综述：植物相关微生物群在传统草药中的作用
本文由李苗苗编译，董小橙、江舜尧编辑。
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药用植物微生物组可以直接响其寄主的代谢组，从而可能影响草药的功效。我们提倡用中草药丹参(Salvia miltiorrhiza)作为研究微生物如何与药用植物相互作用来改变植物化学物质产生的主要模式系统。
论文ID
原名：Roles of Plant-Associated Microbiota in Traditional Herbal Medicine
译名：植物相关微生物群在传统草药中的作用
期刊：Trends in Plant Science
IF：13.181
发表时间：2018年
通信作者： Chunlin Long
通信作者单位：Kunming Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, China
综述内容
1. 微生物对传统草药质量的影响
传统草药为公共医疗做出了巨大贡献，并促进了全球医药发展。传统医药遭遇的问题是基础药材质量的参照基准往往不明确。特别是传统草药中相关代谢物的极端变化对临床研究的安全性和有效性提出了挑战。
植物微生物组很可能是植物健康和生产力的重要决定因素，近年来作为科学和商业利益的主题而备受关注，许多研究都强调了植物相关微生物能影响其重要性状，比如生长、抗病性、非生物胁迫耐受性、保水性和促进植物生长激素的合成。研究表明，同一药用植物的次级代谢产物含量随栽培位置变化，这在一定程度上与其在异地生长时的相关微生物的不同组成有关。我们在此假设，许多传统草药的质量变化可能受根际或内生菌群变化的影响。许多适应了药用植物并形成积极的植物-微生物相互作用的微生物可能对植物寄主产生显著影响，特别是对它们的生长、生理和次级代谢产物的产生。对于某些微生物，它们的代谢物也可以参与调节生物活性植物代谢产物的产生，如炭疽病菌(Colletotrichum spp.)产生的青蒿素和Taxomyces andreanae产生的紫杉醇。
2. 当前植物微生物组研究的模式系统
植物拥有丰富多样的细菌菌群，这些微生物群落可通过影响其生理和发育在植物功能中发挥举足轻重的作用。为了提高植物的生长和健康，研究植物内的微生物群落结构及其功能是十分必要的。迄今为止，仅对一些模式植物如拟南芥(Arabidopsis thaliana)、水稻（Oryza sativum）和玉米（Zea mays）进行了详细的研究，其结果揭示了明确的分类学结构的细菌群落。拟南芥微生物组相关研究主要集中在通过非培养方法定义和描述其根或叶微生物组群落，以及与宏基因组学和宏转录组学方法相结合的寄主微生物群的功能性探索。生长在可控环境条件下的天然土壤中的拟南芥根优先被变形杆菌、拟杆菌和放线菌定殖。利用宏基因组和宏蛋白质组学方法对水稻的内生、根际和叶围中的微生物群落进行了表征。通过高通量测序对水稻根系微生物组的详细描述发现，微生物组分随土壤来源和基因型而变化。水稻根系内生菌群的功能特征也揭示了内生菌可能参与水稻的代谢过程。利用细菌16S rRNA基因测序法观察了细菌丰度、多样性、土壤与玉米根际之间以及田野之间的分类群的相对丰度存在差异。虽然微生物群落可能在不同发育阶段和基因型的模式植物之间定量变化，但是对有益的植物-微生物相互作用的潜在机制的深入理解可以提出新的植物管理方法并提供新的工具来改善作物的稳健性。这有助于优化生物量质量和一致性，如药用植物的情况。
3. 丹参-模式传统中医药系统
与药用植物相关的微生物的结构、动态变化和功能仍然末知。目前，与对拟南芥，水稻和玉米等模式植物的研究不同，关于微生物组对草药和作用机制的研究尚不多见。为了深入研究微生物如何与药用植物相互作用来改变它们的次级代谢，一个必要的基础是建立一个具有良好基因组资源和通过非培养方法对微生物组进行系统表征的的模式——传统中药系统。
丹参是一种多年生草本植物，广泛分布于东亚。作为一种中药，其干燥根和根茎在中国被广泛用于改善血液循环，缓解血瘀，治疗冠心病和肾病。迄今为止，已从丹参中分离出70多种活性成分，其中含有的丹参酮和酚酸是主要的生物活性成分。在所有的中医药中，丹参是第一个拥有全基因组草图和详细遗传图谱的。最终的基因组草图大概641Mb，contig N50大小为82.8 kb，scaffold N50大小为1.2 Mb。构建了一个利用F1群体的丹参高密度遗传图谱，由八个连锁群中的5164个标记组成，横跨1516.43厘米。此外，在整个生长周期转录组中获得了56774单基因(平均长度=467碱基)。其中，1539个单基因被鉴定为5种主要次级代谢途径的组成部分，几乎覆盖了苯丙烷类和萜类化合物途径中的所有节点。
最近研究表明，丹参与微生物的相互作用可以增强其生物量，可能影响丹参酮代谢途径（图1）。在陈等人的研究中，种子相关的细菌和真菌的初始调查表明，丹参具有与次级代谢相关的功能丰富的独特微生物组，因此可能为寄主植物基因组中编码的那些微生物提供额外的代谢能力。这一结果暗示了不同门和科微生物的不同组合可以反映丹参代谢组差异，并且表明不同地理的土壤和气候可以影响草本植物的代谢物含量。反过来，我们推测次级代谢产物的盛行，其中一些已具有抗菌活性，在药用植物中可能会对在植物体内生长的细菌类型产生更多的限制。在图1中的丹参酮生物合成的实例中，由寄主植物的化学组分促进的这种“微生物选择”也可以与相关微生物的生物合成途径结合和扩增。
图1 丹参相关微生物组合成和调控丹参酮示意图
因为丹参的质量和产量常受病害及环境胁迫的影响，因此该药用植物的生长和效率很可能与有益微生物相关。未来的研究旨在更全面地描述丹参在不同不同组织和不同发育阶段相关的微生物组特点，便于理解这种动态关联。当植物发芽并通过不同的发育阶段进展到下一代时，诸如丹参种子中核心微生物组的起源和命运等问题将是有趣的。除此之外，丹参相关微生物的进一步的功能研究有助于优化药用植物的次级代谢，以生产有针对性的生物活性化合物，并改善其对传统中药生产的质量控制。最后，来自丹参种子的优势微生物的成功培养非常必要，以证明它们的存在以及提供菌种材料开始详尽地研究它们对这种模式药用植物的潜在影响。
在植物驯化期间，人类已经选择了对于风味、营养或产量有益的性状，但没有进行有意识地选择与有益微生物组关联的植物。为了实现药用植物应用的有益微生物的潜力，应研究来自不同生境的相同中草药的有效成分的变化。随着对产品安全性和有效性的重视，传统医学的使用将变得更加科学化。通过对药用植物中相关微生物组的系统研究，我们应该能够阐明微生物在调节药用植物生物合成途径中可能发挥的作用。这可以产生更好的栽培方法，可以优化所生产的草药的效果，反过来可以提高药物的质量和传统医药的可持续标准，这将有助于它们通过更严格的科学和商业评估。药用植物进行植物微生物组研究可以提供与驯化植物对比有趣的发现，揭示可以耐受甚至增强具有药用的新型化合物的生产的不同微生物谱。
传统中草药质量的参照基准不明确，其中相关代谢含量变化对临床医学研究影响极大，本文从药用植物相关微生物组角度为解决此问题指明了方向，以提高中药材质量和传统医药的可持续标准，因此，药用植物相关微生物组研究应该成为该领域重要的研究方向。
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