DNA条形码： 让中药材鉴定摆脱经验依赖
科技赋能中医药①
编者按 在我国抗击新冠肺炎疫情的过程中，中医药发挥了独特作用。中医药的传承、创新和发展对我国医疗卫生事业的发展具有积极的现实意义。近年来，人工智能、大数据等高新科技为传统中医药的发展不断赋能，中医药领域取得了大量的创新成果。为此，本报推出“科技赋能中医药”系列报道，将中医药在诊疗方法、药材研发与鉴定等方面的创新成果一一呈现。
中药材造假的现象自古有之。近年来，由于中药材种类繁多、来源复杂以及受市场利益的驱使，中药材品种混淆、掺伪现象时有发生，不仅导致中药材的声誉受损，而且也对患者的生命安全造成了威胁。以白鲜皮为例，许多患者由于服用了与植物白鲜皮相似的伪品中药材加工成的饮片，导致药物性肝损伤。
因此，识别药材真假伪劣尤为重要。然而，许多混伪品与药材形态相似，用传统的理化鉴定方法区别较为困难。人们亟待发现一种能准确、快速、可靠地鉴定药材的新方法，在此背景下，中国中医科学院中药研究所所长陈士林研究员带领科研人员研发出一种新的中药材鉴定方法——中药材DNA条形码鉴定技术。
为中药材量身定做“基因身份证”
中药材传统鉴定方法主要包括基原鉴定、性状鉴定、显微鉴定和理化鉴定。
这些鉴定方法各有侧重。基原鉴定应用植物、动物或矿物的形态学和分类学特征，对中药材的来源进行指认，因而对所鉴定材料的完整度有较高的要求；性状鉴定是对药材宏观性状的感官鉴定；而显微鉴定主要依据的是药材微观构造和特征；理化鉴定则是根据药材的某些物理性质或化学性质，采用物理或化学手段，对其进行真伪鉴别。
“不过，这些方法在一些近缘种、易混种的中药材鉴定上存在局限。此外，传统鉴定方法依赖经验，对鉴定人的专业素质要求较高。由于相关人才培养周期长，很多地方的老药工已经很少，面临人才断代的困境。”中国中医科学院中药研究所所长陈士林告诉科技日报记者，中药材DNA条形码鉴定技术很好地解决了这一难题，让中药材鉴定不再依赖药工。
陈士林介绍，DNA条形码的概念由加拿大动物学家保罗·赫伯特首次提出，是指使用一段较短的、标准的、易扩增的DNA片段对物种进行快速、准确、标准化的鉴定。而中药材DNA条形码主要记录的是现行分类系统下代表中药材物种的DNA序列信息。中药材DNA条形码鉴定技术就是适用于中药材物种鉴定的DNA条形码，通俗来讲，就是为中药材量身定做的“基因身份证”。中药材要获得属于自己的“基因身份证”，需要利用分子生物学手段，进行DNA提取、PCR扩增和序列测定、序列分析等。
陈士林认为，相比传统的中药材鉴定方法，中药材DNA条形码鉴定技术具有多方面优势。
“该技术具有通用性，只需选用一个或少数几个基因片段即可对绝大部分物种进行准确鉴定；鉴定过程更加快速；重复性和稳定性高；实验过程标准、操作简单；可通过互联网和信息平台对现有物种序列信息进行集中统一管理；可有效缓解分类鉴定人才缺乏的现状。”陈士林说。
近年来，DNA条形码鉴定技术在中药材鉴定中已得到成功应用，摆脱了传统形态鉴定方法依赖长期经验的束缚。陈士林强调，该技术有利于标准化，是中药分子鉴定方法学上的创新。
不过，这项鉴定技术也存在短板。陈士林解释：“由于DNA条形码鉴定技术主要在核酸层面对物种进行鉴定，不包含物种的性状和物理化学质量标准信息。所以，对于在炮制或加工过程中DNA降解的药材鉴定能力有限。另外，DNA条形码不能鉴定矿物药材。”
让中药材鉴定更趋标准化
近年来，国内相关团队正在推动中药材DNA条形码鉴定技术体系的建立。
比如，陈士林本草基因组学团队在大样本量中药材基因序列筛选研究基础上，出版了《中国药典中药材DNA条形码标准序列》和《中药DNA条形码分子鉴定》，建立了中药材DNA条形码分子鉴定体系。
“该体系包括以ITS2+psbA-trnH为主体的植物类药材DNA条形码鉴定体系和COI+ITS2的动物类药材DNA条形码鉴定体系。”陈士林介绍。
2010年，陈士林团队比较了7个候选DNA条形码，筛选的标准包括PCR扩增效率、种内/种间遗传变异等。通过对7个门753个属4800个物种6600多个样品的ITS2序列鉴定能力进行分析，显示ITS2在物种水平的鉴定效率高达92.7%。
因此，陈士林团队建议将ITS2作为药用植物标准DNA条形码，同时建议ITS2可作为新的通用条形码用于鉴定更广泛的植物类群。2011年，中国DNA条形码植物工作组对来自75科141属1757物种6286样本的4个DNA条形码进行研究，建议把ITS/ITS2作为种子植物的核心条形码。
为了保证鉴定结果的准确性，陈士林团队还建立了DNA条形码数据库。DNA条形码数据库不仅是存储样品信息和DNA条形码序列的工具，而且是DNA条形码研究和物种鉴定分析的生物信息学平台，对推进中药材鉴定方法通用化、标准化和国际化具有重要作用。
在研究基础上，陈士林团队建立了中药材DNA条形码鉴定系统，核心数据库涵盖了《中国药典》(2010年版，2015年版)收录的几乎所有动物、植物药材及常见混伪品，并包含了《韩国药典》《日本药局方》《印度药典》《欧洲药典》以及《美国药典》所记录的草药药材，扩展数据库中涵盖的物种数超过十万种，序列超过百万条。
助力中药材产业发展
“中药材DNA条形码鉴定技术近年来发展迅速。”陈士林表示。
2019年，陈士林团队与深圳华大智造科技股份有限公司合作开发了我国具有完全自主知识产权的首创中草药基因测序智能鉴定仪——中草药DNA条形码高通量基因测序一体机，成功攻克产业链条上游壁垒，完成硬件仪器的自主知识产权和国产化，让我国中草药基因鉴定摆脱了对国外仪器的依赖。
此外，通过将DNA条形码技术与等温DNA扩增技术、侧向流检测试纸(LFD)装置相结合，陈士林团队还成功研发出一种快速鉴定剧毒植物钩吻的方法。
“该方法易于执行且不需要专业设备，可在30分钟内产生可靠结果，适用于钩吻的现场快速鉴定，也为包括植物和动物在内的其他物种的快速现场鉴定提供了新的思路。”陈士林说。
随着科学技术的发展，高通量测序具有测序读数更长、测序深度更深的优势，成为潜在的测序方法。陈士林表示：“我们基于中药材条形码数据库和长读测序技术，提出了全长多条形码方法，该方法能够识别多物种混合物的生物起源，诠释了DNA条形码技术在多物种混合物中的应用，对于来源复杂、形状不明显，或者已经被粉碎的中药材的鉴定研究，提供了切实可行的方向。”
据介绍，中药材DNA条形码已被纳入《中国药典》(2020)，为中药材建立了“基因身份证”，从基因层面解决了中草药与混伪品的物种识别问题，同时也被纳入了《英国药典》，应用在中药的种植、生产、加工、流通及临床应用等多个环节。
提及中药材产业的发展，陈士林建议，要以无公害种植为抓手，瞄准药材品质提升领域关键核心技术，尽快开展中药材品质提升工程战略，种植、生产安全且优质的中药材，从源头上提升中药材的质量，保障用药安全，助力中药材产业的发展。
“中医药产业发展必须依靠科学和技术，只有掌握原创性的技术才能更好地助力中药材产业发展。”陈士林强调。
本报记者 代小佩