植物根系特异合成的次生代谢物是食品、中药、饮料、调味品等的重要品质成分。例如，茶氨酸是赋予茶汤“鲜爽”味和镇静安神功效的品质成分，其合成主要发生在茶树根中。植物根系具有不同的细胞类型，然而，目前关于根中特异次级代谢的细胞类型及其调控机制的信息非常少。因此，利用单细胞测序技术分析根中次生代谢发生的细胞类型，对于深入研究根系次生代谢调控至关重要。
近日，安徽农业大学茶树生物学与资源利用国家重点实验室在《eLife》上在线发表了题为“Root-specific secondary metabolism at the single-cell level: a case study of theanine metabolism and regulation in the roots of tea plants (Camellia sinensis)”的研究论文。论文首次报道了木本植物根系单细胞转录组图谱；提出茶氨酸与其前体乙胺的合成可能存在空间隔离调控；发现调控茶氨酸的合成的转录因子及其靶基因富集表达的细胞类型不同；鉴定了一个调控茶氨酸合成的新的转录因子CsLBD37。
该研究利用10X单细胞转录组测序（scRNA-seq）技术，捕获了10,435个高质量的茶树根细胞，根据基因表达模式把这些根细胞分为8个细胞簇（Cluster）。随后，利用细胞类型Marker基因、细胞簇富集差异基因、公共单细胞数据库等数据信息，结合in situ RT-PCR技术验证基因表达的细胞类型，注释了这些细胞簇的细胞类型。通过拟时序分析，构建了这些细胞簇的分化关系，验证了细胞簇注释的准确性（图1）。
图1 茶树根细胞分化轨迹分析
然后，该研究分析了茶氨酸生物合成、储存和转运的细胞类型特异性（图2）。分析表明，不同类型细胞的氨基酸合成类型和能力不同，茶树根系活跃的谷氨酸和丙氨酸代谢为茶氨酸的大量合成提供可能。茶氨酸合成的核心基因CsAlaDC 和CsTSI 的表达在不同细胞类型中富集：CsAlaDC在形成层或木质部相关细胞中高表达，CsTSI在中柱鞘细胞中高表达。这种细胞类型差异表达表明，茶氨酸及其前体乙胺的合成可能存在空间隔离调控。
图2 茶树根系中茶氨酸合成、转运和调控的细胞异质性
该研究发现，调控CsAlaDC 和CsTSI 表达的转录因子编码基因CsMYB40、CsHHO3、CsMYB6富集表达的细胞类型与CsAlaDC 和CsTSI 富集表达的细胞类型并不相同（图2）。 这可能是一种特殊的调控模式，也可能这些转录因子的靶标基因很多，不一定跟所有标靶基因都在同一种细胞类型中富集表达。为了进一步解析茶氨酸合成的转录调控，研究人员鉴定了调控CsAlaDC表达的一个新的转录因子CsLBD37。CsLBD37的表达与CsAlaDC的表达高度正相关，但是CsLBD37抑制CsAlaDC表达，表明CsLBD37是调控茶氨酸合成的“刹车”转录因子。同时，CsLBD37与CsAlaDC也不在相同的细胞类型中富集表达。另外，发现CsLBD37也具有抑制根发育的功能。
研究人员根据以上研究结果，总结了茶树根中茶氨酸合成、转运及其调控的细胞异质性模型（图3）。这些研究结果也为其它植物根特异的次生代谢研究提供了重要参考。
图3 茶树根中茶氨酸生物合成、转运和调控的细胞异质性模型
该研究以安徽农业大学为第一完成单位，茶树生物学与资源利用国家重点实验室博士生林世嘉和已毕业硕士张懿雯为本文的共同第一作者，张照亮教授为论文的通讯作者。安徽农业大学宛晓春教授、杨天元副教授、夏恩华教授及美国加州大学戴维斯分校William J. Lucas教授等也参与该研究。该研究得到了国家重点研发计划项目课题，国家自然科学基金项目，安徽省重大科技专项等项目支持。
https://elifesciences.org/reviewed-preprints/95891#x201056196
来源：安徽农业大学
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