内分化和现今分布格局的历史成因，进而揭示药材道地性的形成机制。大黄是我国一种重要的常用大宗药材，其原植物（药用大黄、掌叶大黄和唐古特大黄）是研究药材道地性形成的理想材料。我们前期的研究结果表明这三个种是不成立的，但种内仍然存在着巨大的分化。因此本项目拟以大黄原植物的自然居群为研究单元，从染色体、基因（单亲遗传的叶绿体基因和双亲遗传的核基因）及微卫星位点三个层面对大黄原植物的群体变异和遗传分化进行研究，揭示其遗传变异的地理空间格局式样；结合大黄原植物起源以来的古气候和古地质资料分析，探讨其自然居群的种内遗传分化与大黄药材道地性形成的关系。本项研究是从细胞和分子层面阐释大黄原植物的起源与进化历史、居群动态及其与大黄道地性形成关系的一种尝试，研究结果可为其它药材的类似研究提供借鉴。

大黄原植物种内存在着巨大的分化，是研究药材道地性形成的理想材料。本项目从染色体、叶绿体基因与核基因及微卫星分子标记分析了大黄原植物的遗传分化及其与现今分布格局的关系以及居群动态历史，揭示了大黄道地性的形成机制。研究结果如下：染色体分析表明大黄原植物均为二倍体，核型上存在一定变异，但这种变异与形态变异没有相关性；除叶绿体基因显示大黄原植物无明显的遗传结构以外，低拷贝核基因和微卫星位点标记证据均支持大黄原植物居群整体上可划分为东、西部两大分支，尽管在个别居群上在两种遗传标记间存在差异。核基因数据支持遗传变异主要发生在两个分支之间，分支以内的遗传变异较小；而微卫星位点标记支持遗传变异主要发生在居群内，分支之间的遗传变异较小，这种差异可能与基因的进化速率不同有关；更新世期间发生的地质事件以及气候的剧烈振荡对大黄原植物的分布格局形成及进化历史有较大的影响；大黄原植物在遗传上划分的东、西部两大分支与地理分布格局存在显著的相关性，且与传统的大黄道地与非道地产区吻合，即西部分支代表大黄道地产区，东部分支代表大黄的非道地产区，大黄道地性的形成与其原植物的种内分化相关；该项目的完成为同类型的研究提供了借鉴，也为大黄原植物的有效利用提供了科学依据。