利用完整质体基因组精准鉴定天冬及其9种混伪品

在传统医学的宝库中，天冬（Asparagus cochinchinensis）作为一味重要的中药材，其加工后的块根 —— 天门冬，在东亚地区尤其是中国，有着悠久的药用历史。它不仅能治疗多种疾病，如胃痛、便秘、发热、哮喘等，还被广泛应用于制药和保健品行业，可谓是 “药界明星”。然而，近年来天冬市场却遭遇了 “李鬼” 之乱。由于天冬与其同属的 9 种植物在形态上极为相似，专业知识匮乏的采药人和生产人员常常误采、误用，将这 9 种植物的块根加工后当作天冬售卖。这一乱象不仅严重影响了以天冬为原料的药品质量和疗效，还对那些原本作为民族传统药材的 9 种植物造成了威胁，过度采集可能导致它们走向濒危。

为了给天冬市场 “拨乱反正”，云南大学、中国科学院昆明植物研究所等机构的研究人员展开了一项极具意义的研究。他们的研究成果发表在《BMC Plant Biology》上，为准确鉴定天冬及其 9 种混伪品提供了新的方法。

研究人员采用了基因组 skimming 方法，该方法利用高通量测序技术，能够获取低覆盖度的基因组测序数据，进而组装出完整的质体基因组（plastomes）和核核糖体 DNA（nrDNA）阵列，以此作为分子标记来鉴定物种。研究中，他们从自然栖息地采集了 42 株代表 21 种芦笋属植物的样本，其中对 10 种目标物种，包括天冬、兴安天门冬（A. dauricus）等，进行了广泛的种内采样。

研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先是高通量基因组测序，从硅胶干燥的叶片组织中提取基因组 DNA，构建配对末端鸟枪法文库后进行测序；接着是对完整质体基因组和 nrDNA 阵列的组装与注释，利用特定软件和参考序列进行组装、比对和注释；最后通过系统发育和遗传距离分析，评估各分子标记的鉴别能力，包括序列比对、计算遗传距离等操作。

研究结果如下：

1. 质体基因组和 nrDNA 阵列的组装与注释：成功为 42 个样本组装出完整的质体基因组和 nrDNA 阵列。质体基因组大小在 156,208 bp 至 157,139 bp 之间，具有典型的四分体结构，包含 114 个独特的质体基因。nrDNA 阵列则覆盖了 18S rDNA、ITS1、5.8S rDNA、ITS2 和 28S rDNA 区域。

2. 系统发育推断：通过分析发现，完整质体基因组和 nrDNA 阵列的序列变异水平明显高于传统的 DNA 条形码（如 rbcL、matK、trnH - psbA 和 ITS）。基于完整质体基因组的最大似然法（ML）系统发育分析成功将 10 种目标物种都解析为单系类群，且自展支持值很高；而基于 nrDNA 阵列的 ML 系统发育分析未能解析出A. taliensis的物种水平单系性，基于 ITS 序列的 ML 系统发育分析也未能解析出A. taliensis和A. dauricus的单系性，其他传统 DNA 条形码的解析能力更弱。

3. 条形码间隙分析：遗传距离分析显示，完整质体基因组数据集在 10 种目标物种间存在明显的条形码间隙，即种间遗传变异大于种内遗传变异；而 nrDNA 阵列、ITS、matK、rbcL 和 psbA - trnH 数据集的种间和种内 K2P 距离存在不同程度的重叠，没有明显的条形码间隙。

研究结论和讨论部分指出，完整质体基因组在鉴定天冬及其 9 种混伪品方面表现卓越，可作为最佳分子标记。这一成果不仅有助于天冬相关药品的质量控制，还能推动对那些作为混伪品的药用芦笋属植物的保护和合理开发。不过，研究也存在一定的局限性，如分类群采样未涵盖芦笋属所有物种，且未从目标芦笋物种的加工块根中获取完整质体基因组。未来，还需要进一步完善参考质体基因组库，开发从加工块根中获取完整质体基因组的有效方法，以更好地保障天冬产品的质量和安全，促进药用芦笋属植物的可持续利用。