PNAS：首次整合两种单细胞方法来解析药用植物

　　

植物通过复杂的生物合成途径产生重要的代谢物（比如紫杉醇和长春碱），这类代谢过程通常涉及到多个基因。随着单细胞组学技术不断进步，现已能够测定单个细胞中的基因表达水平和代谢物浓度。

德国马克斯·普朗克化学生态学研究所的研究人员近日成功将单细胞RNA测序（scRNA-seq）和单细胞质谱分析（scMS）应用在同一植物细胞上。这种新方法首次让科学家能够将基因表达与代谢物丰度直接关联。

这项研究成果于10月24日发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上，有助于阐明复杂植物天然产物的生物合成。这有望增进我们对植物代谢过程的理解，并加速植物药的可持续发展。

药用植物通过一系列酶促反应生成复杂的化合物。不过，生物合成通常不会在单个细胞内完成，而是将各个步骤分配给不同类型的细胞。

每个细胞负责特定的反应，然后将中间产物运输到其他细胞进行后续加工。此外，代谢物可能高浓度积累，一是为了储存，二是为了调节各个代谢途径之间的供需平衡。

共同第一作者Moonyoung Kang解释说：“这些过程形成了复杂的代谢网络，因此只有整合同一细胞的基因表达和代谢数据才能全面了解其机制。”

研究人员将细胞比作一家服装厂，scRNA-seq显示工厂能生产哪些服装以及有多少张设计图纸，而scMS则反映当前有多少库存产品。

库存高虽意味着产量高，但也可能暗示运输延迟。相反，如果产品立即发货，即便工厂满负荷运转，库存也可能看似空空如也。

因此，为了全面了解天然产物的生产过程，研究人员整合两种单细胞技术来分析同一植物细胞。

这种方法首先将单个细胞捕获在微孔板中，随后由机器人将每个细胞单独转移至96孔板中。细胞经过裂解，将其内容物（基因、蛋白质、代谢物和细胞器）释放到水溶液中。裂解液被分为两份样本：一份用于基因表达分析 (scRNA-seq)，另一份用于代谢分析 (scMS)。

共同第一作者Anh Hai Vu表示：“每个细胞都处于96孔板上的特定位置，因此后续可准确识别每个数据点。这使得我们能够将细胞的基因活性与其代谢特征直接匹配。”

研究团队在药用植物长春花（Madagascar periwinkle）上验证了这种新方法。抗癌药物长春碱和长春新碱正是从这种植物中提取出来的。

他们在单细胞层面评估了代谢物水平与基因表达的相关性。对于一些代谢物，他们观察到其与生物合成基因的表达存在显著相关性。例如，长春碱前体文多灵（vindoline）与D4H、DAT和NMT基因的表达高度相关。

共同通讯作者Sarah O'Connor总结道：“我们相信，新方法将清晰揭示参与生物合成的细胞类型，加快对重要植物的天然产物合成途径的解析。它还能鉴定其他药用植物中未被表征的细胞类型，并有助于比较不同物种进化出的多样化运输策略。”

研究人员目前正在优化工作流程中的多个步骤，并实现部分操作的自动化，以提高重复性，并缩短实验时间。他们还在努力降低每次实验的成本，让该方法惠及更广泛的用户群体。