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唇形科植物科研体系与辰山植物园共成长
时间:2020-08-03  来源:上海辰山植物园  作者:  点击:

  丰富的物种资源、广泛的开发利用前景、较高的园艺价值和突出的科学研究意义,使得唇形科植物的收集、保育和研究成为上海辰山植物园重要且具特色的领域。这里有一支专业的引种收集和园艺支撑团队负责唇形科植物的野外调查、收集和保育,由陈晓亚院士和Cathie Martin院士分别领衔的科研团队针对鼠尾草属和黄芩属药用植物的基因组学和代谢组学以及药用活性成分的合成和调控展开研究。

  资源调查与收集

  2010-2020年期间,我们调查了25个省市自治区1432个分布点的唇形科植物,收集中国原产鼠尾草属(Salvia)75种,国外鼠尾草属59种,活植物10000余株,种子19万余粒,分子材料8874份,标本2456份,包括大量的植物化学分析和土壤样本。还收集了黄芩属(Scutellaria),益母草属(Leonurus),香茶菜属(Isodon),香薷属(Elsholtzia),龙头草属(Meehania),鸡脚参属(Orthosiphon)等20个属的各类研究材料。

  △ 野外资源调查2010-2020年

  △ 资源收集代表物种丨丹参Salvia miltiorrhiza

  △ 资源收集代表物种丨暗紫鼠尾草Salvia atropurpurea

  △ 资源收集代表物种丨康定鼠尾草Salvia prattii

  △ 资源收集代表物种丨黄花鼠尾草Salvia flava

  活植物的栽培与管理

  辰山团队的长远思路和目标在于引种后的高水平植物养护管理、保育和研究利用。成员不仅积极参与野外资源的调查收集,同时负责植物栽培养护管理的全过程,在工作中不断总结积累经验,保障引种植物的正常生长和繁殖,达到高质量的管护。经过多年的不懈努力,辰山植物园成为国内收集鼠尾草属和黄芩属植物最为丰富的资源中心,并于2016年获国家林草局批准,建立上海市唇形科植物国家林木种质资源库。

  △ 唇形科植物国家林木种质资源库(资源圃)

  基于资源的保育研究

  围绕重要的植物类群,我们开展了物种保育的基础工作,包括分类学、系统进化、物种形成和传粉生态学研究,为濒危物种的回归引种和种群重建奠定基础。目前已完成40多个物种的模式产地调查,发表鼠尾草属植物新种4个。完成了南丹参S. bowleyana、舌瓣鼠尾草S. liguliloba、栗色鼠尾草S. castanea、黄花鼠尾草S. flava、橙色鼠尾草S. aerea和荫生鼠尾草S. umbratica的传粉生态学和繁育系统研究,首次发现了唇形科中的延迟自交现象,阐明了南丹参和舌瓣鼠尾草的生殖隔离机制,以及栗色鼠尾草和黄花鼠尾草的自然杂交现象。对珍稀濒危物种张家界鼠尾草S. daiguii的物种保护、回归引种、种群重建、资源利用和科普教育在植物园与原产地同步展开,取得阶段性成果,社会效益也逐步体现。

  △ 濒危物种张家界鼠尾草的物种保护、回归引种

  △ 鼠尾草属传粉模式的多样性

  基于资源的植物次生代谢研究

  我们对鼠尾草属和黄芩属植物的活性成分及代谢途径开展了系统的工作。目前已完成了60个物种的脂溶性二萜和水溶性酚酸类物质的定量分析,以及300余种化合物的定性检测工作。重点对丹参中的萜类和酚酸类物质的生物合成及调控、鼠尾草属植物的转录组学和代谢组学进行深入的研究。特别是完成了药用鼠尾草的基因组测序,对关键萜类合酶和CYP450家族修饰酶类的功能进行了系统研究。通过比较转录组我们还对丹参酮类生物合成途径的候选基因进行了挖掘和筛选,并对关键酶基因的功能进行了鉴定。黄芩研究方面,研究人员通过代谢组学研究,分析得到400余种黄芩中的次生代谢化合物;发现了黄芩中存在两条不同的黄酮代谢途径,并完整解析了黄芩素、汉黄芩素代谢途径,为合成生物学异源合成这种物质提供了基础;完成了黄芩基因组测序,进一步揭示了黄芩特异黄酮途径的进化机制。

  △ 撒尔维亚S. officinalis基因组结构图(杨蕾博士供图)

  △ 黄芩Scutellaria baicalensis基因组结构图(赵清博士供图)

  种质创新及新品种培育

  基于我们建立的鼠尾草属植物标准化描述和种质资源评价系统,以及已分析物种的活性成分、引种栽培适应性和观赏及抗逆特性,开展了引种鼠尾草属植物资源和潜在利用价值的综合评价工作。团队与中国农业科学院蔬菜花卉研究所合作完成《鼠尾草属DUS测试指南》的编撰,推动国内优良鼠尾草资源的保护和开发利用。

  利用属内种间遗传相容性高的优势,选择47个物种为亲本材料进行人工杂交选育,将优良性状定向组合,获得了261个杂交后代组合,筛选出35个具有较高观赏性和潜在利用价值的杂交后代,为开发利用鼠尾草属植物的园艺和药用价值奠定基础。

  △ 鼠尾草属人工和自然杂交后代

  专类植物展示和科普教育

  鼠尾草园作为专类植物的重点展示园,位于草药园中部,占地面积3000平方米。以自然风格为主,主题突出多样性和世界性分布,重点展示了分布于美洲、欧洲和亚洲等世界各地的鼠尾草属植物300个种(含品种),结合科研、科普及园艺展示,介绍其独特的观赏、食用、药用及科研价值,为大众认识植物、了解自然、保护生态开启一扇窗。

  △ 鼠尾草专类园(药用植物专类园)(葛斌杰拍摄)

  资源共享和成果转化

  我们借助资源库收集的种质资源和完整信息,除满足本单位科研科普园艺需求之外,还与国内外科研院所展开合作研究,建立资源共享和材料交换机制,累计提供和交换唇形科植物材料共计30余次(含102种,1300个样本),分别用于分子鉴定、系统发育、有效成分、代谢合成和杂交选育等研究。资源共享进一步拓宽了合作渠道,扩大了资源的利用范围和领域,同时服务于更多机构开展科学研究,提高了辰山植物园的国内外影响力。另一方面,我们基于对唇形科植物的研究成果,也积极探索合理有效的方式将其转化并服务于社会。

  经过十年发展,辰山的研究团队已经在唇形科(尤其是鼠尾草属和黄芩属)研究领域形成自己的特色,积累了丰富的种质资源,构建了比较完整的科研体系,建立了上海市唇形科植物国家林木种质资源库,获得了6项国家及中科院基金和上海市绿化和市容局辰山专项的大力支持。发表了50余篇科研论文,1项授权专利,受到国内外同行较高的关注。作为一个年轻的植物园,辰山一直以 “国内领先、国际一流”为目标,以“精研植物、爱传大众”为使命,并将之深入践行,持续奋斗。

 

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