我校學者團隊通過研究，成功獲得首個藥用植物單細胞轉錄組圖譜-長春花葉片的單細胞轉錄組圖譜，揭示了長春堿生物合成途徑在葉片中的空間分布規律，為研究植物藥和中藥有效成分的生物合成、轉運和儲存機制開辟了新途徑。相關成果以“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 發表于《自然》系列刊《自然植物》（Nature Plants），這是國內中醫藥研究領域學者首次以通訊作者在Nature Plants上發表論文。成都中醫藥大學首席教授陳士林與中國醫學科學院藥用植物研究所孫超研究員為論文共同通訊作者。

        長春花能夠合成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，長春花也是臨床抗癌藥物長春堿和長春新堿的唯一植物來源，在藥用植物研究領域備受關注。本文作者通過建立和優化適用于次生代謝途徑空間分布研究的單細胞轉錄組測序和分析流程，構建了高質量的長春花葉片單細胞轉錄組圖譜。通過定位途徑基因轉錄本的空間分布，發現單萜吲哚生物堿合成具有區室化現象。該途徑起始于內部韌皮部相關薄壁細胞，途徑的中間步驟多發生在表皮細胞中，后期的反應多發生在異形細胞中。次生代謝的區室化可以有效降低酶的底物抑制效應、控制代謝流的大小和方向、減輕中間產物的細胞毒性和細胞的代謝負擔，對植物的生存和環境響應具有重要作用。長春花中單萜吲哚生物堿合成路徑包含30多個酶促反應步驟，目前已得到完全解析。本研究對此途徑中所有基因表達進行了空間定位分析，并通過RNA原位雜交技術對部分基因的表達定位進行了驗證，表明基于單細胞轉錄組的基因表達定位技術具有極高的準確性，是研究植物次生代謝空間分布的有力工具。此外，作者還發現多個細胞特異性的轉運蛋白可能參與了單萜吲哚生物堿的細胞間或細胞內的跨膜轉運過程。單萜吲哚生物堿轉運蛋白是分子育種和轉運蛋白合成生物學研究的潛在靶點。

        該研究極大地推動了本草基因組學的發展，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胞水平，極大地提升了我們對有效成分合成、轉運和儲存機制的研究能力，將為藥用植物分子育種和合成生物學研究提供更多的潛在靶點。

          該研究受到CAMS醫學科學創新基金的支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41477-022-01291-y

（供稿：中醫藥創新研究院/交叉學科研究院）