藥用植物中的天然產(chǎn)物（Natural Products, NPs）因其在疾病治療上的重要作用而被廣泛關(guān)注，如抗瘧疾的青蒿素、抗心血管疾病的丹參酮、抗腫瘤的紫杉醇和長(cháng)春堿以及參與免疫調節的人參皂苷等。然而這些天然產(chǎn)物合成途徑的解析一直是研究者關(guān)注的熱點(diǎn)領(lǐng)域。隨著(zhù)高通量測序的快速發(fā)展，后基因組學(xué)及多組學(xué)聯(lián)合技術(shù)為一系列藥用植物天然產(chǎn)物合成通路的破解提供了很好的工具。近年來(lái)，單細胞轉錄組測序以及空間代謝組學(xué)的出現為天然產(chǎn)物合成途徑的研究帶來(lái)技術(shù)變革。

　　近日，陜西省西安植物園資源植物功能基因挖掘與應用團隊受邀在植物科學(xué)領(lǐng)域Top期刊Trends in Plant Science（IF=20.5）發(fā)表了題為“Spatial multi-omics in medicinal plants: from biosynthesis pathways to industrial applications”的Forum論文，探討了空間多組學(xué)技術(shù)的應用對進(jìn)一步闡明紅豆杉、長(cháng)春花等藥用植物天然產(chǎn)物合成途徑的推進(jìn)作用，并系統闡明了細胞水平合成通路的解析作為合成生物學(xué)的藍圖扮演的重要角色以及未來(lái)工業(yè)化進(jìn)程中面臨的挑戰。

　　文章總結了高質(zhì)量基因組及單細胞轉錄組測序技術(shù)對長(cháng)春花中生物堿合成通路研究的促進(jìn)作用，以及紅豆杉中質(zhì)譜成像技術(shù)（MSI）、基質(zhì)輔助激光解吸電離質(zhì)譜成像技術(shù)（MALDI-MSI）等空間代謝組學(xué)與單細胞轉錄組測序、染色質(zhì)開(kāi)放性測序技術(shù)(ATAC-seq)的綜合應用揭示了紫杉醇合成途徑中新的關(guān)鍵酶基因、調控因子及轉運因子，繪制了全新的細胞水平的紫杉醇合成通路圖（圖1）。這些精細化細胞級的圖譜對應用微生物細胞工廠(chǎng)合成目標天然產(chǎn)物十分必要，例如在酵母中合成生物堿類(lèi)化合物、萜類(lèi)、有機酸等等。還可以利用植物材料生產(chǎn)目標化合物，如能合成維生素E、蝦青素的煙草，能生產(chǎn)新冠疫苗的生菜，能生產(chǎn)γ-氨基丁酸的番茄等。最后文章提出，目前，植物細胞壁仍阻礙了單細胞蛋白組學(xué)、單細胞表觀(guān)組學(xué)等技術(shù)在藥用植物中的應用。但在未來(lái)，隨著(zhù)采樣、空間測序、空間成像技術(shù)和生物信息學(xué)分析的進(jìn)步，空間多組學(xué)將有助于揭示藥用植物天然產(chǎn)物合成、轉運和積累過(guò)程的機制。并且展望，在未來(lái)，人工智能和機器學(xué)習輔助分析能力的提高，以及微生物或植物細胞合成過(guò)程的改進(jìn)，將有力推動(dòng)包括培育品種、營(yíng)養與健康、藥品生產(chǎn)、新材料和環(huán)境修復等領(lǐng)域的快速發(fā)展。

　　圖1 單細胞水平的空間多組學(xué)解析天然產(chǎn)物生物合成途徑（以紅豆杉為例）

　　我園陳塵副研究員為本文第一作者，西北大學(xué)岳明教授為本文通訊作者，張笑博士參與論文撰寫(xiě)工作。該研究得到陜西省創(chuàng )新能力支撐計劃、中國科學(xué)院西部之光 ‘西部青年學(xué)者’院外項目及陜西省科學(xué)院青年聯(lián)合創(chuàng )新專(zhuān)項的資助。

　　論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.tplants.2024.02.008