《Plant Biotechnology Journal》：Mass Spectrometry Imaging Combined With Single-Cell Transcriptional Profiling Reveals the Multidimensional Spatial Distributions and Biosynthetic Pathways of Medicinal Components in Andrographis paniculata
編輯推薦：
本研究創新性地建立質譜成像（MSI）與單細胞RNA測序（scRNA-seq）聯用技術體系，首次在藥用植物穿心蓮（Andrographis paniculata）中實現活性成分（如穿心蓮內酯）的組織特異性分布可視化及細胞類型特異性合成通路解析。通過DESI-MSI精準定位穿心蓮內酯類成分在葉肉非葉脈區域及莖部皮層的富集規律，結合單細胞轉錄組發現關鍵萜類合酶ApCPS2在光合葉肉細胞亞群中特異性高表達，并證實光信號通過轉錄因子ApHY5/ApPIF1調控其表達。該研究為植物次生代謝產物的空間代謝研究提供了新技術范式，對藥用植物品質改良及活性成分生物制造具有重要指導意義。
引言
藥用植物活性成分的合成與積累具有器官、組織及細胞類型特異性，這種空間異質性對藥用植物開發利用至關重要。穿心蓮作為傳統藥用植物，其核心活性成分穿心蓮內酯類二萜內酯（包括穿心蓮內酯AD、脫水穿心蓮內酯DDAD、14-脫氧穿心蓮內酯14-DAD及新穿心蓮內酯NAD）的精細分布與合成調控機制尚不明確。本研究通過整合質譜成像（MSI）與單細胞轉錄組（scRNA-seq）技術，首次在穿心蓮中構建了藥用成分多維空間分布與生物合成路徑解析體系。
穿心蓮內酯含量在葉片和莖表皮中更高
通過LC-QQQ-MS/MS定量分析發現，穿心蓮內酯類成分在葉片中的含量（102.12 mg/g鮮重）顯著高于莖部（9.98 mg/g），且莖部外周區域含量較內部高185倍。穿心蓮內酯和14-脫氧穿心蓮內酯在葉片中占主導，而莖部以穿心蓮內酯和新穿心蓮內酯為主，表明該類成分具有明顯的組織特異性積累特征。
DESI-MSI在穿心蓮中的最優實驗條件
研究系統優化了DESI-MSI參數，確立甲醇/水/甲酸（90:10:0.01%）為流動相，流速2.0 μL/min，毛細管電壓0.6 kV，采樣錐電壓45 V，氮氣壓力0.07 MPa，像素分辨率150×150 μm。該條件在保證離子化效率的同時，實現了穿心蓮內酯類成分的高分辨率空間成像。
穿心蓮內酯主要富集于葉片非葉脈組織及莖部外圍
MSI空間映射顯示，穿心蓮內酯、脫水穿心蓮內酯和14-脫氧穿心蓮內酯在莖橫切面皮層區域特異性富集，在葉片中則集中于非葉脈區域。多組織整合成像證實代謝物積累梯度為葉片＞莖外周，與LC-QQQ-MS/MS定量結果高度一致，驗證了空間代謝組學工作流的可靠性。
ApCPS2特異性表達于葉肉細胞
通過葉片原生質體分離獲得8303個高質量單細胞，轉錄組聚類鑒定出9個細胞亞群，注釋為表皮細胞、葉肉細胞、韌皮部細胞和保衛細胞四大類。關鍵合成酶基因表達分析顯示，上游萜類合酶ApCPS2在葉肉細胞簇（簇4/8/2）中特異性高表達，而下游P450酶（ApCYP72A399和ApCYP72AF1）呈廣譜表達。雙熒光素酶報告實驗證實光響應轉錄因子ApHY5和ApPIF1可激活ApCPS2啟動子（表達量分別提升15.80倍和7.69倍），形成葉肉細胞特異的轉錄調控模塊。GO與KEGG富集分析表明，葉肉細胞簇（簇4/7/8）協同調控光合作用與萜類骨架合成通路，通過NADPH/ATP共享機制形成代謝互作網絡。
光調控促進穿心蓮內酯合成
葉片遮光實驗發現，光照處理7天后葉片出現深褐色表型，遮光區域保持綠色。光化學效率（Fv/Fm）在0–24小時內下降后逐漸恢復，表明光損傷修復機制激活。LC-QQQ-MS/MS定量顯示光照組穿心蓮內酯、新穿心蓮內酯、14-脫氧穿心蓮內酯和脫水穿心蓮內酯含量分別提升2.1倍、4.0倍、2.3倍和1.5倍（總量提升2.11倍）。DESI-MSI進一步驗證光照葉肉區域內酯信號增強，證實光信號通過激活葉肉細胞代謝通路促進穿心蓮內酯合成。
討論與展望
本研究建立的MSI與scRNA-seq整合框架，揭示了穿心蓮內酯在葉肉細胞中的光調控合成機制，為藥用植物空間代謝研究提供了新策略。未來可通過多組學聯用拓展代謝物覆蓋范圍，利用ApCPS2葉肉特異性表達系統開展代謝工程，并優化光照栽培條件提升活性成分產量。該技術體系可推廣至其他藥用植物次生代謝研究，推動中藥現代化與產業化發展。
