近日，海军军医大学谭何新教授团队在Nature Communications在线发表题为Single-nucleus transcriptomics reveal the morphogenesis and artemisinin biosynthesis inArtemisia annuaglandular trichomes的研究论文。该研究通过单核RNA测序和空间转录组学技术，构建了一个高分辨率的腺毛细胞图谱，描绘了黄花蒿腺毛发育过程中的代谢动态并定义了三个发育阶段，发现10个腺毛细胞中的6个分泌细胞构成了青蒿素生产的主要位点并鉴定了数百个可能参与腺毛发育或青蒿素生物合成的枢纽基因。该研究系统地阐明了腺毛分泌细胞的发育和青蒿素的生物合成，揭示了其空间生产机制，为代谢工程及腺毛生物学研究提供了至关重要的细胞和遗传基础。
青蒿素是一线抗疟药物，青蒿素的生物合成从双氢青蒿酸（DHAA）到青蒿素的最终转化机制存在关键空白，这一根本问题严重阻碍了通过微生物工程高效生产青蒿素。此外，如同大麻素、尼古丁和薄荷醇等其他由植物腺毛合成的高价值化合物一样，青蒿素也由黄花蒿（Artemisia annua）的腺毛（glandular secretory trichomes，GSTs）这一特殊“生物工厂”所生产。然而，相比于研究较为清晰的拟南芥非腺毛，我们对腺毛本身的形态发生及其代谢特化机制仍知之甚少。
该研究突破了腺毛细胞稀有（占总叶片细胞＜1%）、结构脆弱且被角质层包裹导致传统酶解法难以分离等技术挑战，通过创新的温和机械提取法，率先构建了高精度的单细胞核转录组图谱。该图谱系统鉴定了15个细胞簇，注释为7种主要细胞类型。尤为关键的是，通过将空间数据与单细胞图谱整合，并运用多种工具进行交叉验证，并通过实验验证了标记基因，共同证实了腺毛注释的可靠性与青蒿素合成途径的空间共定位，为后续深入研究奠定了可靠的数据基础。
黄花蒿腺毛单细胞核图谱构建与验证
通过拟时序分析重构了黄花蒿表皮细胞分化为腺毛与T型非腺毛的发育轨迹，并识别出四个关键功能模块。通过精细注释七个腺毛亚群，将其发育过程划分为三个功能状态阶段。腺毛起始阶段：核心代谢途径的转录激活建立了基本的细胞机制；中间阶段：以脂质代谢激活为标志，伴随着脂肪酸和蜡质生物合成的协同作用，以及活跃的光合作用；终末分化阶段：通过萜类和脂质生物合成途径的空间区室化实现代谢物的特化。
单细胞核转录组分析精确揭示青蒿素的生物合成被严格限定于腺毛中的六个分泌细胞（顶细胞与亚顶细胞）。进一步解析了腺毛内部的高度协调分工：顶细胞和亚顶细胞具备完整的青蒿素合成能力；基细胞则特异性提供上游前体；而柄细胞与未成熟细胞不参与合成。此外，通过整合单细胞数据与加权基因共表达网络分析，构建了与腺毛发育和青蒿素合成相关的基因模块。
hdWGCNA鉴定毛状体发育和青蒿素生物合成的枢纽基因
海军军医大学谭何新教授为该论文的唯一通讯作者。海军军医大学博士研究生张明惠，已毕业硕士研究生李明育、安妍妍和刘畅讲师为该论文的共同第一作者，硕士研究生赵巧娟、张丹凤和潘百威参与了该工作。本研究得到了国家优秀青年科学基金，国家自然科学基金面上项目，上海市自然科学基金延续项目以及上海市中医药研究项目的资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-025-63770-y
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