红豆杉又称紫杉，国家一级珍稀保护树种，也是世界上公认的濒临灭绝的第四纪冰川遗留下来的古老树种。科学家利用红豆杉提取物紫杉醇制成了抗癌药物，是治疗转移性卵巢癌和乳腺癌的药物之一。紫杉醇在红豆杉茎中分布不均，且含量极低，研究紫杉醇合成调控途径成为当前研究的热点问题。
近日，国际著名的植物学期刊在线发表了杭州师范大学浙江省药用植物种质改良与质量控制技术重点实验室王慧中团队题为Integrated mass spectrometry imaging and single-cell transcriptome atlas strategies provide novel insights into taxoid biosynthesis and transport in Taxus mairei stems: 的研究论文。
该研究利用最新的质谱成像技术，绘制了紫杉烷类化合物在红豆杉幼茎中的可视化分布图。诸如：10-脱乙酰基紫杉醇(10-deacetyl paclitaxel)均匀分布于整茎中，10-脱乙酰基巴卡丁(10-DAB)和巴卡丁(BAC)主要积累于内皮层和韧皮部中，而紫杉醇(taxol)特异积累于外皮层中。研究结果验证了紫杉烷类化合物具有组织异性积累。
紫杉烷类化合物红豆杉幼茎可视化分布图
通过制备红豆杉幼茎原生质体，得到了1.09 × 107个每毫升密度单细胞的高标准原生质体材料。经分离纯化，得到21233个红豆杉幼茎组织单细胞。通过高通量单细胞测序，绘制了红豆杉幼茎单细胞表达图谱，平均单细胞基因检测数为2996，表明了红豆杉茎组织具有高度的细胞异质性。
基于细胞特异标记基因，将所得单细胞分为18个细胞类群，提供了南方红豆杉茎组织的单细胞表达谱，为揭示紫杉烷类化合物细胞群差异积累的调控机制打下了基础。目前，紫杉醇合成途径相关基因陆续得到了克隆，针对它们的细胞特异性表达尚且缺乏深入的研究。
该研究指出，T14OH、T5OH和TS基因主要在内皮层细胞群中表达，T10OH和DBTNBT基因主要在木质部薄壁细胞群中表达，DBAT基因在外皮层细胞群中表达。基于单细胞表达谱，筛选得到了包括MYB，TEM，RAV，NAC家族成员在内的大量细胞群特异表达转录因子，并预测了它们的下游靶基因。
本研究以单细胞水平的分辨率建立了红豆杉幼茎中主要细胞类型的表达图谱，为进一步研究细胞特异的紫杉烷合成调控机制提供了基础。
红豆杉茎组织单细胞测序揭示紫杉烷类化合物组织特异表达网络
杭州师范大学生命与环境科学学院俞春娜副教授为本论文的第一作者。杭州师范大学生命与环境科学学院王慧中教授和沈晨佳副教授为本论文的共同通讯作者。杭州师范大学王慧中团队近年来在红豆杉次生代谢调控研究中取得了一系列进展，鉴定了多个红豆杉韧皮部特异表达的紫杉醇合成调控因子(Yu et al., 2020, The Plant Journal), 解析了曼地亚红豆杉雌雄差异形成的机制(Yu et al., 2022, Horticulture Research), 探索了红豆杉重金属响应机制(Feng et al., 2023, Tree Physiology)。上述一系列工作得到了国家自然科学基金（32271905, 32270382），浙江省自然科学基金（LY23C160001, LY18C050005, LY19C150005, LY19C160001）的资助。
参考文献：
Yu, C., Huang, J., Wu, Q., Zhang, C., Li, X.L., Xu, X., Feng, S., Zhan, X., Chen, Z., Wang, H. and Shen, C. (2022) Role of female-predominant MYB39-bHLH13 complex in sexually dimorphic accumulation of taxol in Taxus media. Hortic Res, 9, uhac062.
Yu, C., Luo, X., Zhang, C., Xu, X., Huang, J., Chen, Y., Feng, S., Zhan, X., Zhang, L., Yuan, H., Zheng, B., Wang, H. and Shen, C. (2020) Tissue-specific study across the stem of Taxus media identifies a phloem-specific TmMYB3 involved in the transcriptional regulation of paclitaxel biosynthesis. The Plant journal, 103, 95-110.
Feng, S., Kailin, H., Zhang, H., Chen, C., Huang, J., Wu, Q., Zhang, Z., Gao, Y., Wu, X., Wang, H. and Shen, C. (2023) Investigation of the role of TmMYB16/123 and their targets (TmMTP1/11) in the tolerance of Taxus media to cadmium. Tree Physiol, tpad019.
Xiong, X., Gou, J., Liao, Q., Li, Y., Zhou, Q., Bi, G., Li, C., Du, R., Wang, X., Sun, T., Guo, L., Liang, H., Lu, P., Wu, Y., Zhang, Z., Ro, D.K., Shang, Y., Huang, S. and Yan, J. (2021) The Taxus genome provides insights into paclitaxel biosynthesis. Nat Plants, 7, 1026-1036. 原文链接：https://doi.org/10.1111/tpj.16315