品质源于设计：基于药效物质的中药品质调控——海军军医大学、上海中医药大学陈万生教授团队中药品质调控研究思路与实践总结

陈万生教授团队主要研究方向为基于药效物质的中药品质调控，针对高活性中药药效物质资源开发所面临的“生物合成途径不明”、“代谢调控效率低”两个关键问题，创建了基于“基因-代谢物”关联谱的中药有效成分生源途径高效解析技术，依托完整、快速、多样化的中药功能基因鉴定系统，多角度表征次生代谢调控网络；同时通过开展基于真实世界证据的中药质量标志物发现、基于结构基因的靶向调控和基于转录因子的全局调控成功提高了活性天然产物含量，为利用次生代谢工程调控中药品质提供了成功范例。

一、创新学术思想的提出——基于药效物质的中药品质调控

中药资源是中医药全产业链可持续健康发展的物质载体和战略基石。中药药效物质不仅是中医药发挥临床疗效的基础，更是现代创新药物开发的源泉。中药品质优劣追根溯源基于其有效成分。中药所含有的独特有效成分的类别及组成是其发挥确切临床疗效的物质基础，也是中药品质的物质内涵。中药材质量低下或者不稳定常常导致临床治疗难以持续有效，“方灵药不灵”带来严重信任危机。药材提质增效是中药实现现代化和国际化的关键环节。“十四五”规划纲要将“强化中药质量监管，促进中药质量提升”纳入中医药传承创新，使之成为国家战略。

药效物质的有无（真伪）多寡（优劣）是评价药材质量的主要内容和制定质量标准的基本依据，其积累水平是遗传背景和环境因素共同作用的结果。长期以来，中药药效物质基本依赖从药用植物中直接提取分离，由于野生资源日益短缺，大宗药材人工种植成为了主要解决途径。当前药材基地主要依据药用植物的农艺性状来制定人工种植技术体系，栽培品的种质选用与遗传育种尚处于农艺性状层面，基本没有关注药效物质的动态积累过程，受制于生源途径认识的局限，对影响有效成分生物合成、积累的关键遗传物质知之甚少，种植技术无法与药材功效关联，种子种苗大多依赖于野生种源。众所周知，“野生”变“家种”不是简单的移栽，药用植物生长的生态环境发生了巨大改变，不可避免会导致种子种苗性状发生改变，药材品质会发生改变或退化，是当前亟需解决的产业发展重大技术难题。阐明有效成分生源途径，是实现“品效关联”的种质资源创制、异源获取和建立中药材生产全过程质量保证体系需要解决的核心关键科学问题，是提升药材品质、确保中药安全有效的前提和基础。

鉴于此，团队提出“基于药效物质的中药品质调控”的研究思路（图1），通过阐明中药活性物质天然形成机制，发现其物质内涵形成靶标，利用代谢工程调控药效物质生物合成，实现中药质量提升。以功能基因挖掘为起点，以生物合成途径解析和调控为重点，以新品种培育和代谢途径重构为落脚点，建立了基于药效物质形成机制解析的中药品质调控工程技术体系，并成功将其应用于培育高品质的中药材创新种质，积极推广科学栽培新技术，帮助建设规范化人工种植基地，为建立中药材生产全过程质量保证体系和中药资源可持续利用提供了全新策略。

二、研究方法策略及实践总结

1、建立中药活性天然产物生源途径解析技术体系

中药次生代谢物生源途径由“代谢流、催化酶、调控网络”三要素组成。对生源途径认识的缺乏已经成为开展代谢调控，实现品质提升的最大障碍，严重制约了该领域的发展，亟需技术创新。团队在充分考虑合成产物的化学多样性，代谢网络的复杂性和基因功能的特异性，构建了“多组学驱动的天然活性产物合成关键酶系的挖掘及机理解析”技术体系：①采用波谱色谱联用技术实现化合物在线高效识别和定量分析，建立了普遍适用于多种中药次生代谢物生源途径由“代谢流、催化酶、调控网络”三要素组成。对生源途径认识的缺乏已经成为开展代谢调控、实现品质提升的最大障碍，亟需技术创新。团队在充分考虑合成产物的化学多样性、代谢网络的复杂性和基因功能的特异性，构建了“多组学驱动的天然活性产物合成关键酶系的挖掘及机理解析”技术体系：①采用稳态同位素失踪、波谱色谱联用等技术实现化合物在线高效识别和定量分析，建立了普遍适用于多种结构类型代谢产物的高效快速检测平台，准确表征代谢流化学轮廓（J.Plant Biol.2016;ACS Chem Biol.2013）；②高通量测序快速获得中药基因组、转录组和代谢组数据，执行基因组组装注释和代谢物指认（PLoS ONE.2015;BMC Gemomics.2014, 2013）；③结合文献和代谢流中化合物时空关系推导生源（Gene.2016;Biotechnol Appl Biochem.2017）；④开展功能基因组学研究，克隆鉴定途径基因和调控基因（Plant Physiol Bioch.2020, 2018;Front Plant Sci.2019; 2018）；⑤基于酶动力学和结构生物学挖掘催化酶活性位点，为理性、精准改造生源途径提供理论依据及候选靶点（Front Plant Sci.2021;Sci Rep.2016）；⑥采用比较基因组学技术发掘基因组中蕴藏的基因簇、调节位点共享等重要信息准确预测基因功能，有效解决缺失基因问题（Phytochemistry.2018;Chin J Nat Med.2016）（图2）。该技术体系以高质量组学数据库为依托，以目标产物化学结构特征和关键限速酶催化模式为基础，以在活性位点环境中进行分子组装为核心，组合优化多种测序组装注释方案，联合使用功能元件挖掘和高通量功能验证等干湿结合方案，提高基因功能注释和代谢网络重构的质量和效率，完整解析合成途径及其调控机理。该方法注重从源头上挖掘具有自主知识产权的基因元件，普遍适用于中药基因发现及功能研究。

图2 基于整合组学大数据快速挖掘鉴定关键基因及代谢途径解析技术体系

（1）构建活性天然产物代谢途径的基因调控网络

高等植物次生代谢过程受到众多基因的调控，这些基因又相互作用形成了一个复杂网络。既往研究发现，中药活性成分的积累具有组织器官特异性，如青蒿素特异性积累于腺毛、丹酚酸和丹参酮积累于根、西红花苷积累于花柱、直铁线莲宁B 积累于根等。因此，团队提出，中药材的品质调控应与药效物质积累、组织器官发育进行关联，中药材生产要兼顾质量和产量，即开展代谢工程需要平衡代谢特质与农艺性状，这对调控网络的解析提出了更高的要求。团队借鉴模式植物研究策略，基于同一代谢通路下的基因共表达这一原理，针对转录组/代谢组数据采用WGCNA分析每个基因的表达模式，将不同基因划入各自所在的表达模式网络中进行共表达分析；结合启动子序列分析，预测目标调控网络中的关键转录因子和目标转录因子的下游调控基因；基于网络中已知功能基因推测同网络中其他功能未知基因功能；在建立高质量组学数据库的基础上通过生化和遗传学手段分析基因敲除突变体表型，明确基因的生物学功能及调控模式；寻找并鉴定互作蛋白，阐明转录因子自身调控机制及其生物学意义，构建基因调控网络（图3）， 实现了生物信息学、分子生物学和化学生物学的交叉融合。

图3 构建活性成分生物合成基因调控网络及研究实践

首次关联青蒿素合成与腺毛发育绘制“发育-代谢”互作网络：分泌型腺毛是黄花蒿重要的次生代谢物合成和储藏器官。腺毛发育和青蒿素合成受到由转录因子构成的复杂精细网络所调控。前人研究多集中在青蒿素生物合成途径中的转录因子，因此发现腺毛发育调控因子并创建完整分子网络图谱是此方向上的新进展。基于组学数据及共表达网络分析，获得了在分泌型腺毛中表达的 R2R3MYB（New Phytologist.2019）和AP2/ERF（Mol Plant.2015）转录因子AaTAR1/2。过表达植株叶片的分泌型腺毛密度和青蒿素含量均显著提高，抑制植株中则显著降低，表明 TAR1/2正调控黄花蒿分泌型腺毛发育。通过RNA-Seq与ChIP-Seq分析，全面解析了TAR1/2 下游调控网络，筛选鉴定到调控腺毛发育的关键转录因子MYB23、青蒿素合成关键转录因子WRKY 和bHLH、催化酶HMGR、DXS、CYP71AV1、DBR2、ADS、CYP71AV1 等多个互作蛋白。此外，TAR2 还可以正调控PAL、C4H、CHS、F3H、DFR 等黄酮途径基因，促进黄酮合成。该研究以黄花蒿为起点，揭示分泌型腺毛发育起始的分子机理，解析了TAR1/2在腺毛发育和青蒿素合成等生物学过程中的核心调控作用，并以此构建了整合腺毛发育和储藏物代谢的基因调控网络，为认识其它植物多细胞腺毛奠定了基础，更为基于“发育-代谢”互作网络开发腺毛细胞工厂提供了理论支撑。

建立苯丙素代谢网络响应植物激素的综合框架：作为一种重要的植物激素，茉莉酸（Jasmonate，JA）信号调控了植物生长和防御过程之间的资源分配，通过上调次生代谢水平应对病虫侵害或其他逆境胁迫。植物如何通过茉莉酸信号通路精确调控基因表达及蛋白修饰等过程感知外界刺激，目前仍不清楚。团队比较了茉莉酸诱导下5 个菘蓝发根株系不同处理时期的转录组和代谢谱，通过共表达网络分析从差异表达的71 个基因及246 个转录因子中进一步获得57个与木脂素代谢基因高度相关的转录因子，预测到168对具有调控关系的基因对。实验验证4 对调控基因对关系；继而整合代谢组数据提出了JA 扰动的重编程促进木脂素代谢的调控机制（Plant Biotechnol J.2016）；JA 处理丹参发根后，RNA-seq 确认大多数直接由MYC2 靶向的丹酚酸合成基因上调转录，进一步结合实验表明SmMYC2a/b共同调控CMK，CPS，TPS，PAL，RAS6 和CYP98A14 促进酚酸合成（Sci Rep.2016;Biotechnol Appl Biochem.2017）。上述研究深入描述了转录调控网络从响应JA 发生重排到实际映射于代谢表型的生理过程和规律，表明JA信号传导和苯丙素途径之间存在多个串扰点，证明了JA响应过程中转录交叉调节对于植物感知和代谢正确反应的重要性。

（2）化学与生物学相融合高效发掘苯丙素途径关键催化酶编码基因

通过对中药材源植物基因组和转录组的分析发现，催化酶往往以多基因家族形式存在。 基于序列同源性预测功能相似性策略筛选候选基因存在鉴定工作量大，突变体可能无表型的问题。团队成员在组学数据注释和元件挖掘基础上，覆盖“器官-组织-亚细胞”水平，关联原位转录组/原位代谢组进一步缩小候选基因范围，进而采用经典的生化遗传方法验证基因功能、表达模式、催化特征、催化机理，快速发现真正行使催化功能的限速酶，创建次生代谢具有物种特异性的个性化标签，为后续调控提供精准靶标。

明确了菘蓝木脂素途径多基因家族成员的催化功能和表达特征：借鉴模式植物研究策略解析菘蓝和丹参基因组/转录组/代谢组数据，基于种间基因功能同源性的比较共表达分析和“基因-代谢物”关联谱，高效发掘苯丙素途径催化酶并开展基因克隆、表达及功能研究。结合生化遗传证据首次明确了IiPLR1 是PLRs 基因家族中唯一可以连续催化松脂醇先后生成落叶松脂素和开环异落叶松脂素的关键酶（Nat Commun.2021），DIR（Acta Pharm Sin B.2023）和4CL3（J Exp.Bot.2015）在木脂素合成网络中起主效作用，为开展基于落叶松脂素生物合成的菘蓝品质改良及合成生物学研究提供了明确的遗传操作靶标。

首次提出并证明了“漆酶负责催化迷迭香酸生成丹酚酸B”这一假说：针对丹酚酸生物合成途径最后存在的“黑盒”，根据化学结构反应类型预测，并通过CRISPR/Cas9 基因编辑技术和前体饲喂实验证实了迷迭香酸合酶（Phytochemistry.2018）和漆酶（Front Plant Sci.2021）的功能。首次完整解析了丹参酚酸类成分的生源途径和合成特征，准确指出了中药材源植物与模式植物中同类化合物合成方式上的差异(ACS Chem.Biol.2013）。这是第一个由中国学者阐明的中药有效成分生源途径，丹参酚酸B也成为目前少数几个生源途径清晰的植物来源天然产物之一（图4）。

图4 苯丙素类成分（板蓝根木脂素和丹参酚酸）生源途径解析

2、成功创建以提高目标化合物含量为目标的次生代谢调控平台

有效成分生源途径的成功解析，为开展代谢调控打下了坚实的基础。团队针对野生植株中活性目标产物含量低的关键问题“因材施法”，开发了基于“激活-阻断-重构（Boost-Block-Build）”的多种代谢工程策略，包括：关键酶过表达突破速率限制步骤、阻断代谢旁路、构建代谢捷径、基于结构生物学的蛋白质工程、操纵转录因子和信号传导通路全局调控（图5），获得丹参酚酸B、落叶松脂素和青蒿素稳定高产株系，转基因黄花蒿已进入中间实验安全评价阶段，为活性天然产物的定向调控和定量合成提供了成功范例。

图5 以提高目标化合物含量为目标的次生代谢调控平台

（1）实现代谢途径的靶向调控

激活二萜代谢途径创制高抗高涵黄花蒿：二萜类化合物是黄花蒿抗逆物质基础，具有结构和功能的多样性。基于转录组和基因组以及利用生化、遗传方法对黄花蒿二萜生物合成途径进行了全面解析，揭示了class II 和class I二萜合酶普遍存在单纯依赖于蛋白结构特征，而非催化功能的相互作用；通过构建不同的二萜代谢高表达植株，控制代谢流方向，发现二萜类物质赋予黄花蒿显著的抗微生物胁迫活性。首次明确了活性赤霉素GA4 和GA1，而不是GA3 对分泌性腺毛的正调控作用，终结了过去近20 年关于赤霉素是否调控黄花蒿分泌型腺毛的争论。结合二萜合酶的双重功能，成功构建了同时提高分泌型腺毛密度和青蒿素含量以及高抗生物胁迫的黄花蒿优良株系，完美缓解了产量和抗性之间存在trade off效应这一困扰农业生产的难题（New Phytologist.2021）。

（2）基于“信号分子-转录因子-结构基因”互作网络的整体调控

操纵WRKY 转录因子创制高产高抗高涵菘蓝：团队前期利用秋水仙素诱导染色体加倍获得了产量高、抗性增强、木脂素积累量高的同源四倍体菘蓝，但其优良性状的遗传机制不清楚。通过基因芯片筛选出四倍体菘蓝中表达明显高于二倍体的转录因子WRKY34，猜测其可能作为控制数量性状的主要因素。分析过表达和RNAi毛状根表明WRKY34 能显著提高根生物量、耐盐性、抗旱性及落叶松脂素含量。比较转录组和代谢组数据发现过表达WRKY34能全面扰动碳、淀粉和蔗糖代谢，引导代谢流从初生代谢向次生代谢流动，对苯丙素生物合成具有深远影响。转基因株系中落叶松脂素含量与对照相比提高了8.3 倍，而生物量无显著变化。WRKY34 与木脂素途径关键催化酶4CL3相互作用，同时与压力耐受调节因子NAC29相互作用，该基因的调控有利于提高菘蓝产量、耐胁迫性和木脂素积累（Acta Pharm Sin B.2020）。首次提供了“转录因子调控初生/次生代谢临界转化”的功能性证据，揭示了四倍体和二倍体菘蓝品差异显著的遗传机制，为开展以WRKY34为遗传靶标的分子育种，培育抗病毒活性好、高产高抗的优质菘蓝品系提供了理论支撑。

激活分泌型腺毛发育调控网络促进青蒿素合成：黄花蒿分泌型腺毛的正常发育直接关系到青蒿素的合成、分泌、储存及积累。通过代谢工程手段提高青蒿素产量、降低生产成本有重大意义，也是当前国际研究热点。团队成员以茉莉酸信号途径为切入点，从青蒿素合成代谢转录调控和分泌型腺毛发育调控两方面同时开展研究。转基因黄花蒿植株分析发现，过量表达AP2/ERF 型转因子TAR1，一方面促进了分泌型腺毛的起始，增加了叶片表面单位面积的腺毛密度，同时也激活了青蒿素生物合成途径关键酶基因ADS、CYP71AV1 和DBR2 的表达，显著提高了青蒿素及其前体化合物青蒿酸和二氢青蒿酸含量；相反，通过RNAi干扰TAR1 表达后腺毛发育和青蒿素合成则受到显著抑制（Sci Bull.2016）。该研究显示了以TAR1为核心的“发育-代谢”互作网络兼具改良黄花蒿抗性和提升青蒿素含量的巨大潜力，该策略为进一步探索利用植物腺毛细胞工厂培育优质、高产黄花蒿品系开辟了新途径。

基于信号通路和代谢通路cross-talk 提高青蒿素含量：次生代谢产物（有效成分）的产生是宿主对抗胁迫的重要手段，茉莉酸及其衍生物（JAs）作为信号分子能够促进与植物防御机制有关特异性物质的合成。受这一植物科学领域前沿热点启发，团队提出了一种新型的全局调控策略：通过对途径A（其产物对未知途径B 具有显著生物学效应）的简单遗传改造实现对途径B（复杂或者未知代谢途径）的代谢调控。通过对多种不同遗传背景黄花蒿表型鉴定发现，水杨酸（SA）均显著提高青蒿素含量，而对产量无显著负面影响。机理研究揭示SA信号途径AaNPR1 和AaTGA6 互作促进AaTGA6 正调控AaERF1 的表达，进而转录激活青蒿素合成途径（J Exp.Bot.2019）。支持了“改造JAs介导的信号转导通路能够全面提高目标产物合成途径多个限速酶基因表达，促进相关代谢物积累”的假说，为非模式中药源植物开展代谢调控创立了新的范例。

3、开发基于质量标志物的中药材良种培育和科学栽培新技术

中药材栽培本身受环境的影响较大，表现为严格的地域性、明显的季节性、技术的多变性等特点。在明确中药材品质内涵的基础上，团队立足于中药材自然栽培过程中生境、种质以及管控措施间的内在关系，反向追溯自然生境中药用植物活性成分合成的诱发、启动和效应机制，并对药用植物生境因子数据、表型数据以及内在响应基因、成分合成进行关联和整合分析，获取了关键生境下具有品质识别功能的标识性基因（Q-Marker）。在中药不同发育时期、不同组织器官、不同栽培管控环节等栽培迁移生境中，从质量传递与溯源、成分特有性、成分有效性、成分可测性、成分可控性等方面对Q-Marker 的可靠性和稳定性进行充分评测和验证，进而建基于质量标志物的中药材现代农业生产模式。这为特定中药精益栽培技术的遴选提供了参考，同时也为中药育种亲本资源的改良、个性化定制和加速育种流程提供了不可或缺的技术体系，保证了栽培管理过程的精确化与科学化，进而保障药材质量稳定可控（图6）。

图6 基于质量标志物的中药材良种培育和科学栽培技术推广应用

（1）发掘鉴定10个丹参和菘蓝品质相关质量标志物

通过开展田间种植试验，构建“基因-化合物-表型”组织特异性、发育阶段特异性等时空特征大样本数据库并开展关联分析，评估目标基因作为品质相关质量标志物的可能性和可信度。团队已发掘和验证了丹参HPPR、RAS、CYP98A14、MYC2a（发明专利： ZL201410606226.6；ZL201510445685.5）和菘蓝WRKY34、PLR1、4CL3、AP2/ERF049、 CPK1、SDD1（发明专利：ZL201610502516.5；ZL201510054313.X）等一批具有品质识别功能（指示木脂素、丹酚酸 B等有效成分积累水平和植株器官发育水平）的中药材品质关联分子标记应用于中药材生产。在“育苗”阶段，基于表达水平开展分子辅助育种，挑选品质相关基因稳定高表达种质，淘汰先天不足者；在“移栽-种植-施肥-采收”等各环节，基于基因表达特征调整相应外在条件诱导Marker基因高表达，实现药材生产全过程监控与干预；针对下游成药制剂对于药材需求的不同要求开展定向调控与分子辅助育种。以丹参为例，目前企业渴求的是“高产+高质量”的组合性状（如高产+高丹酚酸B；高产+高总丹参酮）。由于主产区雨水偏多，根部腐烂在平原地区较为普遍。对积水的耐涝性是抗性选择的一个方向。另外，丹参在主产区的品质退化问题对产业界也是一个困扰。山东丹参质量比5年前明显下降，条形越来越细，醇浸出物合格率越来越低。依托具有种属特异性的精准代谢工程策略和高效稳定基因编辑系统的开发，与上药华宇药材公司山东平邑丹参基地合作，成功创制高产高抗高内涵的理想丹参种苗（ZL201910870392.X），获得水溶性酚酸类成分含量高、脂溶性丹参酮类成分含量高和外观品相好的三类原药材以分别满足供应绿谷注射用丹参多酚酸盐、青春宝丹参注射液和雷允上等饮片企业的不同要求，真正实现了药材生产的“按需调控”。据此形成的中药材“种苗选育、品质预判、科学栽培、快速拣选”技术体系具有特异性高、调控效果显著、易于实施等优点。

（2）成功创制5个遗传稳定的菘蓝、丹参、黄花蒿优良株系

四倍体板蓝根良种广泛应用于黑龙江大庆等超25 万亩板蓝根种植产区；基于Q-marker 的丹参分子辅助育种和育苗、栽培、采收全程管理关键技术在天士力陕西商洛种植基地和上药华宇药材公司、上海绿谷制药有限公司山东平邑丹参种植基地成功转化落地；在科技部重大专项子课题“高产青蒿素的黄花蒿优良品系代谢工程育种研究”资助下，3个转基因黄花蒿品系（TAR1、TAR2和SPL2）已经通过农业部转基因生物安全评价初审和基地实地考察，正式进入中间实验安全评价阶段。以上成果的推广充分体现了生物工程技术服务于传统中药材种植领域所创造的巨大经济效益和社会效益。“基于药效物质形成机制的中药品质调控技术体系及应用”获教育部科技进步一等奖。

4、创制高效生产天然产物的合成生物学平台

中药活性成分获取面临药用植物栽培环境地域限制、药材有效成分含量低、提取困难等现实问题。利用合成生物学方法异源重建并改造代谢途径，构建微生物细胞工厂，发酵生产具有明确药理活性的单体成分，是极具潜力的研究策略和创新型生产模式，在减少自然资源依赖、维护环境友好、实现大规模生产和发现高活性新化学分子实体等方面具有重大科学价值。而张磊教授率领团队成员长期围绕“中药资源保障与质量提升”重大战略需求，以创新中药资源研发链为导向，选择药效作用明确、活性成分清楚、质量标准完善的药用植物品种，开展以提高特定化合物含量为目标的优异种质创制和中药活性成分合成生物学生产（图7），以“重建辅因子生物合成、提升胞内/细胞器内辅因子水平、平衡辅因子稳态以及提高辅因子活性形式”等四类辅因子改造策略用以提升天然产物生物合成效率（iScience., 2020, 23: 100879），推动中药材品质提升和资源高效可持续利用。

（1）构建高产苯丙素前体的酵母细胞工厂

目前许多复杂天然产物（如灯盏乙素、水飞蓟宾、青蒿酸、香紫苏醇、蒂巴因、莨菪碱等）已在实验室实现微生物全合成。由于代谢途径复杂和催化酶专一性差等原因，异源合成复杂苯丙素还存在诸多困难，需要以高效合成咖啡酸（CaA）和阿魏酸（FA）为前提。目前研究主要集中在酶工程和途径优化上而忽略了辅因子的作用。团队成员以酿酒酵母为底盘构建CaA/FA 生物合成途径，对NADPH 循环、FADH2亚细胞器重定位和SAM 周转速率进行调控，通过批式补料发酵，CA 和FA 的滴度分别达到5.7 g/L 和3.8 g/L，为后续经由长途径异源合成复杂苯丙素类天然产物（如基于CaA的丹参酚酸，基于FA的直铁线莲宁B和鬼臼毒素等）提供了有力保障（Nat Chem.Biol,2022, 18: 520-529）。

（2）构建高产西红花酸的酵母细胞工厂

西红花花柱高度富集了西红花酸及其糖苷衍生物西红花苷、藏花醛等二萜类化合物，具有良好的抗氧化、抗炎、抗癌，抗抑郁等功效。因其自然资源稀缺且市场需求巨大，具有异源合成的迫切需求。关于西红花苷合成的确切基因和柱头特异性积累的潜在机制知之甚少。对西红花不同发育阶段的柱头进行深入的转录组和动态代谢组学分析，预测并验证了参与西红花醛和西红花苷合成基因，发现乙醛脱氢酶（CsALDH3）是关键限速酶。将西红花基因组中成簇存在的II 型二萜合酶CPS1 和3 个I 型二萜合EKL1/2/3 与CsALDH3 共转化酿酒酵母，西红花酸产量得到显著提升（J Exp.Bot., 2019, 70: 4819）。

三、成果业绩

近20年以来，陈万生教授团队先后主持国家科技部重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、国家科技重大专项等国家级课题等80 余项基金课题的研究（表1）；在Nature Communications、Nature Chemical Biology、Acta Pharmaceutica Sinica B、Trends in Plant Science、Natural Product Reports、New Phytologist、Plant Biotechnology Journal、Journal of Integrative Plant Biology 等国际知名学术期刊发表SCI 收录论文160 余篇（表2），他引10000 余次；获国家发明专利授权55 项，申请国际专利1 项；获4 个新药临床试验批文；获国家科技进步二等奖2 项、教育部科技进步一等奖1项。

表1 团队2013年以来承担的主要科研项目

团队成功培育出板蓝根（四倍体）优良品系，1996年获批为国家科技部“国家科技成果重点推广计划”。经过二十多年技术引导、无偿推广，四倍体菘蓝现已成为国内重要板蓝根产区的主导品系，仅大庆种植产区栽培面积就达25万亩，年产值超过6亿元，占全国板蓝根总产量80%以上。该品系成为亳州、荷花池等药材市场销售的板蓝根药材的主要来源。

与此同时，以四倍体板蓝根优良品系的遗传机制研究为理论基础，形成了高效的科学栽培管理技术体系。遵循中药品质形成的内涵机制，以决定其品质的关键基因为调控靶点，为药材种植量身定制分子标记与生长干预措施。具有特异性高、调控效果显著、易于施行等优点，在一定程度上实现了药材种植的精准控制。板蓝根种植相关技术广泛应用于黑龙江大庆等全国各地多个板蓝根种植产区，丹参栽培管理关键技术长期应用于上海绿谷制药有限公司山东丹参种植基地。该成果的推广在极大程度上解决了中药材有效成分过低或含量不稳定，药材差异品质大，产量不稳定等关键问题，充分体现了中药品质调控创新驱动经济发展的科学价值。

四、研究团队和技术平台

陈万生教授团队由15 名研究人员组成，其中教授2 名、研究员1 名、副教授4 名、副研究员3 人、讲师3 名、助理研究员2人；团队成员入选省部级以上人才计划14人次，包括国家杰出青年科学基金获得者2名、国家优秀青年科学基金获得者1 名、教育部青年长江学者1 名、青年岐黄学者1 名、教育部新世纪优秀人才3 人、上海市优秀学科带头人3人、上海市曙光学者1名等（图8）。

图8 陈万生教授团队成员

团队依托的海军军医大学药学院拥有生药学国家重点学科、全军特殊环境药物研究重点实验室、上海市中药代谢产物研究重点实验室、上海活性天然产物制备工程技术研究中心等技术平台；同时，所依托的上海中医药大学中药研究所拥有国家中医药管理局中药新资源与品质评价重点研究室、国家药品监督管理局中药质量控制重点实验室、中药标准化教育部重点实验室、上海市复方中药重点实验室以及“中药品质评价与技术标准创新研究及其应用”教育部创新团队等研究平台，为团队开展科学研究提供重要技术支撑（图9）。团队围绕“基于药效物质的中药品质调控”这一方向成功建立了植物多组学联合分析平台，植物、大肠杆菌和酿酒酵母基因编辑平台，蛋白质表达纯化和功能鉴定平台等。同时基于以上平台成功开展了植物活性木脂素（丹参酚酸和菘蓝直铁线连宁B）和萜类（青蒿素和西红花苷）等重要天然产物的合成途径解析和代谢工程研究，在探索运用代谢工程技术提高中药材源植物有效成分含量或异源合成天然产物等方面做了大量原创性工作，积累了丰富经验。同时，团队拥有完善的设备平台，包括分子生物学实验平台（PCR 仪，qPCR 仪，核酸电泳仪，蛋白电泳仪，nanodrop 等）；代谢分析设备（LC-MS/MS，UHPLC-TOF/MS，GC-MS 和 MALDI FT-ICR MS 等）；蛋白质晶体制备平台（4℃层析柜，高速离心机，FPLC，4℃及20℃晶体培养箱等）；微生物培养、改造和发酵平台（控温摇床，超净工作台和小型平行发酵罐等）。另外，团队所在院系拥有600 兆核磁共振仪、激光共聚焦显微镜、流式细胞仪等现代大型仪器设备，以及植物气候室和实验大田等植物培养等必要条件，支持中药品质影响因素的发现和中药优异种质资源创制。

图9 中药资源技术平台保障