我校學(xué)者團(tuán)隊(duì)通過研究，成功獲得首個(gè)藥用植物單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜-長(zhǎng)春花葉片的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜，揭示了長(zhǎng)春堿生物合成途徑在葉片中的空間分布規(guī)律，為研究植物藥和中藥有效成分的生物合成、轉(zhuǎn)運(yùn)和儲(chǔ)存機(jī)制開辟了新途徑。相關(guān)成果以“Single-cell RNA sequencing provides a high-resolution roadmap for understanding the multicellular compartmentation of specialized metabolism”為題，于2022年12月15日 發(fā)表于《自然》系列刊《自然植物》（Nature Plants），這是國(guó)內(nèi)中醫(yī)藥研究領(lǐng)域?qū)W者首次以通訊作者在Nature Plants上發(fā)表論文。成都中醫(yī)藥大學(xué)首席教授陳士林與中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院藥用植物研究所孫超研究員為論文共同通訊作者。
長(zhǎng)春花能夠合成130多種單萜吲哚生物堿，是研究單萜吲哚生物堿合成的模式藥用植物，長(zhǎng)春花也是臨床抗癌藥物長(zhǎng)春堿和長(zhǎng)春新堿的唯一植物來源，在藥用植物研究領(lǐng)域備受關(guān)注。本文作者通過建立和優(yōu)化適用于次生代謝途徑空間分布研究的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序和分析流程，構(gòu)建了高質(zhì)量的長(zhǎng)春花葉片單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜。通過定位途徑基因轉(zhuǎn)錄本的空間分布，發(fā)現(xiàn)單萜吲哚生物堿合成具有區(qū)室化現(xiàn)象。該途徑起始于內(nèi)部韌皮部相關(guān)薄壁細(xì)胞，途徑的中間步驟多發(fā)生在表皮細(xì)胞中，后期的反應(yīng)多發(fā)生在異形細(xì)胞中。次生代謝的區(qū)室化可以有效降低酶的底物抑制效應(yīng)、控制代謝流的大小和方向、減輕中間產(chǎn)物的細(xì)胞毒性和細(xì)胞的代謝負(fù)擔(dān)，對(duì)植物的生存和環(huán)境響應(yīng)具有重要作用。長(zhǎng)春花中單萜吲哚生物堿合成路徑包含30多個(gè)酶促反應(yīng)步驟，目前已得到完全解析。本研究對(duì)此途徑中所有基因表達(dá)進(jìn)行了空間定位分析，并通過RNA原位雜交技術(shù)對(duì)部分基因的表達(dá)定位進(jìn)行了驗(yàn)證，表明基于單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組的基因表達(dá)定位技術(shù)具有極高的準(zhǔn)確性，是研究植物次生代謝空間分布的有力工具。此外，作者還發(fā)現(xiàn)多個(gè)細(xì)胞特異性的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白可能參與了單萜吲哚生物堿的細(xì)胞間或細(xì)胞內(nèi)的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)過程。單萜吲哚生物堿轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是分子育種和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白合成生物學(xué)研究的潛在靶點(diǎn)。
該研究極大地推動(dòng)了本草基因組學(xué)的發(fā)展，將藥用植物有效成分生物合成研究從線性一維拓展到三維空間，從組織器官深入到單細(xì)胞水平，極大地提升了我們對(duì)有效成分合成、轉(zhuǎn)運(yùn)和儲(chǔ)存機(jī)制的研究能力，將為藥用植物分子育種和合成生物學(xué)研究提供更多的潛在靶點(diǎn)。
該研究受到CAMS醫(yī)學(xué)科學(xué)創(chuàng)新基金的支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41477-022-01291-y
（供稿：中醫(yī)藥創(chuàng)新研究院/交叉學(xué)科研究院）