Construction of a single-cell transcriptome atlas for Pogostemon cablin embryos reveals PcNAC048 as a dual regulator coordinating lateral root morphogenesis and patchouli alcohol biosynthesis
- 作者
- Xiaobing Wang, Xiaojin Ge, Wenxuan Zhong, Daidi Wu, Zhiye Yang, Ruoting Zhan, Likai Chen, Hua Li
- 单位
- Research Center of Chinese Herbal Resource Science and Engineering, Guangzhou University of Chinese Medicine; Key Laboratory of Chinese Medicinal Resource from Lingnan (Guangzhou University of Chinese Medicine), Ministry of Education; Joint Laboratory of National Engineering Research Center for the Pharmaceutics of Traditional Chinese Medicines, Guangzhou, 510006, China; Guangdong Institute for Drug Control, Guangzhou, 510663, China; NMPA Key Laboratory of Rapid Drug Inspection Technology, Guangzhou, 510663, China; Key Laboratory of Traditional Chinese Medicine Standards Research in the Guangdong Hong Kong Macao Greater Bay Area of Guangdong Medical Products Administration, Guangzhou, 510663, China
- 杂志
- Communications Biology（2025）
- DOI
- 10.1038/s42003-025-09434-5
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
构建广藿香体细胞胚单细胞转录组图谱，解析胚胎细胞分化轨迹，并揭示同时调控侧根发育和广藿香醇生物合成的关键转录因子PcNAC048。
研究策略
结合单细胞RNA测序、拟时分析、转录因子-靶基因调控网络预测，并通过酵母单杂交、双荧光素酶报告系统、拟南芥转基因、瞬时过表达和病毒诱导基因沉默（VIGS）等手段验证PcNAC048的功能。
核心内容
本研究构建了广藿香体细胞胚的单细胞转录组图谱，对球形和子叶形体细胞胚进行单细胞RNA测序，分别获得14,202和14,444个高质量细胞，鉴定出12个细胞簇和8种细胞类型。拟时分析揭示顶端分生组织细胞可分化为表皮细胞的分化轨迹，并筛选出13个关键转录因子。其中PcNAC048在根内皮细胞中高表达，编码279个氨基酸。功能验证表明，在拟南芥中过表达PcNAC048使侧根数量增加3.67至4.67倍；双荧光素酶实验显示PcNAC048使广藿香醇合酶基因PcPTS启动子活性降低78.94%。瞬时过表达后PcPTS下调31.24%，广藿香醇含量从2.752 mg/g降至1.741 mg/g；而VIGS沉默后PcPTS上调35.02%，广藿香醇含量从0.711 mg/g升至1.134 mg/g。该研究首次在单细胞分辨率下揭示了广藿香体细胞胚的分化轨迹，鉴定出PcNAC048作为双重调控因子同时协调侧根形态建成与广藿香醇生物合成，为广藿香种质改良和药用成分代谢调控提供了重要理论依据。
创新点
首次构建广藿香体细胞胚的单细胞转录组图谱，鉴定出8种细胞类型；发现PcNAC048作为双重调控因子协调侧根形态建成与广藿香醇生物合成，并阐明了其对广藿香醇合酶基因启动子的抑制机制。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Pogostemon cablin (广藿香) | 广藿香醇生物合成 | PcNAC048 | PcNAC048 | 调控 | NAC转录因子，抑制PcPTS启动子活性，负调控广藿香醇生物合成 |
| Pogostemon cablin (广藿香) | 广藿香醇生物合成 | PcPTS | PcPTS (广藿香醇合酶) | 催化 | 催化广藿香醇合成，受PcNAC048负调控 |
| Arabidopsis thaliana (拟南芥) | 侧根发育 | PcNAC048 | PcNAC048 | 调控 | 过表达促进侧根形成，侧根数量增加3.67-4.67倍 |
| Nicotiana benthamiana (本氏烟草) | 广藿香醇生物合成（报告系统） | — | PcNAC048 | 调控 | 双荧光素酶实验证实PcNAC048抑制PcPTS启动子活性 |
| Pogostemon cablin (广藿香) | MVA/MEP途径（萜类生物合成） | HMGR2, TPS11, TPS7等 | — | 催化 | 预测为PcNAC048的靶基因，参与广藿香醇前体合成 |
关键发现
- 通过单细胞RNA测序对广藿香球形体细胞胚（GSE）和子叶形体细胞胚（CSE）进行分析，分别获得14,202和14,444个高质量细胞，鉴定出12个细胞簇及8种已知细胞类型。拟时分析显示顶端分生组织细胞可分化为表皮细胞，并筛选出13个转录因子。其中PcNAC048（Pat_B16G144500）在根内皮细胞高表达，其ORF长840 bp，编码279个氨基酸，蛋白分子量31,335.61 Da。在拟南芥中过表达PcNAC048使侧根数量增加3.67~4.67倍
- 双荧光素酶实验表明PcNAC048使PcPTS启动子活性降低78.94%
- 瞬时过表达PcNAC048后PcNAC048上调38.38%，PcPTS下调31.24%，广藿香醇含量从2.752 mg/g降至1.741 mg/g（降低36.74%）
- VIGS沉默PcNAC048后PcNAC048表达下降48.67%，PcPTS上调35.02%，广藿香醇含量从0.711 mg/g升至1.134 mg/g（增加59.47%）。
研究结论
本研究提供了广藿香体细胞胚分化的单细胞分辨率时空图谱，鉴定出PcNAC048为同时调控侧根发育和广藿香醇生物合成的双重功能转录因子，为广藿香种质改良和药用成分调控提供了理论基础。