药用植物研究中，有效成分合成机制、细胞异质性解析是冲刺高分文章的核心难点，传统bulk转录组常因分辨率不足，难以捕捉单细胞水平的精细调控差异。而单细胞转录组技术的出现，通过精准定位功能细胞群、追踪代谢通路关键节点等方法，精确定位药用植物天然产物生物合成的主要场所。

本期将拆解该技术在药用植物研究中的应用思路与高分案例，助您从“细胞分辨率”突破研究瓶颈，找到发高分文章的切入点。我们一共盘点了6篇药用植物单细胞转录组研究成果，这些成果发表在Nature(IF=48.5)、Molecular Plant(IF=24.1)、Plant Biotechnology Journal(IF=10.5)、Horticulture Research(IF=8.5)等期刊上。研究涉及的药用植物包括红豆杉、贯叶连翘、人参、芡实、齿瓣石斛等。

案例1 FoTO1和紫杉醇基因的发现助力Baccatin III的生物合成

发表期刊：Nature

影响因子：48.5

物种样本：红豆杉

测序策略：单细胞核转录组测序（snRNA-seq）、多重扰动×单细胞核转录组测序（mpXsn）、转录组、代谢组

DOI：10.1038/s41586-025-09090-z

发表时间：2025.06.11

取样策略：

snRNA-seq与mpXsn取样：红豆杉-针叶、茎、芽鳞，涵盖2个发育阶段（幼嫩、成熟）、2种处理状态（未诱导、诱导）；诱导处理含136种扰动（激素、微生物），共272个样本；

bulk RNA-seq取样：整合6项既往研究的79个样本，涵盖红豆杉不同组织和诱导条件，用于与mpXsn数据对比；

功能验证取样：4周龄本氏烟草，取第6、7、8片叶进行农杆菌介导的瞬时表达，实验设3次生物重复。

主要研究结果：

① 植物能合成结构复杂且活性强大的治疗性分子，解析完整的紫杉醇生物合成途径有望实现该药物的异源合成，但目前该过程仍不清楚。采用传统转录组测序和共表达分析难以解析紫杉醇合成通路，为提高通路鉴定中转录分析的分辨率，研究人员开发了一种名为mpXsn的策略，可对涵盖不同组织、细胞类型、发育阶段及诱导条件的细胞状态进行转录谱分析。

② 本研究的数据显示，紫杉醇生物合成相关基因分属不同的表达模块。通过这些模块，鉴定出7个新基因，并在本氏烟草叶片中实现了基于17个基因的从头合成，成功分离出紫杉醇的工业前体——巴卡亭III，其产量与红豆杉针叶中的天然含量相当。

③ 此外，发现一种核转运因子2样蛋白FoTO1至关重要：它能在首步氧化反应中促进目标产物的形成，从而解决了紫杉醇通路重构中长期存在的瓶颈问题。此外，结合新发现的β-苯丙氨酸-CoA连接酶，本研究鉴定的这8个基因共同实现了3’-N-去苯甲酰基-2’-脱氧紫杉醇的从头合成。

图1 mpXsn方法的概述

案例2 抗抑郁分子贯叶金丝桃素的完整生物合成途径

发表期刊：Molecular Plant

影响因子：24.1

物种样本：贯叶连翘

测序策略：单细胞转录组测序、基因组、转录组

DOI：10.1016/j.molp.2024.08.003

发表时间：2024.09.02

取样策略：

scRNA-seq取样：贯叶连翘幼叶和花；叶片15,074个细胞，花朵12,382个细胞；

Bulk RNA-seq取样：17种组织类型，包括不同发育阶段的叶、花、芽、茎、根，以及茉莉酸甲酯（MeJA）诱导样本；

主要研究结果：

① 本研究完成了贯叶连翘四倍体基因组的染色体级别组装（1.54 Gb，32条染色体），并构建了叶片和花的单细胞转录组图谱，发现一类新型细胞——“Hyper细胞”，其高表达金丝桃素生物合成相关基因。

② 通过酵母和烟草异源表达系统，鉴定并功能验证了4个UbiA家族膜结合异戊二烯基转移酶（HpPT1–4），它们依次催化金丝桃素前体PIBP的多步异戊二烯化和环化反应，最终完成金丝桃素的生物合成。HpPT4不仅催化非常规的1'–2异戊二烯基分支连接，还介导C1–C8键的形成，完成双环[3.3.1]壬烷骨架的构建，表现出双重催化功能。

③ 研究揭示金丝桃素生物合成由三个代谢模块协同完成：细胞质中的多酮体模块、质体中的MEP途径提供异戊二烯供体、以及质体膜上的异戊二烯化模块，所有模块均在Hyper细胞中高度共表达。该研究建立了一种结合基因组学与单细胞转录组学的策略，适用于非模式药用植物中复杂天然产物生物合成途径的解析，为金丝桃素及其他PPAP类化合物的异源生物合成奠定了基础。

图2 贯叶连翘叶片的单细胞图谱和Hyper细胞的鉴定

案例3 齿瓣石斛花卉发育动态解析

发表期刊：Plant Biotechnology Journal

影响因子：10.5

物种样本：齿瓣石斛

测序策略：基因组、转录组、空间代谢组、单细胞转录组

DOI：10.1111/pbi.70094

发表时间：2025.04.16

取样策略：

scRNA-seq取样：齿瓣石斛三个花发育阶段，共31,511个细胞；

Bulk RNA-seq取样：包括根、茎、叶、不同发育阶段的花、不同花器官（萼片、花瓣、唇瓣、合蕊柱）以及唇瓣的不同区域（流苏、黄色斑点、紫色区域、白色区域）；

MALDI-MSI取样：唇瓣组织切片（80 μm），分析花青素和类胡萝卜素空间分布。

主要研究结果：

① 本研究首次完成了齿瓣石斛染色体级别的高质量基因组组装（1.11 Gb，19条染色体），注释出32,759个蛋白编码基因，并鉴定出两次全基因组复制事件（WGD1和WGD2），这些事件促进了MADS-box基因和色素合成相关基因的扩张。

② 通过单细胞转录组分析，构建了包含11个细胞簇的花发育细胞图谱，揭示了花发育过程中的细胞异质性和阶段特异性表达模式。MADS-box基因家族分析鉴定出59个成员，其表达模式符合ABCDE花器官发育模型。

③ 通过MALDI-MSI和转录组分析发现，唇瓣黄色斑点区域类胡萝卜素积累较多，紫色区域则富集花青素。

④ 该研究为齿瓣石斛的花发育、花色形成和形态建成提供了多组学层面的深入解析，为兰花育种和花色改良提供了重要的基因资源和理论依据。

图3 石斛花细胞群的单细胞转录组聚类注释

案例4 EfCGT1调控芡实叶片表皮细胞黄酮C-糖苷特异性积累

发表期刊：Plant Biotechnology Journal

影响因子：10.5

物种样本：芡实叶片

测序策略：单细胞转录组测序

DOI：10.1111/pbi.70155

发表时间：2025.05.26

取样策略：

scRNA-seq 取样：选取芡实叶片3个关键发育阶段——A2（水下期）、A4（漂浮初期）、A5（漂浮期）

主要研究结果：

① 水生植物面临更为多样且恶劣的生存环境，但其适应机制在很大程度上仍不明确。芡实（Euryale ferox）是一种浮叶水生植物，是研究水生植物环境适应性的理想模型。本研究利用单细胞技术，构建了芡实叶片关键发育节点的单细胞转录图谱。

② 芡实叶片从水下浸没状态过渡到水面漂浮状态时，其环境适应策略表现出显著差异：在浸没阶段，表皮细胞（ECs）优先分化，此过程涉及大量核糖体蛋白基因和植物免疫基因的表达；在漂浮阶段，大量叶肉细胞和排水器细胞发生分化，能量代谢相关基因表现出高活性。

③ 表皮细胞中黄酮类C-糖苷（FCGs）的特异性积累，是芡实叶片表现出的另一项适应特征。FCG生物合成相关基因均表现出表皮细胞特异性表达，且本研究鉴定出一个关键的C-糖基转移酶基因EfCGT1。

图4 芡实叶片不同发育阶段单细胞转录组图谱的构建

案例5 人参皂苷多细胞区室化分布机制

发表期刊：Plant Biotechnology Journal

影响因子：10.5

物种样本：人参叶片

测序策略：单细胞核转录组、空间代谢组、高效液相色谱

DOI：10.1111/pbi.70198

发表时间：2025.07.08

取样策略：

snRNA-seq取样：5年生人参叶片；

空间代谢组取样：1年生、3年生和5年生栽培人参根、茎、叶组织切片喷涂底物（2,5-二羟基苯甲酸），进行MALDI-MSI检测；

高效液相色谱取样：1年生、3年生和5年生栽培人参根、茎、叶

主要研究结果：

① 揭示植物多细胞区室化图谱对植物育种和代谢调控至关重要。尽管三萜类化合物作为活性成分具有重要意义，但目前尚未有关于其生物合成多细胞图谱的报道。本研究以人参皂苷为研究对象，首次揭示了植物三萜类化合物的多细胞区室化图谱。

② 研究利用空间代谢组，明确了人参皂苷在人参根的木栓层、茎的表皮以及叶的上表皮中的主要分布位置；通过单细胞测序技术注释出10种细胞类型，拟时序分析表明叶片细胞会从叶肉细胞逐步分化为维管束鞘细胞和表皮细胞。

③ 研究构建了人参皂苷的多细胞区室化图谱，结果显示：与人参皂苷生物合成相关的大部分基因在保卫细胞和栅栏叶肉细胞中高表达，而表皮则是大多数人参皂苷的主要分布区域。最后，对表皮的代谢工程研究表明，植物组织调控是提高活性成分产量的有效途径。

图5 人参叶片细胞类型的注释

案例6 人参属植物根尖的细胞分化和人参皂苷生物合成机制

发表期刊：Horticulture Research

影响因子：8.5

物种样本：人参属植物-三七（Panax notoginseng）、人参（Panax ginseng）和西洋参（Panax quinquefolium）

测序策略：单细胞转录组测序、空间代谢组、转录组

DOI：doi.org/10.1093/hr/uhaf202

发表时间：2025.07.31

取样策略：

scRNA-seq取样：三七、人参、西洋参种子萌发后的根尖组织（n=1）；三七根尖6,036个细胞、人参根尖7,424个细胞、西洋参根尖12,837个细胞；

空间代谢组取样：三七、人参、西洋参根尖（n=3）组织切片（20μm）进行MALDI2；

主要研究结果：

① 目前对人参属植物根尖的研究较为有限，制约了对早期根发育过程中细胞命运转变，以及与人参皂苷生物合成相关的细胞异质性的理解。本研究对三七、人参和西洋参三种人参属植物的根尖进行了单细胞转录组测序和空间代谢组学分析。

② 研究重建了早期内皮层的发育轨迹，并发现人参皂苷生物合成相关关键酶基因的表皮特异性表达模式；鉴定出多个新的转录因子，包括正调控内皮层木栓化的IAA29，以及正调控人参皂苷生物合成的MYB2/MYB78，并通过双荧光素酶报告基因实验和电泳迁移率变动分析验证了这些转录因子的功能。

③ 此外，本研究还发现三种人参属植物间保守且存在差异的配体-受体（L-R）互作模式，其中FAD基因家族表现出组织特异性和物种特异性表达；通过RNA原位杂交验证了细胞特异性基因的表达模式，利用空间代谢组绘制了人参皂苷的空间分布图谱，并通过液相色谱-串联质谱验证了人参皂苷的物种特异性生物合成特征。

图6 人参属植物根尖的单细胞转录组图谱

药用植物单细胞测序研究思路总结

药用植物单细胞测序研究思路，可系统分为“初级图谱”与“高级图谱”两条路线，整体覆盖从样本准备、多组学测序、细胞类型鉴定、功能分析直至实验验证的全流程。初级图谱侧重于单一器官的快速图谱构建与标志物发现，周期短、分析标准，适用于初步探索；高级图谱则整合多器官、多物种、多组学数据，结合拟时序、细胞通讯等深度分析，并辅以多层次功能验证，推动高水平机制研究与发表。两者均致力于解析药用物质合成场所与细胞类型功能，最终构建细胞图谱、挖掘关键基因与通路，为药用植物开发提供扎实的数据基础与生物学见解。

温馨提示：若您关注药用植物单细胞转录组的应用，可联系当地业务经理获取原文。此外，如您对单细胞转录组研究有任何疑问或有测序合作意向，欢迎随时与我们联系。我们将结合您的课题特点，为您量身设计专业的研究方案，助力科研顺利开展。

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