丹参（Salvia miltiorrhiza Bunge）为唇形科多年生草本植物,其根一般呈红色,干燥根作为一种传统的中药材亦名丹参,在治疗心脑血管疾病等方面有着非常好的疗效。丹参酮类化合物作为丹参主要药用成分之一而备受关注。本研究以一株丹参白根自然突变体及其自交后代为研究材料,联合基因组重测序、转录组学和代谢组学等研究手段,深入解析白根突变体的形成原因,并进一步探究丹参酮生物合成下游未知途径及其调控机制,筛选出可能与丹参酮合成相关的候选CYP450基因及MYB转录因子,以期为丹参酮的生物合成途径研究提供新的思路,为后续选育优良品质丹参及丹参酮的工业化生产奠定基础。本研究的主要结果如下:1.突变体的表型分析及生理生化指标差异丹参白根突变体自交后代出现性状分离且分离比符合3:1,表明突变体的根色性状受单一显性基因控制。表型统计显示,在生长中期（120 d）,白根丹参与红根丹参的根部性状差异不显著;然而在发育后期（270 d）,白根丹参的地下部发育更旺盛,多侧根,其地上部株高较矮。白根丹参周皮中只检测到痕量的丹参酮ⅡA,未检测到丹参酮Ⅰ和隐丹参酮,而酚酸类物质丹酚酸B的含量较红根差异不显著,由此推测突变体中白根的表型是由于缺乏丹参酮类物质所引起。2.突变体的基因组重测序及变异分析本研究从基因水平上探究了突变体可能的变异位点。基于二代测序构建了突变体丹参的重测序文库,数据过滤后共产生了 43.9 Gb clean data。与丹参参考基因组进行比对,测序样本比对率为89.06%,GC含量为38.79%,平均覆盖深度28.7×。变异分析共检测到4,739,028个SNPs以及1,264,831个Indel位点。对丹参酮合成途径已知关键酶基因的编码序列分析发现,SmCYP71D375的编码序列中有多个碱基插入及突变,可能影响其正常转录与翻译并影响其蛋白功能;在SmCYP71D373编码序列中发现了较多的SNPs位点且绝大多数为杂合突变。3.白根丹参与红根丹参不同根组织部位的转录组学与代谢组学差异本研究分别构建了白根丹参和红根丹参不同根组织部位（周皮、韧皮部和木质部）转录组测序文库,共得到190.58 Gb Clean data,GC含量分布范围在47.74%-49.75%之间,Q30均在91.76%以上。通过白根与红根丹参周皮部位的比较转录组分析,共获得了1,587个差异表达基因。KEGG分析将差异基因分别注释到了二萜醌类生物合成途径、苯丙烷生物合成途径以及黄酮类生物合成途径。qRT-PCR结果与转录组结果相关性较高。此外WGCNA分析筛选到了一个包含多个丹参酮生物合成途径上已知关键酶基因的模块——turquoise模块,有助于进一步挖掘丹参酮下游合成的未知基因。白根丹参和红根丹参的代谢组学分析共检测到507种代谢物,通过白根与红根周皮部位的比较分析共筛选得到112个差异代谢物。其中绝大多数的黄酮类物质和全部的醌类物质都呈现出在白根周皮中含量低,在红根周皮中含量高的趋势,而氨基酸和脂质类物质则更易在白根周皮中富集。此外,我们还筛选出15种代谢标志物,其中8种为菲醌类物质,以便于从代谢层面区分白根丹参与红根丹参。4.白根丹参突变体根色形成原因丹参酮生物合成途径中的多个关键酶基因,如SmGGPPS1,SmCPS1,SmCPS5,SmKSL2,SmKSL3,SmKSL7,SmKSL8,SmCYP76AK1,其在白根丹参中的表达水平显著低于红根丹参,从而影响了丹参酮途径的一些中间产物的合成。例如,铁锈醇和柳杉酚的含量急剧下降,最终导致了几种主要丹参酮类成分包括丹参酮Ⅰ、丹参酮ⅡA、隐丹参酮,二氢丹参酮Ⅰ和丹参酮ⅡB的含量显著减少。这些色素成分的缺失使得丹参根表皮呈现白色。5.丹参酮生物合成相关基因和转录因子鉴定及预测通过转录组学与代谢组学联合分析筛选获得了与丹参酮类代谢物高度相关的17个CYP450基因以及5个MYB转录因子。克隆了其中的2个CYP450基因并命名为P4和P5,1个MYB转录因子命名为MYB71。P4和P5在丹参根周皮特异性表达,与丹参酮的合成积累规律相一致。进化树分析显示P4和P5与其它物种参与萜类物质合成的CYP450基因亲缘关系较近,其中P5与丹参酮合成相关的SmCYP71D373和SmCYP71D375具有高度同源性,可能具有相似的催化功能。SmMYB71定位于细胞核中,主要在根的周皮和韧皮部表达,并受MeJA极显著诱导,表明其可能与丹参酮合成的调控有关。