茶樹(shù)是重要的木本葉用型園藝作物，其鮮葉制作而成的茶葉因其獨(dú)特的風(fēng)味和天然化合物深受人們喜愛(ài)。茶樹(shù)中風(fēng)味相關(guān)次生代謝產(chǎn)物積累是茶葉獨(dú)特風(fēng)味形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，如兒茶素，特別是酯型兒茶素是茶的苦澀味的來(lái)源之一，茶氨酸是茶葉鮮爽的來(lái)源。隨著茶樹(shù)基因組解析，茶樹(shù)中主要次生代謝合成與調(diào)控機(jī)制研究上取得矚目的成果，但深入到細(xì)胞層面的生物合成與分布卻鮮有報(bào)道。
單細(xì)胞測(cè)序作為一種能夠在單個(gè)細(xì)胞水平進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組分析的高分辨分析技術(shù)，使分析不同細(xì)胞類型的代謝特征成為可能。近日，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶樹(shù)生物學(xué)與資源利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室宋傳奎教授團(tuán)隊(duì)在植物學(xué)知名期刊《Plant Biotechnology Journal》（2021年SCI影響因子13.263）發(fā)表題為《Single-cell transcriptome atlas reveals developmental trajectories and a novel metabolic pathway of catechin esters in tea leaves》的研究論文。該研究建立了茶樹(shù)葉片原生質(zhì)體的快速分離體系并對(duì)16977個(gè)單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行研究，構(gòu)建了首個(gè)木本植物葉片的單細(xì)胞圖譜，繪制了茶樹(shù)葉片發(fā)育軌跡，并發(fā)現(xiàn)了新型的一個(gè)酯型兒茶素糖基轉(zhuǎn)移酶，獲得酯型兒茶素糖苷化的證據(jù)。
由于茶樹(shù)葉片細(xì)胞壁厚，次生代謝豐富，木本植物組織難以消化釋放原生質(zhì)體且茶樹(shù)生長(zhǎng)周期長(zhǎng)等原因，茶葉細(xì)胞類型特異性標(biāo)記基因很少，增加了茶葉細(xì)胞類型鑒定的難度。為了克服這些困難，宋傳奎教授團(tuán)隊(duì)使用不同方法檢測(cè)茶葉葉片結(jié)構(gòu)，觀察茶葉細(xì)胞，并根據(jù)其茶樹(shù)葉片特征，建立了茶樹(shù)葉片原生質(zhì)體的快速分離方法。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)16977個(gè)單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行測(cè)序，將茶葉葉片的單細(xì)胞劃分為16個(gè)細(xì)胞簇。隨后，作者又通過(guò)相同的酶解手段，對(duì)葉片進(jìn)行了表皮，葉肉，維管組織等6個(gè)亞組分的分離，并驗(yàn)證各細(xì)胞簇特異高表達(dá)的基因在6組分中的相對(duì)表達(dá)水平，結(jié)合模式植物中的細(xì)胞標(biāo)記基因同源注釋，包含了茶樹(shù)葉片中的主要細(xì)胞類型。
團(tuán)隊(duì)比較嫩葉與老葉的轉(zhuǎn)錄組差異，繪制了嫩葉細(xì)胞的分化與發(fā)育軌跡并標(biāo)注了各個(gè)狀態(tài)和分支的高表達(dá)基因。基于單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)和細(xì)胞類型的鑒定，我們能夠降低不相關(guān)細(xì)胞帶來(lái)的背景噪聲，從而提高調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)精度。于是通過(guò)葉肉中的特異表達(dá)矩陣進(jìn)行共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)葉肉高表達(dá)且與兒茶素代謝顯著相關(guān)的糖基轉(zhuǎn)移酶基因UGT72B23。通過(guò)體內(nèi)外活性驗(yàn)證了其酯型兒茶素糖基轉(zhuǎn)移酶活性，在植物葉片中檢測(cè)到酯型兒茶素糖苷并繪制了單細(xì)胞水平下UGT72B23介導(dǎo)的時(shí)空特異性的兒茶素酯葡萄糖苷合成途徑。
該研究采用多種方法進(jìn)行了細(xì)胞標(biāo)記基因的驗(yàn)證，為木本植物葉片細(xì)胞圖譜繪制提供了重要的參考信息，其原生質(zhì)體快速分離技術(shù)也為其他木質(zhì)化組織快速分離提供了新思路。并通過(guò)特定細(xì)胞類型篩選表達(dá)矩陣發(fā)現(xiàn)了一種新型的酯型兒茶素糖基轉(zhuǎn)移酶，提供了茶樹(shù)酯型兒茶素糖苷化證據(jù)。
我校為第一署名單位，茶樹(shù)生物學(xué)與資源利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士后王強(qiáng)和碩士生巫毅為論文并列第一作者，宋傳奎教授和德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)Wilfried Schwab為并列通訊作者。信陽(yáng)師范學(xué)院崔繼來(lái)博士，南陽(yáng)師范學(xué)院田鍇博士等人參與了該項(xiàng)研究。該項(xiàng)目得到國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金、國(guó)際合作項(xiàng)目、德國(guó)科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.13891
