中国中医科学院黄璐琦院士团队解析人参胚性原表皮层高效积累人参皂苷的机制

前言/QIANYAN

人参被誉为“百草之王”，其核心活性成分人参皂苷（ginsenoside）具有抗炎、抗肿瘤、神经保护、调节代谢等多重药理活性。但好货不便宜，一棵优质人参动辄需要4到25年才能成材，期间还要面临连作障碍、病虫害、气候波动等风险。能不能像酿啤酒一样，在生物反应器里“种”人参？科学家早就尝试了植物细胞培养技术。但传统愈伤组织（callus）有个通病：要么长得慢，要么皂苷产量低，离工业化总是差一口气。

问题的关键在于：人参皂苷在植物体内并不是哪里都在合成，而是被”藏”在特定细胞区室里。2026年6月，中国中医科学院黄璐琦院士团队在Nature Communications上发表了研究论文“Single-cell analyses identify the ginseng embryonic protoderm as a native compartment for highefficiency ginsenoside production”。建立了人参胚性愈伤组织(EC)体系，发现其人参皂苷含量与林下山参相当。通过单细胞转录组+质谱成像+表观遗传组学联合分析，他们锁定胚性原表皮层为人参皂苷合成的细胞源，并揭示了组蛋白乙酰化+WOX11协同驱动再生与代谢耦合的分子基础。其中寻因生物提供了单细胞转录组技术服务。

01

研究背景：

寻找人参皂苷的”生产车间”

人参皂苷分为三大类：原人参二醇型（PPD）、原人参三醇型（PPT）和齐墩果烷型（OA）。它们的生物合成涉及多个细胞色素P450酶（如CYP716A系列）和糖基转移酶，是一个复杂的多酶催化网络。

此前研究提示，人参皂苷在植物体内存在多细胞区室化（multicellular compartmentalization）现象，但具体是哪些细胞类型在承担合成任务，一直是个谜。人参胚胎愈伤组织（embryogenic callus, EC）因其独特的再生潜能和皂苷合成能力，被认为是理想的“细胞工厂”候选者，但其分子机制长期未明。

本研究的核心目标：利用单细胞转录组测序（scRNA-seq）结合多组学技术，在单细胞分辨率上绘制人参皂苷的合成地图，找到那个真正的”生产车间”。

02

研究技术路线：

从一片叶子到单细胞地图

阶段

技术方法

核心目的

材料制备

人参叶片诱导EC（胚胎愈伤组织）和NEC（非胚胎愈伤组织）

获得具有对比性的两种愈伤组织

代谢定量

UPLC-MS/MS（超高效液相色谱-串联质谱）

精确测定总皂苷及Re、Rg1、Rb1、Rc、Rd等单体含量

转录组筛选

Bulk RNA-seq

比较EC vs NEC的全局基因表达差异，锁定再生和皂苷合成通路

单细胞定位

scRNA-seq（SeekOne® MM平台）

在单细胞分辨率上鉴定EC的细胞类型，定位皂苷合成基因表达

空间验证

原位杂交（ISH）+ AP-SMALDI MSI（常压扫描微探针基质辅助激光解吸电离质谱成像）

在组织切片上直接”看到”皂苷合成酶和皂苷分子的空间分布

表观机制

ChIP-seq（H3K9ac）+ ATAC-seq

解析EC高皂苷产量的表观遗传基础（组蛋白乙酰化与染色质可及性）

工厂强化

组蛋白去乙酰化酶抑制剂TSA / 乙酰转移酶抑制剂CUR + WOX11B过表达

验证通过表观遗传或再生基因工程提升皂苷产量

03

研究结果

01

EC——一座被低估的“皂苷金矿”（Fig. 1）

研究团队首先从人参叶片诱导出两种愈伤组织： - EC（胚胎愈伤组织）：在无激素培养基上长期培养，质地坚硬、呈黄色，能持续产生体细胞胚，苏丹红7B染色显示富含脂滴（胚胎特征）。 - NEC（非胚胎愈伤组织）：在含2,4-D和KT的培养基上培养，质地松散、白色半透明，无再生能力。

UPLC-MS/MS定量结果令人振奋： - 总皂苷含量：EC与野山参（forest ginseng, FG）相当，显著高于园参（garden ginseng, GG），更是NEC的数倍（Fig. 1c）。 - 单体皂苷：EC中Re（人参皂苷Re）含量显著高于FG和GG；齐墩果烷型皂苷（Ro、Iva）及稀有人参皂苷（Rg2、Rh1、F2、F1）含量也显著高于对照（Fig. 1d, ）。 - 其他代谢物：EC总多糖低于FG/GG但高于NEC；总黄酮含量则高于所有其他样本。

结论：EC不仅是高效的再生体系，更是一个皂苷合成能力媲美甚至超越野生药材的”人工组织”。

02

scRNA-seq锁定“原表皮”——隐藏的高效合成车间（Fig. 2）

这是本研究最核心的发现。研究团队对EC和NEC进行了scRNA-seq（EC两个生物学重复：3,781和6,813个细胞；NEC两个重复：2,442和1,542个细胞），经质控和UMAP降维聚类，鉴定出10个细胞簇：

细胞簇

身份

标志基因

Cluster 0

未知（低表达基因）

Cluster 1

基本组织（Ground tissue）

FAD2

Cluster 2

原表皮（Protoderm）

ATML1, PDF2

Cluster 3-5

胚胎分生组织（Embryonic meristem）

PLT3B, ANT1, WOX11A/B, ABI3B, AIL1

Cluster 6

G2/M期细胞

TUA2, CKS2

Cluster 7

S期细胞

HTA2, H3.1

Cluster 8-9

未知

关键发现： - 差异丰度分析（MiloR）：EC富集Cluster 2-5（原表皮和胚胎分生组织），而NEC几乎完全丢失这些细胞类型（Fig. 2g）。 - 基因表达定位：人参皂苷生物合成关键基因——SQE（角鲨烯环氧酶）、β-AS（β-香树脂醇合成酶）、DDS（达玛烯二醇-II合成酶）、CYP716A52v2、CYP716A47、CYP716A53v2——在Cluster 2（原表皮）中高度特异性富集（Fig. 2h）。 - RNA-seq验证：Bulk RNA-seq同样显示EC中再生相关基因（PLTs、WOX11s、LEC1s、BBM）和皂苷合成基因显著上调（Fig. 2a-d）。如果没有单细胞测序，Bulk RNA-seq只会告诉我们”EC里皂苷合成基因高表达”，但无法回答”谁在合成”。scRNA-seq像一台分子GPS，精准定位到原表皮细胞（protoderm）——这个仅占EC一部分的特化细胞层，才是人参皂苷真正的”生产车间”。

03

原位杂交+质谱成像——在原位“看到”皂苷（Fig. 3）

单细胞测序给出了基因表达地图，但还需要在组织切片上直接验证。

• 原位杂交（ISH）：以β-AS1（β-香树脂醇合成酶，皂苷合成关键节点酶）为探针，结果显示β-AS1 mRNA在EC的原表皮层和体细胞胚中强烈表达，而在对照（正义链探针）中无信号（Fig. 3a-c）。

• 质谱成像（AP-SMALDI MSI）：直接在组织切片上成像人参皂苷Ro和Rd的空间分布。结果显示，Ro和Rd信号特异性富集于EC的原表皮区域和体细胞胚表面（Fig. 3d-g）。

三重证据闭环：scRNA-seq（基因表达）→ 原位杂交（mRNA定位）→ 质谱成像（代谢物定位），共同确认原表皮是人参皂苷的原位生物合成区室。

04

表观遗传——为什么原表皮能成为工厂？（Fig. 4）

为什么EC的原表皮能高效合成皂苷，而NEC不行？答案藏在表观遗传层面。

• Western blot：EC中组蛋白H3第9位赖氨酸乙酰化（H3K9ac）水平显著高于NEC，而H3K4me3和H3K9me2水平两者相似（Fig. 4a）。H3K9ac是基因激活的标志性修饰。

• ChIP-seq：全基因组H3K9ac在EC中转录起始位点（TSS）周围显著富集。在人参皂苷合成基因（β-AS1、CYP716A52v2B、CYP716A47A/B）和再生相关基因（WOX11B、PLT3A、FUS3、BBM）的位点上，H3K9ac峰在EC中显著高于NEC（Fig. 4b,c）。

• ATAC-seq：EC全基因组染色质可及性显著高于NEC，且上述皂苷合成基因和再生基因的启动子/编码区呈现更高的染色质开放程度（Fig. 4d-f）。

机制总结：EC在形成过程中，通过提升全基因组H3K9ac水平，增加关键基因位点的染色质可及性，从而”打开”了胚胎身份维持和皂苷生物合成的基因表达程序。表观遗传重编程是原表皮获得高效合成能力的分子基础。

05

人工强化工厂——给车间“加薪”（Fig. 5）

既然找到了工厂的”开关”，能不能人工调大产量？

策略一：化学调控组蛋白乙酰化 - TSA（Trichostatin A，组蛋白去乙酰化酶抑制剂）：处理EC后，皂苷合成基因表达上调，总皂苷含量显著增加。在三七（Panax notoginseng）中也得到验证，说明该机制在人参属中保守（Fig. 5a-c）。 - CUR（Curcumin，组蛋白乙酰转移酶抑制剂）：相反，抑制乙酰化会下调皂苷合成基因，降低EC的皂苷产量。

策略二：基因工程——过表达WOX11B - WOX11B是再生相关的主效转录因子。通过农杆菌介导转化在EC中过表达WOX11B： - 再生效率显著提升（Fig. 5d,e）。 - 皂苷合成基因（β-AS、CYP716A47、CYP716A53、DDS）表达上调（Fig. 5f）。 - 总皂苷、Rh1和Re含量显著增加（Fig. 5g）。

结论：无论是通过表观遗传药物（TSA）还是再生基因工程（WOX11B），都能进一步强化原表皮作为皂苷生产车间的效率。

04

研究总结

新发现：首次在单细胞分辨率上证明，人参胚胎原表皮（protoderm）是人参皂苷的原位高效合成区室，其含量可媲美野山参。

机制突破：EC通过组蛋白乙酰化（H3K9ac）重编程，提升再生基因和皂苷合成基因的染色质可及性，从而激活原表皮的合成潜能。

技术价值：scRNA-seq突破了传统Bulk测序的局限，在复杂愈伤组织中精准定位稀有但关键的合成细胞类型；与ChIP-seq/ATAC-seq/MSI形成多组学闭环。

转化前景：通过TSA等表观遗传药物或WOX11等再生基因工程，可进一步提升EC原表皮的皂苷产量，为名贵药材的细胞工厂生产提供新策略。

无需酶解，破壁而生——寻因植物单细胞全序列转录组技术已成功打通多种作物与组织类型的抽核流程，覆盖：粮食作物：小麦叶片/根、玉米叶片/根、水稻叶片、大麦叶片。豆科作物：大豆叶片/根、豌豆苗/茎、花生叶片。经济作物：茄子叶片、番茄叶片、向日葵叶片。其它：拟南芥叶片、菘蓝幼叶、白木香愈伤组织。不仅获得高灵敏度的基因表达图谱，更支持 snATAC+RNA一胞多组联合，从转录调控到染色质可及性，一核多维度解析植物生命密码。

参考文献：

Liu, J. et al. Single-cell analyses identify the ginseng embryonic protoderm as a native compartment for high-efficiency ginsenoside production. Nature Communications (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-74881-5