整合代谢流分析及原位质谱成像解析丹参化学成分的“时-空”积累规律

Accumulation level of chemical constituents is one of the main factors for determining the quality of traditional Chinese medicine (TCM). Biosynthesis and transportation of chemical constituents are mostly exhibited tissue or cell specificity, which are dynamically influenced by genetic and environmental factors. It is of great significance to elucidate the dynamic distribution and accumulation pattern with the whole growth stage for exploring formation mechanism of quality, main influence factors and quality control of TCM. Water-soluble phenolic acids and lipid-soluble tanshinones are constituted the chemical constituents of Salvia miltiorrhiza (SM). The biosynthetic pathways of these two classes of secondary metabolites have been elucidated clearly. However, the “temporal-spatial” accumulation pattern of metabolic flux during the growth process of SM is still unclear. This project intends to combine non-targeted metabolomics and in-situ mass spectrometry-imaging technique for dynamically determining metabolic pathways and accumulation pattern of chemical constituents in root tissues of SM with whole growth stage from spatial (different tissues) and temporal (growth stages) aspects. This study is meaningful for the determination of biosynthesis accumulation and accurate location of chemical constituents in SM, and provide theoretical basis for quality connotation and quality control of SM.

化学成分的积累水平是决定药材质量的主要因素之一，化学成分的生物合成、转运等大多具有组织甚至细胞特异性，且是动态变化的，并受到遗传、环境因素的影响。阐明化学成分生物合成途径代谢流在药用植物全生命周期中的动态分布、积累规律（时-空积累规律），对于探索药材质量形成机制及其主要影响因素、保障药材质量具有重要价值。丹参化学成分为水溶性酚酸类成分及脂溶性丹参酮类成分，这两类次生代谢产物的生物合成途径已基本阐明，但丹参生长过程的代谢流时-空积累规律尚不明确。本项目拟整合非靶向代谢组学方法以及原位质谱成像技术，以丹参完整生长期内根组织为研究对象，从空间（不同组织部位）、时间（不同生长阶段）两方面动态解析丹参中化学成分的代谢途径和积累规律。本研究有助于阐明丹参中化学成分的合成积累及确切定位，为调控丹参化学成分和药材品质的保障提供理论依据。

中药药效物质基础是其含有的化学成分，阐明其化学成分生物合成途径代谢流在药用植物全生命周期中的动态分布、积累规律，对于探索药材质量形成机制及其主要影响因素、保障药材质量具有重要价值和意义。中药丹参为唇形科植物丹参(Salvia miltiorrhiza Bunge.)的干燥根和根茎，其主要活性成分为水溶性酚酸类成分及脂溶性丹参酮类成分。在生产实践中发现，丹参药材的化学成分积累与品种、产地、加工方式等因素有直接相关性。因此，必须对多成分的积累过程深入系统研究，阐明其积累规律及与主要影响因素的关联，从而指导丹参种植技术及采后加工方式的优化。本项目以丹参为研究范例，首次建立了基于DESI-imaging的不同植物组织质谱成像分析平台，直观呈现了丹参各组织（根、茎、叶、花）中不同类成分的分布与定位。并建立了系统的参数筛选和植物样本前处理优化方法，使得该平台可适用于其他植物类样本的质谱成像分析。通过建立非靶向代谢组学方法实现了丹参各组织（根、茎、叶、花）中全成分的表征；并结合全生长周期丹参四种组织样本实现了酚酸类以及丹参酮类成分的代谢网络分析，实现了两类重要成分完整的下游生物合成途径的预测，对于酚酸类以及丹参酮类化合物的合成及调控具有重要意义。本项目同时针对采后加工方式对于丹参药材的影响进行了系统研究。揭示了酶促褐变现象为影响丹参药材品质的关键因素。并证明了蒸润法和控制切制时的含水量均可以有效减少褐变带来的影响。本研究结果可以用来指导丹参饮片加工过程的生产实践，根据生产目的来选择丹参最佳饮片最优的加工方式，且不同产地的丹参药材中化学成分差异较大，根据各产地丹参药材活性成分的积累特点选择适宜的采后加工方式也尤为重要，为丹参的采后加工工艺的选择提供了理论基础和科学依据。