威尼斯官网团队在红豆杉代谢热点空间分区研究上取得进展

紫杉醇（Taxol）是临床广泛使用的广谱抗癌药物，但其生产供应长期受限。目前紫杉醇主要依赖红豆杉树皮提取，产量有限，过量采剥又威胁红豆杉野生资源。此前研究已发现，红豆杉茎组织内紫杉醇代谢存在区域差异，但由于缺乏有效的空间解析方法，其空间区室化特征仍不清楚。2026年10月28日，威尼斯98488本草基因组学研究院陈士林院士、宋驰研究员团队联合南京林业大学付芳芳教授团队在《Plant Communications》发表论文，通过空间多组学整合解析云南红豆杉茎中紫杉醇生物合成的空间组织特征，揭示紫杉醇合成相关中间体在空间上形成两类代谢热点。研究据此提出紫杉醇生物合成的空间协调多细胞假说模型，为理解植物次生代谢的区室化调控和未来合成生物学改造提供了新线索。

研究团队以云南红豆杉（Taxus yunnanensis）为对象，沿茎自幼嫩（P1）至成熟（P6）取六个纵向位置，以解吸电喷雾电离质谱成像（DESI-MSI，40 μm像素）采集代谢物空间分布，发现紫杉醇中间体在空间上形成局部富集。进一步在P2位置共纳入3个生物学重复（S01–S03），对相邻连续切片分别开展Stereo-seq空间转录组与DESI-MSI空间代谢组分析，通过相邻切片跨模态对齐，在40 μm bin水平进行多组学关联，并以单核RNA测序补充细胞类型信息。空间分布结果显示，紫杉醇中间体并非均匀分布：骨架合成相关中间体随发育先升后降、于P2达峰，苯丙氨酸来源的侧链代谢物主要富集于韧皮部，终产物紫杉醇仅在少数bin中检出。空间自相关分析显示，紫杉醇相关化合物呈显著正空间自相关。研究进一步采用双变量Moran’s I分析途径中相邻中间体的空间关联，将途径中相邻中间体划分为M1–M7七个转化模块，以双变量LISA将每个bin归为高-高（HH）、低-低（LL）、低-高（LH）、高-低（HL）四类，并将“连续3个及以上HH或LH型bin（FDR < 0.05），且至少包含一个Getis-Ord Gi*热点bin（FDR < 0.05）”的空间微区域定义为代谢热点。研究发现，热点可分为两类：一类富集早期骨架步骤（氧代紫杉烷-4α, 9α-二醇至巴卡亭III），另一类富集后期侧链修饰。值得注意的是，超过80%的热点跨越一种以上组织类型，分布于表皮、皮层、韧皮部等多个区域，提示紫杉醇代谢可能并非局限于单一细胞类型，而涉及多细胞空间协调。

图 1 空间自相关分析识别出两类代谢热点

为探究热点区域是否伴随活跃的途径基因表达，研究团队进一步在同一bin水平比对了基因表达。整合后共检出23个紫杉醇途径相关基因；多数途径基因与紫杉醇相关代谢物呈正相关，T2'OH则呈负相关。对热点内差异代谢物进行KEGG富集分析，二萜合成、萜类骨架合成与苯丙烷合成三条通路居前，ABC转运蛋白相关基因亦显著富集。空间转录组数据中检测到45个ABC基因，多个ABC基因在热点区域尤其边界高表达。例如，TyuABCG15在热点边界（LH型）的表达显著高于内部（HH型）；与之对应，3'-N-二苯甲酰-2'-脱氧紫杉醇在LH区域偏低，3'-N-去苯甲酰紫杉醇在热点中偏高。这些基因表达模式提示ABC转运蛋白可能参与紫杉醇中间体的细胞间运输，但其转运方向、底物特异性及具体功能仍需进一步实验验证。酵母生长实验显示，表达部分ABC蛋白的菌株对巴卡亭III、10-脱乙酰紫杉醇、7-表-紫杉醇和紫杉醇的生长响应存在差异，但该实验仅为化合物响应初步筛选，尚不能证明转运活性。

综合上述证据，团队提出热点A与热点B的假说模型：热点A承担骨架形成，热点B承担侧链加成与最终装配；两者在空间分布上不同，ABC转运蛋白可能在其间介导中间产物的转移。该模型提示，紫杉醇合成可能涉及跨细胞、跨组织的空间协调，而非局限于单一细胞类型。本研究整合空间代谢组与空间转录组，并结合单核RNA-seq补充细胞类型信息，在bin水平建立了转录—代谢空间关联图谱，为解析植物复杂次生代谢途径的空间组织提供了新方法，并提出了紫杉醇生物合成的空间协调多细胞假说模型，为植物次生代谢物生物合成与运输的空间调控提供了新的见解。

图 2 热点 A 与热点 B 的假设模型（热点 A 承担早期骨架修饰，热点 B 承担侧链修饰与最终装配）

（图/文 中医药创新研究院/交叉学科研究院）