对单个植物细胞的综合分析为天然产物的生物合成提供了新的见解

植物的多样性令人印象深刻，尤其是它们产生的代谢物种类繁多。许多植物天然产物是高度复杂的分子，例如长春花长春花长春花产生的生物碱长春新碱和长春花碱。这两种物质在癌症治疗中已经不可或缺。

研究人员非常有兴趣找出形成复杂分子需要哪些单独的生物合成步骤。“目前，这些化合物仍然是从植物的叶子提取物中获得的，数量非常少。我们可以从植物中了解这种化合物是如何产生的，并利用这些知识开发更具成本效益、可扩展性和可持续性的生产系统，”说佐治亚大学应用遗传技术中心的第一作者李晨欣描述了研究目标。

将遗传和代谢信息分配给植物器官的单个细胞

科学家们知道，在植物的所有细胞中，基因活性并不相同，而且细胞与细胞之间的化学反应可能大不相同。因此，当前研究的目标是使用一组统称为单细胞组学的新方法来研究在植物天然产物的生物合成中发挥核心作用的特殊和稀有细胞类型，并且其信号通常被更多的东西所掩盖植物器官中丰富的细胞类型。“通过单细胞组学，我们有一种方法可以让研究人员将遗传和代谢信息分配给单个细胞。术语组学指的是对整个基因或代谢物集合进行量化和分析的事实，”Lorenzo Caputi 说，

长春碱的生物合成途径——在三种不同的细胞类型中组织

正如分析所示，生物碱长春花碱的整个生物合成途径分为三个阶段和三种不同的细胞类型。“第一阶段专门在与叶子维管束相关的特化细胞中表达，称为 IPAP。生物合成途径的第二阶段仅在表皮细胞、覆盖叶子的细胞层和最后已知的细胞中表达。生物合成途径的步骤仅在成异细胞(一种罕见的叶子细胞类型)中表达，”Chenxin Li 总结了结果。

研究人员测量了单个细胞中长春碱代谢途径中几种中间体的浓度，并感到惊讶：“长春碱、长春碱和文多灵这两种重要的前体以毫摩尔浓度存在于异胚细胞中，比长春碱本身高约三个数量级. 这些细胞中两种前体的浓度远高于我们的预期，甚至超过了它们在整个器官提取物中的浓度。然而，这一观察结果是有道理的，因为长春质碱和文多灵仅存在于罕见的异胚细胞中。当整个叶子被压碎时，叶子中的高浓度会稀释，”天然产物生物合成系主任 Sarah O'Connor 说。

研究团队相信，长春花中药用相关生物碱的生物合成途径组织不是一个孤立的现象。“我们才刚刚开始了解这种特定于细胞类型的组织如何以及为何存在。此外，对特定细胞类型中同时表达的基因的分析帮助我们确定了这种代谢途径中的新参与者。同样的技术可用于研究许多其他天然产物的生物合成。最后，植物化合物积累的确切位置，如表皮、血管系统或乳胶管，可以帮助我们假设天然产物的生态作用。例如，取决于积累的模式，这些化合物可能比对吸汁昆虫更有效地对抗叮咬昆虫，”佐治亚大学教授 Robin Buell 说。

从长远来看，更好地了解抗癌药物长春新碱和长春碱的生物合成途径也可能有助于更有效地生产或收获这些化合物。使用所描述的方法也有望用于研究植物王国中许多其他有趣且具有医学重要性的天然产物。这里描述的方法将有助于缩小这些稀有和特化细胞的范围，并揭示它们独有的基因活动和化学。