四川农业大学张利团队联合上海交大刘默洋等多家单位解析川丹参道地性状形成的遗传与环境调控机制

中药材的品质和疗效与其生境有密切关系，形成独特的“道地性”。主流学说认为，道地药材的特殊品质是其基因型、特定的生态环境和栽培措施共同塑造的结果。遗传和环境因素共同造就了道地药材区别于其他产地同类药材在外观性状、化学组成、药理作用及临床疗效等方面特有的品质特征。道地药材具体表现为药材独特的“优形”和“优质”。丹参是唇形科鼠尾草属一年生草本植物，作为中药材丹参的唯一基源植物，其干燥的根及根茎可入药。具有活血祛瘀，通经止痛，清心除烦，凉血消痈等功效。丹参也是一种传统大宗中药材，临床上多用于治疗心脑血管疾病，享有“一味丹参，功同四物”的美誉。丹参在我国的种植历史悠久，长期的驯化栽培导致了丹参表型性状和药材品质的分化，在我国形成了以四川、山东、河南和陕西为主的几大主产区。四川“中江丹参”是中国国家地理标志产品，也是我国主源优质道地药材之一，以其根条粗壮、质地柔软和高酚酸积累弛名中外。然而，四川丹参生态型分化和品质形成背后的演化路径尚不明晰，塑造川丹参“肉质根条”和“高酚酸积累”道地性状的调控机制未被探明。这一理论上的空白极大制约了川产道地中药材丹参的品质形成机理研究和定向分子设计育种。

近日，四川农业大学理学院张利教授团队联合上海交通大学农业与生物学院刘默洋副研究员和国内多家单位在Plant Biotechnology Journal发表题为“Ecotype-specific phenolic acid accumulation and root softness in Salvia miltiorrhiza are driven by environmental and genetic factors”的研究论文。该研究通过对我国丹参主要产区的环境因子和药材品质进行关联分析，结合基因组组装、多组学整合、遗传转化、基因编辑、分子互作、模型模拟和酶动力学平台，鉴定到造就川丹参“肉质根条”和“高酚酸积累”性状的“SmWRKY40-RAS”关键转录调控模块，并证实丹参自然群体中RAS基因的单核苷酸多态性（SNP）是影响丹参根部木质素积累、木质部形态和机械强度的关键位点。

研究团队首先通过综合分析我国几大丹参主产区的环境因素、药材品质及成分积累之间的互作效应，发现四川中江道地产区独特的气候环境造就了川丹参明显有别于其他产区的表型和品质。通过对团队前期选育品种“川丹参1号”进行全基因组测序和高质量组装，整合代表性群体的重测序、转录组、代谢组和互作组学数据，锁定到一个以转录因SmWRKY40为核心、BAHD酰基转移酶基因串联重复分布的基因簇。

借助遗传转化、基因编辑和分子互作技术，证实了SmWRKY40转录因子通过靶向调节迷迭香酸合酶RAS基因（唇形科BAHD新功能化产物）启动子区域的W-box元件，正调控丹参根中迷迭香酸和丹酚酸B的生物合成。通过模型模拟、定点突变和酶动力学实验，发现丹参自然群体中RAS基因的结构变异是影响根部木质素含量、木质部形态和机械强度的关键因素。

综上所述，该研究创新性地揭示了川丹参优质道地性状形成的“遗传-环境共调节机制”，积极响应黄璐琦院士凝练的“中药材的道地性成因”这一重大课题，以大宗中药材丹参为模式系统，创新性地提出“遗传和环境因素共同塑造道地中药材丹参优异品质”的理论假说。进一步拓展和完善了丹酚酸代谢调控网络，为以丹参为代表的中药材定向分子设计育种提供了新靶点。

四川农业大学理学院博士研究生虞皓淼为论文第一作者，张利教授和上海交通大学农业与生物学院刘默洋副研究员为本文的共同通讯作者。本研究依托省级创新平台“特色药用植物四川省科技资源共享服务平台”和“四川省中药材育繁技术工程研究中心”，同时得到国家现代农业产业技术体系四川省创新团队、四川省科技厅项目、上海市合成生物学重点项目等经费的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1111/pbi.70048