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丹参根对心血管疾病的治疗效果显著，市场需求巨大。虽然丹参活性代谢物的代谢研究取得了很大进展，但丹参根其他生理方面的研究较差。与其他大田作物相比，药用植物表型组学的进展明显欠缺。如果特定表型的遗传规律可以量化和分析的快速筛选的基础上关键农艺性状集，丹参和其他草药的育种、栽培和农田生产将会得到改进。此外，由于特殊的有益代谢物的积累，根系在各种药用植物中获得活性成分中起着至关重要的作用。然而，根系的表型比地上部分更困难，使其成为植物表型组学领域的一个具有挑战性的课题。为了估算根系的生物量和农艺参数，需要高通量和高分辨率的根系扫描系统以及图形处理和数据提取的管道。此外，根系结构（root system architecture， RSA）的表征是根系表型的另一个重要方面，有必要从一个全面的视角来充分描述丹参的RSA。

2023年10月，Plant Phenomics在线发表了上海中医药大学中药研究所中医药新资源与质量评价SATCM重点实验室和中国第二军医大学长征医院药科联合发表的题为Phenotyping of Salvia miltiorrhiza Roots Reveals Associations between Root Traits and Bioactive Components 的研究论文。

图1 地标法对丹参根RSA分析 (A)对丹参根的地标性放置，我们定义了一组9个地标，覆盖了根系和主树根的总体轮廓 (B)丹参根样品根据标志性位置分为10个支系。每一组的分支都用不同的颜色标记。然后通过PCA (C)将这些分支分为3类 (D)利用随机森林模型，根据地标性聚类（10个演化支）对表型性状进行重要性评价

本文开发了一个利用图像特征提取软件来深入研究丹参根表型的框架。使用WinRHIZO和RhizoVision进行图像处理、特征提取和农艺性状分析，利用丹参根切片进行解剖性状分析，使用地标法建模根体系结构，最后利用质谱成像对丹参根切片的代谢谱进行研究。本文采用AlexNet法测定了丹参的生物量，基于540张图像训练来进行预测。结果表明，预测的生物量与平均鲜重非常接近，但与实际鲜重有显著差异，平均为51.016g。同样，预测的干重也不能准确反映真实的干重，平均差异为18.134 g，与平均值的偏差较大。然后利用Pearson相关分析建立代谢物与表型性状之间的相关性，隐丹参酮或丹酚酸的积累水平与根系体积、长度和总表面等几种表型特征之间存在显著的相关性。通过根据各根分支的直径范围进行K-means聚类，将具有与根相关的关键性状为依据，将丹参的所有根分为3类。我们研究了一系列随机采集的丹参根的表型组分，证明了根的总表面积是高线性回归相关性的生物量预测的最佳参数（R2= 0.83），这足以在不测定含量的情况下估计生物活性代谢物的产量。

图2 丹参根中药物代谢产物的代谢图谱及其与表型性状的相关性 (A)质谱成像显示了丹参根切片上2类有效代谢物的空间分布，空间分辨率为75 μm，离子强度用颜色编码（白色=最大信号和黑色=最小信号）并归一化 (B)用HPLC-MS/MS法测定不同根组织中酚酸和丹参酮的含量。X、木质部、W、韧皮部和形成层 (C) ML代表了最可变的代谢性状。前3个参数被标记出来。线性回归分析表明，LAB (D)的产生与所选的表型性状（总表）显著相关，而丹参酮IIA (E)体积较小，但与所选的表型性显著相关

本研究为进一步的药材分级和育种实践提供了重要的途径。本文讨论了表型性状与丹参酮含量之间的关系。在现实中，表型研究也可以解决发育过程、抗胁迫性和其他生理现象。如果我们能够通过表型分析研究来整合这些不同的生理方面，那么就有可能阐明丹参酮的确切生理功能，并探索与它们在周皮中的特异性积累和其他生理意义相关的有趣问题。

本文的主要作者为陈军峰研究员、肖莹研究员和陈万生教授，所属单位为上海中医药大学中药研究所中医药新资源与质量评价SATCM重点实验室和中国第二军医大学长征医院药科。本文的主要贡献为：肖莹研究员和陈万生教授构思和设计了整个研究计划，陈军峰研究员等进图像采集和大部分的数据分析。本研究项目基金：国家重点研发计划资助项目（2022YFC3501700），国家自然科学基金（31970325），青年精英科学家赞助计划（2021- QNRC1-02），上海市科技委员会研究项目（21DZ2202300），四川省科技项目（2019- YFN0150），上海中央政府地方科技发展基金计划（YDZX20203100002948）。

论文链接

http://spj.science.org/doi/10.34133/plantphenomics.0098

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