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春堿以及參與免疫調(diào)節(jié)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，單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序以及空間代謝組學(xué)的出現(xiàn)為天然產(chǎn)物合成途徑的研究帶來技術(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(yīng)用團(tuán)隊(duì)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(yīng)用對進(jìn)一步闡明紅豆杉、長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(tǒng)闡明了細(xì)胞水平合成通路的解析作為合成生物學(xué)的藍(lán)圖扮演的重要角色以及未來工業(yè)化進(jìn)程中面臨的挑戰(zhàn)?！　?/p>

　　文章總結(jié)了高質(zhì)量基因組及單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)對長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(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序、染色質(zhì)開放性測序技術(shù)(ATAC-seq)的綜合應(yīng)用揭示了紫杉醇合成途徑中新的關(guān)鍵酶基因、調(diào)控因子及轉(zhuǎn)運(yùn)因子，繪制了全新的細(xì)胞水平的紫杉醇合成通路圖。這些精細(xì)化細(xì)胞級的圖譜對應(yīng)用微生物細(xì)胞工廠合成目標(biāo)天然產(chǎn)物十分必要，例如在酵母中合成生物堿類化合物、萜類、有機(jī)酸等等。還可以利用植物材料生產(chǎn)目標(biāo)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) -氨基丁酸的番茄等。　　

　　最后文章提出，目前，植物細(xì)胞壁仍阻礙了單細(xì)胞蛋白組學(xué)、單細(xì)胞表觀組學(xué)等技術(shù)在藥用植物中的應(yīng)用。但在未來，隨著采樣、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(zhuǎn)運(yùn)和積累過程的機(jī)制。并且展望，在未來，人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)輔助分析能力的提高，以及微生物或植物細(xì)胞合成過程的改進(jìn)，將有力推動包括培育品種、營養(yǎng)與健康、藥品生產(chǎn)、新材料和環(huán)境修復(fù)等領(lǐng)域的快速發(fā)展。

單細(xì)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）

　　西安植物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(xiàng)目及陜西省科學(xué)院青年聯(lián)合創(chuàng)新專項(xiàng)的資助?！　?/p>

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