Plant Com | 杭州师范大学王慧中团队揭示红豆杉叶片细胞特异性次生代谢的调控机制

以下文章来源于Mol Plant植物科学 ，作者Chenjia Shen

2023年5月22日，Plant Communications 在线发表了杭州师范大学浙江省药用植物种质改良与质量控制技术重点实验室王慧中团队题为Mass spectrometry imaging and single-cell transcriptional profiling reveal the tissue-specific regulation of bioactive ingredient biosynthesis in Taxus leaves的研究论文，该研究提供了可视化的药用活性成分空间分布图，揭示了红豆杉叶组织细胞特异性次生代谢调控的分子机制。

红豆杉是一种常绿乔木或灌木，植株可高达30米以上，秋天会长出樱桃大小的红色豆形果实，因此而得名。在中国，红豆杉一般分布在亚热带或暖温带的阔叶林中，如云南、江西、浙江、福建等省份。红豆杉中提取的紫杉醇作为一种有效的抗癌药物，是治疗转移性卵巢癌和乳腺癌的药物之一，具有极高的社会价值和经济价值。但是，包括紫杉烷化合物在内的众多活性成分在红豆杉叶片中的分布模式，以及形成差异分布的分子机制尚且不清楚。

本研究通过质谱成像（Mass spectrometry imaging）技术实现了红豆杉多种次生代谢成分的可视化分析，绘制了多种活性成分在叶片组织中的特异性分布图谱。研究结果表明，黄酮类和香豆素类化合物显著积累于叶表皮细胞（epidermal cells），甾体类化合物主要积累于维管束细胞（bundle sheath cells），酚类化合物主要积累于海绵组织细胞（spongy mesophyll cells）和维管束组织，萜类化合物显著积累于叶片栅栏组织细胞（palisade mesophyll cells）和海绵组织，而重要的紫杉烷类化合物大都富集于叶片海绵组织。

进一步通过基于原生质体制备的单细胞测序(Single-cell sequencing)技术，分离得到了8846个完整的单细胞以及大量的细胞特异表达基因，表明了红豆杉叶组织具有高度的细胞异质性。基于细胞特异标记基因，将所得单细胞分为15个细胞类群，提供了南方红豆杉叶片器官的单细胞表达谱，为解析次生代谢的细胞间差异化调控机制奠定了基础。在单细胞测序的基础上，该研究提出了转录因子筛选的新标准：①相似的单细胞表达模式+②上下游对应的反式作用元件（cis-elements）。基于上述标准，鉴定得到了多个细胞特异表达的转录因子，诸如MYB17, WRKY12, WRKY31, ERF13, GT_2和bHLH46，并预测了其下游次生代谢相关靶基因，初步构建了细胞特异的调控网络。

红豆杉次生代谢调控一直是当前研究的热点问题。大量基因及其调控因子得到了克隆和功能验证，但是，单细胞水平的转录调控研究尚未见报导。该研究以单细胞水平的分辨率建立了红豆杉叶片中主要细胞类型的表达图谱，为进一步研究细胞特异的次生代谢调控机制提供了基础。

杭州师范大学生命与环境科学学院展晓日副教授为本论文的第一作者。杭州师范大学生命与环境科学学院王慧中教授和沈晨佳副教授为本论文的共同通讯作者。杭州师范大学王慧中团队近年来在红豆杉次生代谢调控研究中取得了一系列进展，鉴定了多个红豆杉韧皮部特异表达的紫杉醇合成调控因子(Yu et al., 2020, The Plant Journal), 解析了曼地亚红豆杉雌雄差异形成的机制(Yu et al., 2022, Horticulture Research), 探索了红豆杉重金属响应机制(Feng et al., 2023, Tree Physiology)。上述工作得到了国家自然科学基金（32271905, 32270382），浙江省自然科学基金（LY23C160001, LY18C050005, LY19C150005, LY19C160001）的资助。

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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