2022年12月15日，中国医学科学院药用植物研究所孙超、郭宝林课题组，联合魏建和课题组在《自然》系列期刊Nature Plants上发表题为“Single-cell RNA sequencing provides a high-resolution roadmap for understanding the multicellular compartmentation of specialized metabolism” （单细胞RNA测序为次生代谢的多细胞区室化研究提供了高分辨率路径图）的研究论文，这是国内中医药研究领域学者首次以通讯作者在Nature Plants上发表论文。该研究通过构建长春花叶片的单细胞转录组图谱，揭示了长春碱生物合成的多细胞区室化现象，为研究植物药和中药有效成分的生物合成、转运和储存机制开辟了新途径。

图1. 长春花叶片细胞类型的注释与验证

长春花（Catharanthus roseus (L.) G. Don）为龙胆目夹竹桃科半灌木或多年生草本植物，能够合成130多种单帖吲哚生物碱，其中包括抗癌药物长春碱和长春新碱，以及降压药物阿吗碱和蛇根碱等，因此，长春花被认为是研究单萜吲哚生物碱合成的模式植物。该研究团队通过建立和优化适用于次生代谢途径空间分布研究的单细胞转录组测序和分析流程，构建了高质量的长春花叶片单细胞转录组图谱（图1）。通过定位途径基因转录本的空间分布，发现单萜吲哚生物碱合成具有区室化现象。该途径起始于内部韧皮部相关薄壁细胞，途径的中间步骤多发生在表皮细胞中，后期的反应多发生在异形细胞中（图2）。次生代谢的区室化可以有效降低酶的底物抑制效应、控制代谢流的大小和方向、减轻中间产物的细胞毒性，分散细胞的代谢负担，对植物的生存和环境响应具有重要作用。本研究对长春碱生物合成途径中所有基因表达进行了空间定位分析，并通过RNA原位杂交技术对部分基因的表达定位进行了验证，表明基于单细胞转录组的基因表达定位技术具有极高的准确性，是研究植物次生代谢空间分布的有力工具。此外，作者还发现多个细胞特异性的转运蛋白可能参与了单萜吲哚生物碱的细胞间或细胞内的跨膜转运过程。单萜吲哚生物碱转运蛋白是分子育种和转运蛋白合成生物学研究的潜在靶点。

图2. 单萜吲哚生物碱的区室化合成

综上所述，该研究构建了首个重要药用植物的单细胞转录组图谱，将药用植物有效成分生物合成研究从线性一维拓展到三维空间，从组织器官深入到单细胞水平，从而提升我们对有效成分合成、转运和储存机制的研究能力，并为通过分子辅助育种提高有效成分含量或利用合成生物学异源合成有效成分提供了新靶点和新策略。
        该工作得到中国医学科学院医学与健康科技创新工程（2021-I2M-1-032）项目的资助。中国医学科学院药用植物研究所孙超研究员、中国中医科学院中药研究所和成都中医药大学陈士林研究员和法国图尔大学Benoit St-Pierre教授为文章共同通讯作者；中国医学科学院药用植物研究所博士后沈晓凤博士、硕士毕业生孙思杰和李益为文章共同第一作者。中国医学科学院药用植物研究所李滢副研究员、申国安副研究员、郭宝林研究员和魏建和研究员参与了该项研究工作。
        原文链接：https://www.nature.com/articles/s41477-022-01291-y；
        https://www.nature.com/articles/s41477-022-01292-x

（鉴定中心、科研处供稿）