丹参根系形态、结构特征与有效成分积累的关联性及形成机制研究

Salvia miltiorrhiza is an outcrossing plant species with high genetic polymorphism, resulting in the unstable quality of this medicinal material. According to the traditional theory of ‘assessing quality by distinguishing features’, some certain morphological traits of S. miltiorrhiza roots show significant correlation with its quality. Explanation of such correlations and genetic mechanism are of great importance for breeding, cultivation, and quality control of S. miltiorrhiza. So far, there is no relevant report about relationship between morphological traits and quality of medicinal plant. Therefore, this project is intended to analysis the distribution and correlation of morphological characters of S. miltiorrhiza roots employing deep phenotyping and high-throughput analysis strategy. Following, correlation of morphological traits and quality of S. miltiorrhiza will be investigated using integration of metabolic and deep phenotyping analysis. The key morphological traits which indicate good quality of S. miltiorrhiza will be screened. Finally, transcriptional analysis will be carried out to exploring the genetic mechanism of these critical features using RNA-seq. Key genes essential for catalytic regulation processes will be also predicted and validated. Through this study will lead to better understanding for the formation of quality of S. miltiorrhiza, which will provide good theoretical basis for genetic breeding, standardized cultivation, and quality identification of S. miltiorrhiza.

丹参为异交植物，存在明显的遗传多样性，导致药材存在显著的品质差异。传统“辨状论质”方法以特定形态特征作为丹参品质评判的标准，然而在现代中药质量标准的评价体系下，这些传统经验是否科学、客观、准确；其内在机制又是什么，都值得进一步明确。前期，申请者及课题组以活性成分合成机制为切入点，进行丹参品质的形成机制及调控研究。在此基础上，本项目拟应用植物表型组研究策略，对丹参根系性状的特征进行数字化采集，通过高通量数据分析手段解析全面丹参根系形态、结构特征的分布规律、性状间的关联性。然后，整合代谢组分析，探讨形态性状与丹参有效成分积累的关联性，筛选与品质相关的指标性关键性状。最后通过转录组分析解析关键特征形成的遗传机制，筛选关键基因及调控因子。通过本研究，有助于深入了解丹参的品质内涵及遗传机制，明确优质丹参的关键特征，为丹参的遗传育种、标准化种植、品质鉴定等方面提供理论依据。

本研究旨在通过植物表型组研究手段，将丹参根系农艺性状快速数据化，系统表征农艺性状特征，进而构建酮活性成分含量水平相的关联模型，发掘丹参药材“辩状论质”的内在机制。主要完成了以下三部分内容:① 构建了不同层次表征丹参表型特征的根系表型组分析策略；②构建表型特征参数与活性成分含量的内在关联，建立通过表型特征预测丹参活性成分水平的模型；③ 表征丹参根系从萌发到采收完整生长周期的表型、代谢、转录图谱。具体研究成果如下：.1..建立了丹参根系表型组研究方法.整合多种植物根系分析方法，基于图形分割对丹参根系图片进行特征参数采集。实现了组织分布特征、尺寸特征参数、以及根系骨架结构三个层次的丹参根系进行形态特征表征。.2..构建“形-质量”关联，建立品质特征预测模型.通过分析102个田间丹参样品的71类形态特征数据，与活性成分含量进行关联性分析，发现了与化学成分积累具有显著关联性的性状特征，分别为最大直径、色度值、形成层外内比例；进一步以上述关键性状特征为关键参数，拟合Logistic模型（模型敏感度87.5%，特异性55.0%），可有效指征、预测有效成分水平。.3..丹参根系全生命周期生理图谱的构建.为了表征丹参根系农艺性状在生长发育各阶段中多层面的生理规律，明确丹参根系生长发育的关键节点，本研究构建了丹参根系生长发育的表型、代谢、转录图谱。建立了丹参从萌发到采收过程的生物量累积模型，明确了活性成分的累积特征、构建相关合成途径的转录调控网络。.通过以上研究，不仅构建了丹参根系农艺性状与活性成分之间的关联，更为广泛研究中药材“优形-优质”机制提供了研究思路和方法。基于以上目前已发表论文1篇，培养研究生1名。