圣約翰草（貫葉金絲桃，貫葉連翹，Hypericum perforatum）因其在治療抑郁癥方面的療效而廣為人知，這主要?dú)w功于其產(chǎn)生的抗抑郁成分貫葉金絲桃素（hyperforin），其藥用價(jià)值已被記錄在《中國藥典》中，并且其提取物是抗抑郁藥物疏肝解郁膠囊的主要成分。

2024年8月11日，國際學(xué)術(shù)期刊?Molecular Plant在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心Evangelos Tatsis研究組題為“Single cell RNA sequencing facilitates the elucidation of the complete biosynthesis of the antidepressant hyperforin in St. John’s wort”的研究論文。該研究基于基因組、單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組、合成生物學(xué)解析了貫葉金絲桃素的完整生物合成途徑。

目前，貫葉金絲桃素只能通過植物提取獲得。由于其化學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、合成過程中需要使用大量有毒化學(xué)品，且步驟繁多、最終產(chǎn)率較低，因此不適合通過有機(jī)合成方法來生產(chǎn)。而且由于貫葉金絲桃素的完整生物合成途徑尚未被揭示，目前也無法通過合成生物學(xué)進(jìn)行生產(chǎn)。主流的植物次生代謝基因的發(fā)現(xiàn)方法通常基于大規(guī)模轉(zhuǎn)錄組測序數(shù)據(jù)的共表達(dá)分析和基因組挖掘，但這些方法均未能找到貫葉金絲桃素生物合成過程中缺失的關(guān)鍵步驟。

為了解貫葉金絲桃素的生物合成途徑：

1.?相較于當(dāng)前不完整的基因組數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了四倍體貫葉金絲桃基因組的高質(zhì)量染色體級(jí)組裝。

2.?物種名稱“perforatum”源于植物葉片上易于觀察到的透明腺體，貫葉金絲桃素即在此處積累?；谪炄~金絲桃素從頭生物合成依賴于這些腺體的假設(shè)，進(jìn)行了單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序。

3.?基于與擬南芥標(biāo)記基因的同源性，建立了非模式植物細(xì)胞注釋的自動(dòng)化流程。發(fā)現(xiàn)了一種獨(dú)特的細(xì)胞類型，稱之為“Hyper細(xì)胞”，在這些細(xì)胞中貫葉金絲桃素的從頭生物合成得以進(jìn)行。

4.?基于單細(xì)胞分析，精確定位了四個(gè)跨膜異戊烯基轉(zhuǎn)移酶，從而使用酵母和煙草完成了貫葉金絲桃素完整生物合成途徑的解析。

貫葉金絲桃素合酶HpPT4（最后的酶促步驟）是植物次生代謝中一個(gè)獨(dú)特的發(fā)現(xiàn)，其非典型的頭部-中間異戊烯基化步驟（1’-2）引發(fā)了環(huán)化反應(yīng)，代表了萜類相關(guān)代謝中一種新型酶類。研究解決了天然產(chǎn)物生物合成領(lǐng)域中長期懸而未決的關(guān)于貫葉金絲桃素生物合成酶促機(jī)制的問題，為通過合成生物學(xué)進(jìn)行貫葉金絲桃素的異源生產(chǎn)提供了基礎(chǔ)，成為植物提取和傳統(tǒng)有機(jī)化學(xué)合成的替代方案。

這是首個(gè)由單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序指導(dǎo)的完整代謝途徑的解析。與以往在單細(xì)胞水平上映射已知代謝途徑步驟不同的是，該項(xiàng)工作揭示了一條限定于單一細(xì)胞類型的完整生物合成途徑，并成功指導(dǎo)了參與未知步驟的基因挖掘。這一研究結(jié)果將深化植物次生代謝在細(xì)胞水平上的理解，并為加速代謝途徑的解析開辟新方向。期待這一成果能為利用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序進(jìn)行植物次生代謝基因的挖掘，尤其是探索時(shí)空特異的代謝途徑，提供有力的參考。

中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心博士生吳松為該論文的第一作者，Evangelos Tatsis研究員為通訊作者。博士后Ana Morotti、楊軍副研究員和王二濤研究員參與本項(xiàng)工作。該研究團(tuán)隊(duì)同時(shí)隸屬于中國科學(xué)院與英國約翰·英納斯中心合作共建的國際聯(lián)合單元植物和微生物科學(xué)聯(lián)合研究中心(CEPAMS)。該工作得到了代謝組學(xué)平臺(tái)、細(xì)胞結(jié)構(gòu)分析技術(shù)平臺(tái)、國家基因研究中心的支持與幫助。研究工作得到中國科學(xué)院先導(dǎo)科技專項(xiàng)、中國科學(xué)院國際合作伙伴項(xiàng)目、上海市科委、植物分子遺傳國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中心引進(jìn)人才項(xiàng)目等的資助。

論文鏈接: https://www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052(24)00258-2

?貫葉金絲桃葉片單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組和代謝基因表達(dá)