Single-nucleus transcriptomics reveal the morphogenesis and artemisinin biosynthesis in Artemisia annua glandular trichomes
- 作者
- Minghui Zhang, Mingyu Li, Yanyan An, Chang Liu, Qiaojuan Zhao, Danfeng Zhang, Baiwei Pan, Hexin Tan
- 杂志
- Nature Communications（2025）
- DOI
- 10.1038/s41467-025-63770-y
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
青蒿素在青蒿腺毛中合成，但腺毛发育和青蒿素的精确细胞来源尚不清楚。
研究策略
整合单核RNA测序（snRNA-seq）和空间转录组学，构建腺毛发育的高分辨率细胞图谱；结合拟时间分析和hdWGCNA鉴定调控网络。
核心内容
该研究通过整合单核RNA测序和空间转录组学技术，构建了青蒿腺毛发育的高分辨率细胞图谱，系统解析了腺毛形态建成与青蒿素生物合成的细胞学基础。研究共获得6.88亿条单核测序reads，识别出15个转录簇和7种细胞类型，并利用拟时间分析和hdWGCNA构建了调控网络。关键结果显示，10细胞腺毛中的6个分泌细胞（包含AC和SA细胞）是青蒿素合成的主要场所，且青蒿素含量在腺毛发育的S1至S3阶段增加7.2倍（从0.5升至3.6 mg/g），S4阶段则下降至2.8 mg/g。此外，hdWGCNA鉴定出的brown模块包含了所有已知青蒿素核心合成酶基因（如ADS、CYP71AV1等）。该研究首次将单核与空间转录组学联合应用于青蒿腺毛研究，明确了青蒿素合成的精确细胞来源，定义了腺毛发育的三个功能状态，为后续通过代谢工程精准调控青蒿素高产提供了重要的细胞与遗传靶点。
创新点
1. 首次将snRNA-seq与空间转录组学结合用于青蒿腺毛研究；2. 揭示10细胞腺毛中6个分泌细胞是青蒿素合成的主要场所；3. 定义腺毛发育的三个功能状态（起始、中间、终末分化）；4. 鉴定数百个可能调控腺毛发育或青蒿素合成的hub基因。
研究对象（22）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 青蒿（Artemisia annua） | 青蒿素生物合成 | ADS | amorpha-4,11-diene synthase | 催化 | 催化法尼基焦磷酸环化形成amorpha-4,11-二烯 |
| 青蒿（Artemisia annua） | 青蒿素生物合成 | CYP71AV1 | 细胞色素P450单加氧酶 | 催化 | 催化amorpha-4,11-二烯氧化为青蒿醇 |
| 青蒿（Artemisia annua） | 青蒿素生物合成 | ADH1 | 醇脱氢酶1 | 催化 | 参与青蒿醇氧化为青蒿醛 |
| 青蒿（Artemisia annua） | 青蒿素生物合成 | DBR2 | 双键还原酶2 | 催化 | 催化青蒿醛双键还原形成二氢青蒿醛 |
| 青蒿（Artemisia annua） | 青蒿素生物合成 | ALDH1 | 醛脱氢酶1 | 催化 | 催化二氢青蒿醛氧化为二氢青蒿酸 |
| 青蒿（Artemisia annua） | 青蒿素生物合成 | CPR | 细胞色素P450还原酶 | 催化 | 为CYP71AV1提供电子 |
| 青蒿（Artemisia annua） | 青蒿素生物合成前体（MVA途径） | HMGS | — | 催化 | 甲羟戊酸途径关键酶，在基底细胞中活跃表达 |
| 青蒿（Artemisia annua） | 青蒿素生物合成前体（MVA途径） | HMR | — | 催化 | 甲羟戊酸途径关键酶，在基底细胞中活跃表达 |
| 青蒿（Artemisia annua） | 青蒿素生物合成前体（MEP途径） | DXS | — | 催化 | 质体途径关键酶，与青蒿素合成基因共表达 |
| 青蒿（Artemisia annua） | 青蒿素生物合成前体（MEP途径） | HDS | — | 催化 | 质体途径关键酶，与青蒿素合成基因共表达 |
| 青蒿（Artemisia annua） | 青蒿素生物合成 | FPS | 法尼基焦磷酸合酶 | 催化 | 催化IPP/DMAPP缩合生成法尼基焦磷酸 |
| 青蒿（Artemisia annua） | 青蒿素生物合成 | PDR1 | ABC转运蛋白 | 转运 | 可能参与青蒿酸转运 |
| 青蒿（Artemisia annua） | 腺毛发育/青蒿素调控 | AaGSW1 | — | 调控 | WRKY转录因子，促进青蒿素合成 |
| 青蒿（Artemisia annua） | 腺毛发育/青蒿素调控 | AaGSW2 | — | 调控 | 促进腺毛起始，且在分泌细胞中富集，可能调控分泌代谢 |
| 青蒿（Artemisia annua） | 腺毛发育/青蒿素调控 | AaMYB15 | — | 调控 | 负调控青蒿素合成，在基底细胞高表达 |
| 青蒿（Artemisia annua） | 腺毛发育 | AaTLR3 | — | 调控 | 调控腺毛起始和角质层生物合成 |
| 青蒿（Artemisia annua） | 腺毛发育 | AaTAR1 | — | 调控 | 调控腺毛发育和青蒿素生物合成 |
| 青蒿（Artemisia annua） | 腺毛发育 | AaMIXTA | — | 调控 | 调控腺毛起始和角质层生物合成 |
| 青蒿（Artemisia annua） | 腺毛发育 | AaWIN2 | — | 调控 | 正调控腺毛起始 |
| 青蒿（Artemisia annua） | 光合作用/能量供给 | AA013090 | 光系统天线蛋白类似蛋白 | 能量供给 | 与青蒿素核心基因共表达，可能通过光依赖过程支持青蒿素生产 |
| 青蒿（Artemisia annua） | 脂质代谢 | AA393400 | GDSL脂肪酶 | 催化 | 参与角质和蜡质代谢，影响腺毛完整性 |
| 青蒿（Artemisia annua） | 脂质代谢 | AA372410 | 非特异性脂转移蛋白3 | 转运 | 可能参与脂质转运，影响角质层形成 |
关键发现
- 青蒿素含量从S1到S3增加7.2倍（0.5→3.6 mg/g），S4下降22%（2.8 mg/g）
- S2 GST密度较S1增加2.6倍，S3较S2减少45%
- snRNA-seq获得6.88亿reads，保留8,334个叶核（平均936基因/核）和7,995个GST富集核（平均565基因/核）
- 空间转录组获得8.49亿reads，96.1%有效barcodes，1,178个spots，25,162个基因
- 识别15个转录簇、7个细胞类型
- GST亚群G1（SA）554个细胞，G5（AC）光合基因表达仅1.9%
- 确定6个分泌细胞（AC+SA）为青蒿素合成主要场所
- hdWGCNA鉴定brown模块包含全部已知青蒿素核心酶。
研究结论
本研究系统阐明了青蒿腺毛发育和青蒿素生物合成的空间机制，确定6个分泌细胞为青蒿素合成的主要位点，为代谢工程和植物腺毛生物学提供了细胞与遗传基础。