单细胞转录组与空间代谢组联合解析人参属植物根尖细胞分化及人参皂苷生物合成的时空动态

本研究针对人参属植物根尖早期发育及人参皂苷生物合成机制不清的问题，通过整合scRNA-seq和空间代谢组技术，首次绘制了人参(Panax ginseng)、三七(P. notoginseng)和西洋参(P. quinquefolium)根尖单细胞转录图谱，揭示了内皮层发育轨迹和表皮特异性的人参皂苷合成模式。研究发现IAA29调控内皮层栓化、MYB2/MYB78正向调控皂苷合成，并通过LC-MS/MS和MALDI2-MSI验证了物种特异性代谢特征，为药用植物细胞分化与次生代谢研究提供了多组学范式。

　　

人参属植物作为传统名贵中药材，其药用价值主要集中于根部积累的人参皂苷(ginsenosides)。然而，根尖作为初生发育的关键区域，其细胞命运决定机制与次级代谢产物的空间分布规律长期缺乏系统研究。尤其对于人参、三七和西洋参这三个具有显著代谢差异的物种，其根尖细胞异质性如何影响人参皂苷的生物合成，以及进化过程中形成的物种特异性代谢模式如何调控，始终是困扰研究人员的核心科学问题。

昆明理工大学(Key Laboratory of Panax notoginseng Resources Sustainable Development and Utilization)的研究团队在《Horticulture Research》发表的研究中，创新性地将单细胞转录组测序(scRNA-seq)与空间代谢组学(spatial metabolomics)技术相结合，首次在单细胞分辨率下解析了人参属植物根尖发育轨迹与代谢调控网络。研究通过10x Genomics平台构建了三物种根尖单细胞图谱，采用Monocle2拟时序分析和Palantir算法重建内皮层分化路径，结合MALDI2质谱成像(MALDI2-MSI)和LC-MS/MS技术定位代谢物空间分布，并通过双荧光素酶报告系统(dual-LUC)和电泳迁移率实验(EMSA)验证关键调控因子。

主要技术路线
研究选取发芽种子根尖样本，通过酶解法获得原生质体后构建单细胞文库；采用Harmony算法整合三物种数据，Seurat进行细胞聚类和标记基因鉴定；利用PlantPhoneDB预测细胞间通讯(CCC)网络；通过RNA原位杂交和RT-qPCR验证基因表达模式；采用MALDI2-MSI实现代谢物原位可视化，LC-MS/MS定量分析物种差异代谢物。

细胞图谱构建与分化轨迹
研究获得5,761-11,638个高质量单细胞，鉴定出表皮(Ep)、根冠(Rc)、内皮层(En)等9种细胞类型。拟时序分析显示内皮层分化经历En3(起始)→En0/En2/En4(过渡)→En1(终末)三个阶段，RNA速度分析证实En3具有最大分化潜能。研究发现IAA29通过直接结合COMT基因启动子中的非典型生长素响应元件(TGTCCC)调控栓质化过程，双荧光素酶实验证实其转录激活活性提升3.8倍。

人参皂苷合成的细胞特异性
关键酶基因SQE、β-AS、CYP716A52V2等在表皮细胞特异性高表达，与MALDI2-MSI显示的β-香树脂醇(β-amyrin)、齐墩果酸(oleanolic acid)等中间体表皮富集模式一致。转录调控网络(TRNs)分析发现MYB78显著激活FPS和SQE表达(P<0.01)，MYB2正调控CYP716A52V2。LC-MS/MS证实三七富含达玛烷型皂苷(如Rg₁、Rb₁)，而西洋参特异性积累假人参皂苷F11(pseudoginsenoside F11)。

物种适应性机制
54个脂肪酸去饱和酶(FAD)基因在根尖分生区特异性表达，其中PG(人参)表达量最高，与其寒冷适应相关。ERF家族的AT1G16060和WRKY75被鉴定为FAD家族主要调控因子，可能通过ABA信号通路增强抗寒性。LC-MS/MS检测到PG中34种不饱和脂肪酸含量显著高于其他物种。

该研究首次在单细胞层面揭示了人参属植物根尖发育与代谢的时空调控规律，不仅鉴定出IAA29-MYB2/MYB78等关键转录因子，还通过多组学整合阐明了皂苷合成