茶树的芽叶是其品质形成的关键载体，其发育进程伴随着复杂的细胞分化与次生代谢物合成。然而，这一过程在细胞类型特异性层面的精确调控机制尚不清晰。近日，中国农业科学院茶叶研究所联合多家单位，在Horticulture Research上发表了题为“Integrated single-nucleus transcriptomic and metabolomic insights into bud-to-leaf development and metabolite synthesis in tea plant”的研究论文。该研究应用单细胞核转录组测序（snRNA-seq），结合代谢组学与功能验证，首次在单细胞分辨率下系统绘制了茶树从芽到叶的细胞图谱，揭示了栅栏组织细胞（PM）在类黄酮合成中的核心作用，并鉴定出CsmiRNA396b-CsGRF与CsTCP3/CsTCP14等关键调控模块在协同调控叶片发育与风味物质合成中的拮抗关系，为茶树品质生物学研究提供了全新的视角与理论基础。

题目：Integrated single-nucleus transcriptomic and metabolomic insights into bud-to-leaf development and metabolite synthesis in tea plant

发表期刊：Horticulture Research

影响因子：8.5

发表时间：2025-10-20

研究思路

研究结果

首先，研究团队以茶树新梢（包含芽、第1叶、第2叶、第3叶）为研究对象，通过snRNA-seq技术剖析芽叶发育过程中的细胞组成变化。经组织切片观察，明确了第1-3叶中存在上表皮细胞（UE）、下表皮细胞（LE）、栅栏叶肉细胞（PM）、增殖木质部细胞（PC-XY）、韧皮部细胞（PH）和海绵叶肉细胞（SM）等细胞类型（图1b）；对测序数据处理后，共获得48,047个细胞核，经质控保留8,855-12,179个高质量细胞核/样本，并通过降维聚类分析鉴定出17个细胞簇，进一步依据标记基因将其归为8种主要细胞类型（PM、UE、LE、PC-XY、PH、SM、增殖细胞PC、保卫细胞GC）（图1c-d）。结果显示，从芽到叶的发育过程中，PM细胞比例逐步增加，而PC细胞比例持续降低（图1e）；17个细胞簇呈现发育特异性变化，其中簇14主要分布在芽中，且其基因富集于胚胎发育、叶绿体生物发生等关键代谢过程（图1f）；Cyto-TRACE分析发现SM和PM细胞的分化潜能高于UE和LE细胞（图1g）。

为进一步验证已鉴定的细胞类型，并探究芽到叶发育过程中连续的分化轨迹，研究团队采用Monocle2软件对部分聚类的细胞进行拟时序分析（图2a）。结合前期发现的“PM细胞数量递增、PC细胞数量递减”的规律（图1e），通过拟时序轨迹排序，明确了细胞分化过程中的4个关键分支点，对应不同的细胞分化状态（图2b-c）。对分支特异性基因分析发现，PM和PC分化相关的前50个关键基因中，苯丙烷生物合成、单萜合成、光合作用等通路显著富集（图2d）；进一步分析分支节点4的前100个差异基因，其主要参与叶绿体生物发生与光合作用，而分支表达分析筛选出的6个显著变化功能基因，涉及叶绿体形成、木栓质生物合成和蜡质生物合成等过程（图2e）。这些结果表明，茶树芽叶发育伴随细胞类型的动态转变，PM细胞随组织成熟逐步适配光合功能，PC细胞则随成熟度增加而减少，清晰呈现了组织存活与功能适配的分化适应机制。

为解析茶树芽叶发育轨迹中植物激素的合成与积累规律，研究团队通过多组学手段结合可视化分析，探究了6大类主要植物激素（脱落酸ABA、水杨酸SA、生长素IAA、茉莉酸JA、细胞分裂素CK、赤霉素GA）合成相关基因的表达与激素积累特征（图3a-f）。结果显示，SA和JA合成酶基因表达量较高，且主要定位于PM细胞；ABA、CK和GA合成酶基因表达量较低且分布分散；IAA合成酶基因在各细胞类型中均匀分布。激素积累水平分析发现，从芽到第3叶的发育过程中，JA、IAA、ABA和CK的积累量呈逐步下降趋势，而GA8的积累量随组织成熟显著增加（图3g）。这一差异积累模式表明，芽叶发育早期主要依赖生长素和细胞分裂素促进细胞分裂与分化，后期则通过赤霉素推动组织生长，充分体现了不同植物激素在茶树芽叶发育成熟过程中的功能特化。

为挖掘影响茶树芽叶发育的调控因子，研究团队结合snRNA-seq与RNA-seq数据，分析了细胞分裂与叶片发育相关关键通路基因（如TCPs、GRFs、GIFs、CUCs）的表达模式（图4a-b）。结果显示，CsCyclinD3:1、CsGIF1a、CsAS1a等基因在不同细胞类型中表达量均比较高，且PM细胞中CsNGA、CsHAT2、CsDWF4的表达量高于PC细胞，并随叶片发育持续升高；而CsGRFs基因表达量随叶片发育逐渐降低。进一步聚焦微小RNA（miRNAs）这一重要转录后调控因子，发现CsmiRNA156s、CsmiRNA164s、CsmiRNA396s的表达量随组织发育升高，CsmiRNA319s则呈下降趋势。通过关键miRNA-靶基因对分析，明确CsmiRNA396b通过靶向AtGRF3基因，在拟南芥中过表达后显著抑制叶片大小与重量（图4e-g）；序列比对显示CsmiRNA396b与CsGRF1/2/3存在互补结合位点（图4d），且其表达量在芽叶组织中呈现发育依赖性变化（图4c）。这些结果证实，miRNAs通过靶向特定调控基因，在茶树芽叶发育中发挥核心调控作用，其与靶基因的相互作用可精细调控细胞分裂、分化及激素信号通路，最终影响叶片大小与茶叶品质。

鉴于黄酮类化合物是决定茶叶品质的关键次生代谢物，研究团队首先构建了茶树黄酮类生物合成模型，明确其通过苯丙烷途径经一系列酶促反应合成的过程（图5a）。结合snRNA-seq数据可视化分析发现，绝大多数黄酮类生物合成相关酶基因（如CsCHS1、CsF3H1、CsFLS1、CsUGT84A22等）在PM细胞中高度富集（图5b）；进一步对PM细胞进行KEGG富集分析，证实其显著富集黄酮类生物合成相关通路（图5c）。代谢组分析显示，多数黄酮类化合物（尤其是黄酮醇糖苷）随芽叶发育逐步积累，6大类儿茶素中C（儿茶素）和ECG（表儿茶素没食子酸酯）的积累量增幅最显著；花青素主要以糖苷形式存在（如矢车菊素3-O-芸香糖苷等），且黄酮类生物合成关键基因（如CsC4H、CsLAR、CsUGT84A22）的表达量与代谢物积累趋势一致，随组织发育持续上调。同时，PM细胞中还富集叶绿素生物合成基因，与该细胞在光合作用中的核心功能相契合，这些结果清晰揭示了PM细胞在茶树黄酮类合成与光合功能中的双重核心作用，以及黄酮类代谢物随芽叶发育的动态积累规律。

为解析茶树黄酮类糖苷积累的调控机制，研究团队基于snRNA-seq、RNA-seq与代谢组数据关联分析，首先鉴定出与黄酮醇糖苷积累趋势一致的CsUGT94P1基因（图6a-c），体外酶活实验证实其可利用UDP-葡萄糖为供体，催化山奈酚或槲皮素分别生成山奈酚-3-O-葡萄糖苷、槲皮素-3-O-葡萄糖苷（图6d-e）。进一步聚焦TCP转录因子家族，通过系统发育树分析将CsTCP3归为II类TCP（抑制细胞分裂）、CsTCP14归为I类TCP（促进组织发育）（图7a）；表达模式分析显示，CsTCP3表达量随芽叶成熟显著升高且主要定位于PM细胞，CsTCP14则呈相反趋势（图7b-c）。拟南芥转基因实验证实，CsTCP3过表达（CsTCP3OE）显著促进黄酮类积累，同时抑制叶片大小、减少叶缘锯齿；CsTCP14过表达（CsTCP14OE）则显著抑制黄酮类积累，促进叶片增大（图7d-e）；且抑制CsTCP3表达会导致CsUGT94P1下调，进而降低黄酮醇糖苷含量。这些结果阐明了CsTCP3与CsTCP14在茶树叶片发育和黄酮类合成中的拮抗调控作用，为解析TCP家族功能多样性提供了关键依据。

总结

本研究整合snRNA-seq、RNA-seq与代谢组学技术，分析茶树芽至第3叶的发育过程，明确8种细胞类型的动态变化，鉴定出CsmiRNA396b、CsUGT94P1等核心调控因子，构建了覆盖细胞分化、激素调控、代谢合成的多维度数据网络，明确了黄酮类化合物（如黄酮醇糖苷、儿茶素）随芽叶成熟逐步积累、氨基酸（如L-茶氨酸）呈下降趋势的代谢规律，还通过实验验证关键基因的功能，最终构建茶树芽叶发育与代谢协同调控模型。

总的来讲，这项研究首次从细胞与分子层面系统解析了茶树芽叶发育的动态调控机制，不仅填补了茶树芽叶细胞特异性代谢调控研究的空白，更展现了多组学技术结合功能验证在植物发育与品质研究中的强大潜力，为解析茶叶品质形成的分子基础提供了前所未有的精准视角，为后续通过基因编辑、栽培调控等手段定向改良茶叶品质（如优化黄酮类含量、提升风味）奠定了关键理论基础。未来随着调控因子功能深入挖掘，有望推动茶树分子育种与优质栽培突破，为茶叶产业发展注入新动能。

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