单细胞测序与质谱成像联用揭示植物三萜类化合物的多细胞区室化图谱——以人参皂苷为例

本研究通过单细胞核RNA测序(snRNA-seq)和大气压扫描微探针基质辅助激光解吸电离(AP-SMALDI)质谱成像技术，首次绘制了人参皂苷在人参组织中的多细胞区室化分布图谱。研究发现人参皂苷主要富集于根木栓层、茎叶表皮细胞，其生物合成关键基因(HMGR、CYP450、UGT等)在保卫细胞和栅栏组织细胞中特异性高表达。研究创新性构建了"合成-转运-储存"的多细胞分工网络，并通过表皮模式因子(EPF)调控证实组织特异性代谢工程可显著提高活性成分产量，为药用植物品质调控提供了新范式。

　　

研究背景与技术突破

三萜类化合物作为植物界最丰富的特化代谢物之一，在医药、化妆品和农药领域具有重要应用价值。传统研究多聚焦于生物合成途径解析，而对这类化合物在植物组织中的空间分布规律知之甚少。本研究创新性地整合两种前沿技术：AP-SMALDI质谱成像可实现化合物原位可视化，单细胞测序则能在单细胞分辨率解析基因表达谱。以经典三萜类成分人参皂苷为模型，首次在人参组织中实现了从代谢物分布到基因表达的多维度解析。

人参皂苷的空间分布特征

通过HPLC含量测定发现，五年生人参各部位皂苷含量最高，其中叶片总皂苷含量显著高于根和茎。质谱成像揭示16种人参皂苷的精细分布模式：原人参三醇型皂苷Rg₁/Rf（m/z 839.4554）主要分布于根木栓层和维管射线；齐墩果烷型皂苷Ro（m/z 995.4612）在木质部射线富集；而四糖基皂苷Rb₁（m/z 1117.5550）则呈现"木栓层-髓部"双分布特征。值得注意的是，糖基数越多（如Rb₁含4个糖基）的皂苷在木质部的分布越显著，这与其水溶性增强的特性相符。

单细胞转录组的细胞图谱

从16,799个叶片细胞核中获得转录组数据，通过UMAP降维分析鉴定出10种细胞类型。关键发现包括：甲羟戊酸途径(MVA)基因HMGS、PMK在保卫细胞高表达；角鲨烯合酶(SS)特异性表达于伴胞；而皂苷多样化的关键修饰酶CYP716A53v2和UGTPg100则在栅栏组织细胞富集。RNA原位杂交验证了PAL1在栅栏组织、KCS1在表皮细胞的特异性表达模式。这种"上游-中游-下游"基因的细胞类型特异性分布，构成了人参皂苷合成的空间分工基础。

叶片发育的伪时序分析

通过Monocle2构建的发育轨迹显示，叶肉细胞经历三个分支点分化为不同命运：分支点1处DHN1和GPX6基因驱动叶肉细胞向栅栏组织分化；分支点2的脂转运蛋白at3g26840促进表皮形成；分支点3则通过ERD4完成最终表皮特化。特别值得注意的是，保卫细胞中ABC转运蛋白ABCB4和ABCG22的高表达，与质谱成像显示的皂苷表皮富集现象形成呼应，提示这些转运蛋白可能参与皂苷的胞间转运。

表皮调控的代谢工程应用

基于表皮作为皂苷主要储存位点的发现，研究团队筛选到表皮模式因子PgEPF及其互作转录因子PgTCP。亚细胞定位显示PgEPF定位于内质网，PgTCP位于细胞核。通过农杆菌瞬时转化实验证实：过表达PgEPF使叶片表皮增厚40%，稀有皂苷Rg₃含量提升2.3倍；而CRISPR敲除株系则出现表皮萎缩和皂苷含量下降。分子机制研究表明，PgTCP-PgEPF模块通过激活SE和CYP716A53v2的表达调控皂苷合成。

科学意义与应用前景

该研究创建的"质谱成像定位-单细胞转录组解析-遗传调控验证"三位一体研究范式，不仅首次绘制了植物三萜类化合物的多细胞区室化图谱，更开创性地证实组织特异性调控可突破传统代谢工程的产量瓶颈。发现的表皮特异性调控机制为药用植物品质改良提供了新思路，鉴定出的ABC转运蛋白家族成员则为解析植物次生代谢物转运机制提供了重要线索。这些发现对实现药用植物精准育种和有效成分定向积累具有重要指导价值。