单细胞转录组与代谢组联合解析PAP1调控拟南芥黄酮生物合成的时空网络

本研究通过单细胞RNA测序(scRNA-seq)和时间序列代谢组分析，揭示了转录因子PAP1在拟南芥中调控黄酮生物合成途径的细胞特异性机制。研究发现PAP1过表达通过时空特异性调控苯丙烷代谢通路基因，广泛激活糖基化过程，并改变植物激素稳态，为理解植物次生代谢的细胞异质性和代谢工程优化提供了新视角。

　　

植物王国中绚丽的紫色叶片和花朵背后，隐藏着一个精密的代谢调控网络。黄酮类化合物(flavonoids)作为植物最重要的次生代谢产物之一，不仅赋予植物缤纷色彩，更在抗逆防御、营养吸收和光合保护等方面发挥关键作用。其中，花青素(anthocyanins)作为黄酮类的重要亚类，其生物合成受到复杂的转录调控网络控制。在模式植物拟南芥中，MYB-bHLH-WD40(MBW)复合体是调控这一通路的核心，而PRODUCTION OF ANTHOCYANIN PIGMENT 1(PAP1/MYB75)作为其中的关键转录因子，其功能研究一直存在诸多未解之谜。

长期以来，科学家们对PAP1的调控机制存在争议：有研究表明PAP1过表达会导致黄酮生物合成通路基因的全面上调，而另一些研究则发现它仅特异性激活下游基因如DFR(DIHYDROFLAVONOL 4-REDUCTASE)和ANS(ANTHOCYANIDIN SYNTHASE)。这种分歧可能源于传统批量转录组分析无法解析细胞异质性，以及不同发育阶段样本的差异。此外，黄酮合成与植物激素(如油菜素内酯BRs、茉莉酸JA和水杨酸SA)之间存在复杂互作，但具体调控网络仍不清楚。这些科学问题的存在，促使香港浸会大学的研究团队开展了一项创新性的多组学研究，相关成果发表在《BMC Biology》上。

研究人员主要运用了三大关键技术：单细胞RNA测序(scRNA-seq)技术分析了pap1-D突变体和野生型拟南芥叶片中28,784个细胞的转录组；时间序列代谢组学(LC-MS/MS)追踪了2-5周龄叶片中代谢物的动态变化；通过Monocle 2算法进行伪时间分析，重建了叶肉和维管细胞的发育轨迹。所有实验均使用拟南芥哥伦比亚生态型(Col-0)及其PAP1过表达突变体(pap1-D)为材料。

研究结果部分包含以下重要发现：

"表型比较"部分显示，pap1-D突变体叶片表现出明显的时空特异性花青素积累模式，叶脉区域从发育早期就开始显色，而非维管区域直到后期才出现明显色素沉积。超薄切片进一步证实了这种细胞特异性沉积模式。

"单细胞转录组图谱"部分通过整合分析，将28,784个细胞划分为18个簇，鉴定出叶肉细胞、表皮细胞、维管细胞等主要类型。PAP1在突变体中整体表达升高，但在叶肉细胞簇和维管细胞簇9中增幅最为显著。

"苯丙烷代谢通路的空间调控"部分发现，PAP1过表达导致苯丙氨酸生物合成基因(ADT家族)和早期通路基因(PAL1、C4H、4CL2等)的细胞特异性上调。值得注意的是，糖基化相关基因(如UGT76E11、UGT73B1等)在多个细胞类型中广泛激活，这与代谢组中糖苷类化合物积累的结果相互印证。

"发育轨迹分析"部分揭示，栅栏叶肉细胞高表达PAL和4CL家族基因，而海绵叶肉细胞则富集糖基化相关基因。维管细胞发育轨迹显示，木质素代谢基因(CYP98A3等)在早期伪时间点高表达，这可能解释了叶脉早期显色的分子基础。

"代谢组动态变化"部分显示，pap1-D中苯丙氨酸水平持续低于野生型，而其下游代谢物(如松脂素)则显著积累。糖苷类化合物如槲皮素3-O-葡萄糖苷和1-O-芥子酰葡萄糖的积累模式与转录组的糖基化基因表达谱高度一致。

"激素稳态改变"部分发现，pap1-D中JA和SA水平显著升高，而细胞分裂素糖苷(如顺式玉米素-7-N-葡萄糖苷)的积累模式发生改变，表明PAP1可能通过调控UGT基因影响多种激素平衡。

这项研究通过创新的单细胞多组学方法，首次在细胞分辨率上描绘了PAP1调控的黄酮生物合成网络。研究发现不仅解决了关于PAP1调控范围的长期争议，还揭示了糖基化过程在花青素积累中的核心作用。从应用角度看，该研究为精准代谢工程提供了重要线索：通过靶向特定细胞类型(如维管细胞)的糖基化过程，可能更有效地提高花青素产量。此外，PAP1与激素稳态的关联为理解植物如何协调生长发育与次生代谢提供了新视角。这项研究的价值还体现在方法学创新上，建立的技术框架可推广到其他植物次生代谢物的研究中，为解析植物复杂代谢网络树立了新范式。