本網(wǎng)訊 植物根系特異合成的次生代謝物是食品、中藥、飲料、調(diào)味品等的重要品質(zhì)成分。例如，茶氨酸是賦予茶湯“鮮爽”味和鎮(zhèn)靜安神功效的品質(zhì)成分，其合成主要發(fā)生在茶樹(shù)根中。植物根系具有不同的細(xì)胞類(lèi)型，然而，目前關(guān)于根中特異次級(jí)代謝的細(xì)胞類(lèi)型及其調(diào)控機(jī)制的信息非常少。因此，利用單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)分析根中次生代謝發(fā)生的細(xì)胞類(lèi)型，對(duì)于深入研究根系次生代謝調(diào)控至關(guān)重要。
近日，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶樹(shù)生物學(xué)與資源利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在《eLife》上在線(xiàn)發(fā)表了題為“Root-specific secondary metabolism at the single-cell level: a case study of theanine metabolism and regulation in the roots of tea plants (Camellia sinensis)”的研究論文。論文首次報(bào)道了木本植物根系單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜；提出茶氨酸與其前體乙胺的合成可能存在空間隔離調(diào)控；發(fā)現(xiàn)調(diào)控茶氨酸的合成的轉(zhuǎn)錄因子及其靶基因富集表達(dá)的細(xì)胞類(lèi)型不同；鑒定了一個(gè)調(diào)控茶氨酸合成的新的轉(zhuǎn)錄因子CsLBD37。
該研究利用10X單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序（scRNA-seq）技術(shù)，捕獲了10,435個(gè)高質(zhì)量的茶樹(shù)根細(xì)胞，根據(jù)基因表達(dá)模式把這些根細(xì)胞分為8個(gè)細(xì)胞簇（Cluster）。隨后，利用細(xì)胞類(lèi)型Marker基因、細(xì)胞簇富集差異基因、公共單細(xì)胞數(shù)據(jù)庫(kù)等數(shù)據(jù)信息，結(jié)合in situ RT-PCR技術(shù)驗(yàn)證基因表達(dá)的細(xì)胞類(lèi)型，注釋了這些細(xì)胞簇的細(xì)胞類(lèi)型。通過(guò)擬時(shí)序分析，構(gòu)建了這些細(xì)胞簇的分化關(guān)系，驗(yàn)證了細(xì)胞簇注釋的準(zhǔn)確性（圖1）。
圖1 茶樹(shù)根細(xì)胞分化軌跡分析
然后，該研究分析了茶氨酸生物合成、儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)運(yùn)的細(xì)胞類(lèi)型特異性（圖2）。分析表明，不同類(lèi)型細(xì)胞的氨基酸合成類(lèi)型和能力不同，茶樹(shù)根系活躍的谷氨酸和丙氨酸代謝為茶氨酸的大量合成提供可能。茶氨酸合成的核心基因CsAlaDC 和CsTSI 的表達(dá)在不同細(xì)胞類(lèi)型中富集：CsAlaDC在形成層或木質(zhì)部相關(guān)細(xì)胞中高表達(dá)，CsTSI在中柱鞘細(xì)胞中高表達(dá)。這種細(xì)胞類(lèi)型差異表達(dá)表明，茶氨酸及其前體乙胺的合成可能存在空間隔離調(diào)控。
圖2 茶樹(shù)根系中茶氨酸合成、轉(zhuǎn)運(yùn)和調(diào)控的細(xì)胞異質(zhì)性
該研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)控CsAlaDC 和CsTSI 表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子編碼基因CsMYB40、CsHHO3、CsMYB6富集表達(dá)的細(xì)胞類(lèi)型與CsAlaDC 和CsTSI 富集表達(dá)的細(xì)胞類(lèi)型并不相同（圖2）。 這可能是一種特殊的調(diào)控模式，也可能這些轉(zhuǎn)錄因子的靶標(biāo)基因很多，不一定跟所有標(biāo)靶基因都在同一種細(xì)胞類(lèi)型中富集表達(dá)。為了進(jìn)一步解析茶氨酸合成的轉(zhuǎn)錄調(diào)控，研究人員鑒定了調(diào)控CsAlaDC表達(dá)的一個(gè)新的轉(zhuǎn)錄因子CsLBD37。CsLBD37的表達(dá)與CsAlaDC的表達(dá)高度正相關(guān)，但是CsLBD37抑制CsAlaDC表達(dá)，表明CsLBD37是調(diào)控茶氨酸合成的“剎車(chē)”轉(zhuǎn)錄因子。同時(shí)，CsLBD37與CsAlaDC也不在相同的細(xì)胞類(lèi)型中富集表達(dá)。另外，發(fā)現(xiàn)CsLBD37也具有抑制根發(fā)育的功能。
研究人員根據(jù)以上研究結(jié)果，總結(jié)了茶樹(shù)根中茶氨酸合成、轉(zhuǎn)運(yùn)及其調(diào)控的細(xì)胞異質(zhì)性模型（圖3）。這些研究結(jié)果也為其它植物根特異的次生代謝研究提供了重要參考。
圖3 茶樹(shù)根中茶氨酸生物合成、轉(zhuǎn)運(yùn)和調(diào)控的細(xì)胞異質(zhì)性模型
該研究以安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)為第一完成單位，茶樹(shù)生物學(xué)與資源利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士生林世嘉和已畢業(yè)碩士張懿雯為本文的共同第一作者，張照亮教授為論文的通訊作者。安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)宛曉春教授、楊天元副教授、夏恩華教授及美國(guó)加州大學(xué)戴維斯分校William J. Lucas教授等也參與該研究。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目課題，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，安徽省重大科技專(zhuān)項(xiàng)等項(xiàng)目支持。（文圖/林世嘉 編輯/張憲林 預(yù)審/王一君 審核/夏曉昀）
原文鏈接：https://elifesciences.org/reviewed-preprints/95891#x201056196
