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中國(guó)醫(yī)學科(kē)學院藥物(wù)研™ 究所天然藥物(wù)活性物(wù)質與功能(néng)國(guó σσβ)家(jiā)重點實驗室再帕爾·阿不(bù)力孜、賀玖明(mí¥σng)團隊在《Nature Communications》上(sh¶ε₽àng)發表了(le)一(yī)篇題為(wèi)“Spatially re↔←¶☆solved multi-omics highlig>∞♣✔hts cell-specific metabo÷≠<lic remodeling and inteφ₹>ractions in gastric canβ£cer”的(de)研究論文(wén)，采用(yòng)自(z₽♥♥$ì)主研發的(de)空(kōng)氣動力輔助解®←≥吸電(diàn)噴霧離(lí)子(zǐ)化€"•(huà)（AFADESI）技(jì)術(shù)φ£ ✔，揭示了(le)腫瘤內(nèi)部生(shēng)化♦(huà)異質性的(de)特征，并結合多(duō)組學共定位分α≠£(fēn)析，同步解析代謝(xiè)物(wù)、脂質與基εΩ→因表達的(de)時(shí)空(kōng)關聯，揭示腫瘤-免疫∞"£界面（如(rú)精氨酸代謝(xiè)重編程）關鍵驅動機(jī)制(zhì) φ•。為(wèi)開(kāi)發靶向腫瘤代謝(xiè)微(wēi)環境的(δ€de)精準治療策略提供了(le)全新視(shì)角。（™↔≠文(wén)章(zhāng)鏈接：https://doi.org/10♦"∏>.1038/s41467-023-38360-5）
胃癌是(shì)全球高(gāo)發惡性腫瘤（年λ∑ (nián)新增病例超108萬例），其惡性進展與腫瘤代謝(xi✔♠è)重編程密切相(xiàng)關。癌細胞通(tōng)過劫持™"§代謝(xiè)通(tōng)路(lù)，在♠¶♣營養匮乏的(de)微(wēi)環境中攝取養®₹φ分(fēn)，以滿足其異常增殖需求。近(jìn)年(nián)研究發現(x≈÷♠iàn)，腫瘤細胞與微(wēi)環境中免疫細胞、基質細胞間(jiān)∏"的(de)代謝(xiè)互作(zuò)是(shì)驅動癌症進展和↑>×(hé)免疫逃逸的(de)關鍵機(jī)制( §zhì)。盡管代謝(xiè)組學與轉錄組↓φ♥學研究深化(huà)了(le)對(duì)胃癌生(shēng)物(wù)÷♣ ∞學的(de)理(lǐ)解，但(dàn)傳統技(jì)術σβφ(shù)存在顯著局限：組織均質化(huà)處理(lǐ)導緻空(kōng)φ↕∑↔間(jiān)信息丢失，無法解析代謝(xiè)物(wù)與基因在腫瘤核心©÷•區(qū)、侵襲前沿及免疫微(wēi)環境中的(de)原位分(fαΩ& ēn)布；單細胞轉錄組（scRNA-seq）雖能(néng)刻畫(huà)細胞• §異質性，卻難以捕捉代謝(xiè)物(wù)-脂質動态變化(h≈≠σuà)及其介導的(de)細胞間(jiān)代α§謝(xiè)通(tōng)訊。為(wèi)突破這(zhè)些(xiē) ∑$ 瓶頸，本研究創新性地(dì)整合空(kōng)間(jiān)£Ω•分(fēn)辨代謝(xiè)組學（SM）、脂質組學（SL）及轉錄組學（→®∑ST）技(jì)術(shù)，通(tōng)過多(≥®≈duō)組學空(kōng)間(jiān)共定位分(fēn)→γ析實現(xiàn)了(le)三重突破——原位可©φ(kě)視(shì)化(huà)胃癌微(wēi)環境中代謝(xiè₹$₩)網絡的(de)細胞特異性分(fēn)布；同步解析代謝(xiè)物(™∞πβwù)、脂質與基因表達的(de)時(shí)空(kōn€>₹&g)關聯；揭示腫瘤-正常細胞界面的(de☆∑λ)代謝(xiè)重編程機(jī)制(zhì)，為(wèi)開↓$₹(kāi)發靶向代謝(xiè)微(wēi)環境的(de)精準治<>€≠療策略提供了(le)全新視(shì)角。
本研究采集7名胃癌患者的(de)術(shù)後腫瘤組織，并構建人(r ₩én)胃癌SGC7901細胞裸鼠異種移植模型（NPG品系）。經OCT包埋及λγ冷(lěng)凍切片後，分(fēn)别進行(xíng)≠ 三類組學分(fēn)析：采用(yòng)AFADESI-MSI§π平台獲取組織原位代謝(xiè)物(wù)分(f✘☆ēn)布空(kōng)間(jiān)信息，經MassImager Pr©¥©o™軟件(jiàn)完成背景扣除、圖像重建及區(qū)域代謝₩★÷¶(xiè)物(wù)鑒定；通(tōng)過MALDIππ-MSI技(jì)術(shù)捕獲脂質分(fēn)子(zǐ)空(kōng)間(×♦jiān)特征，利用(yòng)SCiLS Lab 2018b軟件(j≥σiàn)進行(xíng)質譜圖像處理(lǐ)；≠γ基于10x Genomics Visium平台（固定染色透化(huà)→空$(kōng)間(jiān)條形碼捕獲→逆轉錄建庫）生(shēng)成全轉≥™>錄組空(kōng)間(jiān)圖譜，并由Loupe Browser軟♥♥ 件(jiàn)可(kě)視(shì)化(€huà)基因表達。多(duō)組學數(shù)據經H&amπ™πp;E染色圖像對(duì)齊統一(yī)空(kōng)間(jiān)坐(z∑™uò)标系，整合MassImager Pro™、S"πCiLS Lab及Loupe Browser分(fēn)析結果，構建代✔← ✔謝(xiè)物(wù)-脂質-基因關聯網絡。最終通(tōn↕♣g)過免疫組化(huà)（CD20/CD38抗體(βπ tǐ)）驗證空(kōng)間(jiān)分(fēn)™ε¶布，并借助KOBAS-i和(hé)CellTypist工(g ×₹↔ōng)具完成通(tōng)路(lù)注ΩΩβ釋與細胞分(fēn)型，揭示腫瘤-正常細©®←胞界面的(de)代謝(xiè)重編程機(jī)制(zhì)。
精氨酸與脯氨酸在腫瘤代謝(xiè)中發揮著(zhe)關鍵作(zuò)用(yò↓Ωng)，既往研究表明(míng)精氨酸可(kě)調控T細胞代謝(xiè)與•€自(zì)噬影(yǐng)響腫瘤生(shēng)長(÷"↑cháng)，與精氨酸代謝(xiè)密切相(xiàng)關的§₽(de)脯氨酸已被證實參與腫瘤增殖侵襲。AFADESI-MSI在檢測低σ₽✘(dī)分(fēn)子(zǐ)量代謝(xiè)物(wù)如(rú)氨基酸≥∏、多(duō)胺、有(yǒu)機(jī)酸等時(s®β♥♠hí)具有(yǒu)高(gāo)靈敏度和(hé)低(dī)背景幹擾的(de)顯'✘著優勢。因此本研究通(tōng)過AFADESI-MSI技(jì)術(sh ù)結合轉錄組學可(kě)視(shì)化(huà)精∏₹π±氨酸和(hé)脯氨酸的(de)空(kōng)間(jiāε♥ 'n)分(fēn)布以及代謝(xiè)通(tōng)路(lù)中的(≈σδde)關鍵代謝(xiè)物(wù)和(hé)調控基因★↑ ，研究發現(xiàn)，精氨酸和(hé)脯®$₩氨酸的(de)合成關鍵前體(tǐ)谷氨酰胺和(hé)谷氨©≈酸在腫瘤中分(fēn)别呈現(xiàn)上(shàγ±ng)調和(hé)下(xià)調的(de)相(xi $àng)反趨勢。GLUL酶（催化(huà)谷氨酸→谷氨酰胺）在腫瘤、淋巴及黏≤✘膜肌層高(gāo)表達（圖1a3,b1）；GLS酶γε（催化(huà)谷氨酰胺→谷氨酸）特異性高♦↑(gāo)表達于腫瘤及淋巴組織（圖1a4,b2）。精×≈✘↕氨酸與脯氨酸在腫瘤、上(shàng)皮及淋巴≈€β®組織中顯著積累（圖1a7,a11），其合成調控基因ASS1、A÷ε♦LDH18A1、PYCR在相(xiàng)同區(qū) ₽←域亦上(shàng)調（圖1a5,a6,a10,b3-b5）。兩者∑←的(de)代謝(xiè)物(wù)多(duō)胺主要(yào)富集于腫瘤↔↔組織，其次分(fēn)布于上(shàng)皮、腸道(d©Ωào)化(huà)生(shēng)及淋巴區(qū)（圖1a14,a16,a18λ∞←）。部分(fēn)催化(huà)酶僅腫瘤表達上(shàng)調（圖1a9,a1π←2,a17,b6,b8,b10），而ODC1、SRM在腫$Ω∑瘤及淋巴組織均高(gāo)表達（圖1a13,a15,b7,b9）。綜上(shà↕↓ε ng)，胃癌中精氨酸/脯氨酸通(tōng)路(lù)發生(shēn£♠g)顯著重編程，腫瘤組織內(nèi)其合成代謝(xφ€φ♥iè)在代謝(xiè)物(wù)及轉錄水(shuǐ)平均增強。β±
圖1. 胃癌中精氨酸與脯氨酸代謝(xiè)通(tōng)路(lù) φΩ的(de)重編程可(kě)視(shì)化(huàπ')。a精氨酸和(hé)脯氨酸代謝(xiè)通(tōng)路(lù)♦關鍵代謝(xiè)物(wù)的(de)質譜圖像及基因空(kōng)間✘↔≠€(jiān)表達圖（質譜圖像中的(de)顔色強度為(wèi)相(δ☆xiàng)對(duì)值，基因圖像中的(de)顔色強度為(wèi)logε¶2轉換值）。b小(xiǎo)提琴圖展示精氨酸和(hé)脯氨酸代謝(xiè)↑Ω₩∏通(tōng)路(lù)關鍵基因的(de)表達水(shu≠∏Ωπǐ)平。*鳥氨酸僅通(tōng)過高(gāo)分(fēn)辨✘♠αλ率質譜圖鑒定。TT腫瘤組織，TG腫瘤及腺體(tǐ)組織，NE正常上(shàng™↑♠)皮，IM腸道(dào)化(huà)生(s©¶☆∑hēng)，LT淋巴樣組織，MM糕肌，PM腫瘤周圍肌層©'¥，LM厚膜，CNT結締組織。
脂質代謝(xiè)重編程被認為(wèi)是(shì)腫瘤細胞的(de)特α∏φ 征。脂肪酸（FA）在細胞能(néng)量代謝(xiè↕λ↑₹)和(hé)細胞信号傳導中發揮著(zhe)不(bù)可(kě)或缺的(d"e)作(zuò)用(yòng)，磷脂是(shì)細胞膜的(de)基本構成單元 <，同時(shí)可(kě)能(néng)參與腫瘤生(β≠ ♠shēng)長(cháng)和(hé)轉移相(xiàng)關的(de)重要(αyào)信号傳導。本文(wén)針對(duì)這(zhè)'≈★兩種脂質的(de)空(kōng)間(jiān)分(fēn)布特征開(kāi)展研究，結果顯示，腫≠₽✘瘤區(qū)域通(tōng)過FASN基因高(gāo)表達®£$驅動飽和(hé)脂肪酸FA-16:0富集（圖4®λf1,g1），并激活SCD酶促進單不(bù)< 飽和(hé)磷脂（如(rú)PC-34:1、PE-3$'∞♥6:1）生(shēng)成（圖4d5,d8,e2,e$$<3）；而淋巴組織則依賴FADS/ELOVL基因上(shàng)調（圖4f3,fδφ₩Ω4,g3,g4），積累多(duō)不(bù)飽和(hé<÷φ∞)脂肪酸FA-20:4及相(xiàng)應磷脂PC-38:4/PE-38:4∞±≥（圖4d6,d9,e2,e3）。磷脂分(fēn)布特征&"☆₩進一(yī)步揭示：飽和(hé)磷脂（PC☆±∑-32:0/PE-34:0）在淋巴組織特異性富集（圖4d4λ",d7,e2）；多(duō)不(bù)飽和(hé)磷₩脂酰肌醇PI-34:1/PI-36:1集中于腫瘤上• Ω"(shàng)皮區(qū)（圖4d10,d11,e4）；而磷脂酰絲氨酸∏±（PS）全域分(fēn)布（圖4d13-15,e5），磷脂酰甘油（PG）則>☆±偏好(hǎo)黏膜肌層/淋巴組織（圖4dδ£γφ16-18,e6）。基因調控層面，腫瘤區(qū)高(gāo)表達的(de)C∑&>HKA/ETNK1基因（圖4f5,f6,g5,g6）與分(→"§ fēn)解酶PLD/LYPLA2（圖4f7,f8,g7,g8）協同重塑脂質•φ代謝(xiè)流，證實腫瘤以單不(bù)飽和(hé)磷脂支持增殖、淋巴組織€€以多(duō)不(bù)飽和(hé)脂質參與免疫調節。
圖2.胃癌中重編程脂質合成與代謝(xiè)通(tōn↕♦g)路(lù)的(de)可(kě)視(shì)化(huà→₽γ)展示。a H&E染色胃癌組織切片圖像，樣本編号分(fēn)别為(w∞€εèi)“0429号”、“0602号”和(hé)“0716号”，比例尺=2毫Ω&米。實驗重複三次。b脂肪酸從(cóng)頭合成通(tōng£β ¶)路(lù)。c磷脂酰膽堿與磷脂酰乙醇胺的(de)合成代謝(xiè)通•>(tōng)路(lù)。 d胃癌組織代表性脂質的(de)MS圖像（₽±顔色标尺中的(de)強度值為(wèi)相(xiàng)對(du←∏∑•ì)值）。e患者“0429号”胃癌組織不(bù)同區(qū)域斑點中代表性 $ 脂質的(de)表達水(shuǐ)平（用(yòng)于空(kōng)間σ₽(jiān)脂質組學分(fēn)析的(de)七個(gè)組織樣本，來(lái €)自(zì)患者“0429号”的(de)₹↑♣εn = 6個(gè)獨立切片區(qū)域）。
在腺癌患者0602的(de)病理(lǐ)漸變γφ區(qū)域（正常上(shàng)皮→鋸齒狀病變→腫φ瘤，圖3a），空(kōng)間(jiān)代謝(xiè)δ"組學揭示分(fēn)階段代謝(xiè)重編程：①能(néngφ♥Ω)量代謝(xiè)階梯式激活：腫瘤區(qū)葡萄÷α£≈糖-磷酸鹽顯著富集（圖3e），驅動無氧糖酵解（乳↑π酸上(shàng)調，圖3f）及三羧酸循環異常（琥≈€珀酸上(shàng)調/蘋果酸下(xià)調，圖3g-h），伴随鋸齒狀病$∑變中OXPHOS通(tōng)路(lù)核心基因∑↑（NDUFS6/COX5A等）高(gāo)表達（≠↑Ω→圖3s）；②免疫調節分(fēn)子(zǐ)失衡：組胺在病變/腫 ×®瘤區(qū)漸進性耗竭（圖3i-j），與AOC1基因（催化(∑∏ εhuà)組胺氧化(huà)）的(de)空(kōng)間(jiān∞↔ )梯度上(shàng)調完全吻合（圖3t及免疫組化(huà)驗證）；③脂質重構☆γ☆λ特征：不(bù)飽和(hé)脂肪酸FA-18:→✘→1及溶血磷脂LysoPC-16:1差異化(huà)表達（圖3k γ↑-l），受SCD基因漸進上(shàng)調驅動（圖3u）；④硫•∑Ω♥酸酯類梯度積累：C22:0-OH-SFT等硫酸酯從(cóng)正常上(shàn↔®g)皮到(dào)腫瘤呈現(xiàn)濃度遞增（圖3m-q），标志(z≥&♥hì)微(wēi)環境免疫信号持續重塑。空(kōng)間(jiān)多(duōδα™α)組學關聯證實：鋸齒狀病變是(shì)代謝(xiè)重編程的(de)關σ鍵轉折點，其OXPHOS激增與糖酵解前體(tǐ) ♥積累為(wèi)癌變提供能(néng)量基>♥♣φ礎。
圖3.胃癌分(fēn)步代謝(xiè)重編程可(kě)視(shì)δ♠化(huà)。a患者“0602号”胃癌組織切片的™"¶(de)H&E染色圖像，比例尺=↑↑2毫米。實驗重複三次。b代謝(xiè)物(wù)與脂質驅動的(<≤✔de)組織切片分(fēn)割。c基于AFADESI-MSI和(hé)MALD>δεI-MSI數(shù)據的(de)腫瘤組織（TT）→™及鋸齒狀腺體(tǐ)結構（SGS）主成分(fēn)分(fēn)析（P∑¶≈CA）得(de)分(fēn)圖譜。d-q MS圖像♦ε✔>及不(bù)同胃癌組織切片斑點中各化(huà)合物(wù)的(de™λ)含量，顔色标度表示相(xiàng)對(duì)強度。r SGS組織中富集∏¥÷≥的(de)通(tōng)路(lù)。s氧©★∑化(huà)磷酸化(huà)通(tōng)路(lù)中代&•表性改變基因，圖中t、u分(fēn)别表示AOC1和(hé)SCD的(de)空≈♠₽(kōng)間(jiān)表達圖像，顔色标度為(wèi)™§€δlog2轉換值。
空(kōng)間(jiān)轉錄組在胃癌腫瘤-鄰近φ↕♠§(jìn)組織界面識别出關鍵過渡簇9（圖4b），該區(qū)域§≠♠在UMAP空(kōng)間(jiān)中位于正常簇（1/5/6/8/10）♦∏✘↕與腫瘤簇（2/3/4/7）之間(jiān)（圖β¥4c）。功能(néng)注釋表明(míng×&β")簇9富集免疫炎症細胞（漿B細胞、濾泡B細胞及Th2樣CD4+T細胞）↑Ω，該結果經過CD20/CD38免疫組化(huà)驗證。代謝(xiè)研究¥$揭示其包含兩種淋巴亞型：鄰近(jìn)腫瘤的(de)瘤周¥↕淋巴組織（PLT）和(hé)遠(yuǎn)離(lí) ±&≠腫瘤的(de)遠(yuǎn)端淋巴組織（DLT）。PLT發生(sh§™×₽ēng)特異性代謝(xiè)重塑：①谷氨酰胺耗竭（圖4f,i），伴随谷氨酰胺< ♠₽轉運體(tǐ)SLC1A5及GLS酶上(shàng)調驅動谷$ ↑©氨酸積累（圖4g,h,j,k,l）；②脂肪酸代謝(xiè)重編程✔ ∏：長(cháng)鏈不(bù)飽和(hé)脂肪酸（花(huā)生(sh>'ε♠ēng)四烯酸/二十二碳六烯酸等）顯著富集（圖4β∏'m-p），受合成基因FASN/SCD/EL≈₩OVL上(shàng)調調控（圖4q-s）；③炎症介質生(shēng)成$$'≠：ALOX5AP上(shàng)調促進花(huā)生(shēng)四烯酸向白α♣© (bái)三烯轉化(huà)（圖4t），而二©←±¶十二碳六烯酸則作(zuò)為(wèi)抗炎介質底物(wù)。此三重機(jī≤₹φ)制(zhì)證實PLT通(tōng)過&£剝奪谷氨酰胺和(hé)釋放(fàng)特定脂質介導免疫抑制(zhì★ '™)，為(wèi)腫瘤創造免疫豁免微(wēi)環境。
圖4.胃癌腫瘤界面區(qū)域免疫代謝(xiè)重編程的(de)成像分∞♠≤ε(fēn)析。a患者“0602号”癌症組織切片區(qū)域。b基于圖譜聚€®類算(suàn)法著(zhe)色的(de)Visium陣列點陣。c®ε↑♦基于聚類著(zhe)色的(de)胃癌組織UMAP圖譜。d胃癌組織細¶✔×胞簇注釋。e Visium陣列點陣與H&a "mp;E染色圖像融合對(duì)比，比例尺=✘π2毫米。H&E染色實驗重複三次。f、g整個(gè)胃癌組織切®±片及淋巴組織區(qū)域的(de)谷氨酰>≠胺與谷氨酸質譜圖像，顔色标尺表示相(xiàng)對(duì)強度≈₽值。h整個(gè)胃癌組織切片及淋巴組織¥₹✘←區(qū)域的(de)GLS空(kōng) σ♣間(jiān)表達圖譜，顔色标尺表示log2轉換後的(de)強度值。i-★βl不(bù)同胃癌組織切片中谷氨酰胺、谷氨酸、GLS基因及∏ ≥SLC1A5的(de)表達水(shuǐ)平。m-p M←↔δS圖像及花(huā)生(shēng)四烯酸、二十二碳六烯酸、¶§↔二十二碳五烯酸和(hé)二十二碳六烯酸在胃癌組織切片中的(£☆φde)表達水(shuǐ)平，顔色标尺顯示的(d•♠∞e)是(shì)相(xiàng)對(duì)值。q-t空§↑(kōng)間(jiān)圖像及FASN、SCD、ELOVL1和(εεhé)ALOX5AP在胃癌組織中的(de)表達★ ≤水(shuǐ)平，顔色标尺顯示的(de)是(shì)lε φ≥og2轉換後的(de)數(shù)值。
本研究展示了(le)如(rú)何整合空(¥♠∞kōng)間(jiān)分(fēn)辨代謝(xiè)™₽組學（SM）、脂質組學（SL）及轉錄組學（ST）來(lái)表征高(gāo)度±×>©異質性癌症組織中複雜(zá)的(de)腫瘤代謝(xi₹®è)重塑及其與腫瘤微(wēi)環境的(de)代謝(xiè)相(xi✘& àng)互作(zuò)用(yòng)，精準↕↑☆÷捕捉了(le)腫瘤微(wēi)環境中代謝(xiè)物(wΩβù)、脂質和(hé)基因表達特征及其空(kōng)間(jiān)★✘€變化(huà)，并将其與不(bù)同代謝(xiè)通(tō∞₩$ng)路(lù)建立關聯。通(tōng)過分( Ωα★fēn)析發現(xiàn)，癌症相(xiàng)關的(de)代謝(xiè)依賴©"≥性和(hé)免疫代謝(xiè)改變不(bù)€×ε£僅有(yǒu)助于深入理(lǐ)解腫瘤的(de)分(fēn)✘←δ子(zǐ)機(jī)制(zhì)，還(hái)揭示了(γ≠ £le)潛在的(de)治療靶點，這(zhè)些(xi¥←♠ē)可(kě)作(zuò)為(wèi)癌症治療的(de)突破口。
數(shù)據來(lái)源：“質譜成像”微(wēi)信公衆号
中國(guó)醫(yī)學科(kē)學院藥物(wù)研究所天然藥物(wù)活"ε≤性物(wù)質與功能(néng)國(guó)家(jiā)重點實 ↔驗室賀玖明(míng)研究員(yuán)/國®∑(guó)家(jiā)轉化(huà)醫(yī)學中心(上(shàng)海(∞>✔₹hǎi))印彤教授團隊在《Acta Pharmaceutica Si₹≈™nica B》期刊上(shàng)發表了(le)←δα一(yī)篇題為(wèi)“Spatial metabolomics hig>∞hlights metabolic reprogrammin$γg in acute myeloid l∑eukemia mice through creatine pat±₹↓hway”的(de)研究論文(wén)，采用(yòng)自λγ(zì)主研發的(de)空(kōng)氣動力輔助解吸電(dià£∑n)噴霧離(lí)子(zǐ)化(huà)（AFADESI）技(jì)術(sh∞σ♥>ù)，實現(xiàn)了(le)AML小(xiǎo)鼠肝 ™'&轉移竈內(nèi)代謝(xiè)物(wù)的(de)高 φ(gāo)通(tōng)量原位鑒定。揭示了φ↕☆(le)AML腫瘤微(wēi)環境中代謝(xiè)重編程與相(xià>®δ♣ng)互作(zuò)用(yòng)機(jī)制(zhì)→&，并進一(yī)步篩選出具有(yǒu)抑制(z₹£• hì)AML增殖和(hé)浸潤潛力的(de)潛在藥物(™βwù)。（文(wén)章(zhāng)鏈接：https↑://doi.org/10.1016/j.∞&apsb.2024.07.004）
急性髓系白(bái)血病（AML）作(zuò)為(wèi)成人✔< (rén)急性白(bái)血病首位，中位确診年(nián)齡高(gāΩ≠∑o)達68歲，60歲以上(shàng)患'σ×者五年(nián)生(shēng)存率不™↑β (bù)足10%，其臨床治療面臨嚴峻挑戰。屍檢顯示40%-75% A≥₩≥₩ML病例存在肝浸潤，表明(míng)AM₩₩L肝轉移的(de)核心微(wēi)環境對(d↔"£uì)疾病進展具有(yǒu)關鍵作(zuò)₽≈☆用(yòng)，但(dàn)其中代謝(xiè)調控機(jī)制(₹πzhì)長(cháng)期未知(zhī)。深入研↓©α✘究發現(xiàn)，AML細胞具有(yǒu)獨特€π★≠的(de)能(néng)量代謝(xiè)緻命弱點——高(gāo)度依賴氧₹φ化(huà)磷酸化(huà)（OXPHOS）而非糖酵解供能(nén¶αg)，這(zhè)種代謝(xiè)固執性構成其核心治療¶₹↓靶點。其代謝(xiè)适應機(jī)制(zhì)表現(xiàn)為( €wèi)合成/能(néng)量/表觀遺傳多§∏∏(duō)維調控的(de)氨基酸網絡重構，且OXPHOα≤>S依賴性獨立于遺傳異常，使AML對(duì)OXPHΩ¶OS抑制(zhì)劑高(gāo)度敏感。本研究采用(yòng)成熟的(de>)氣流輔助解吸電(diàn)噴霧電(diàn)離(lí)質譜成像技∞♦(jì)術(shù) （AFADESI-MSI），重點分(fēn)←↓析AML小(xiǎo)鼠的(de)肝轉移情況。通(tōn <∑&g)過該技(jì)術(shù)可(kě)深入解析AML腫瘤微(wēi€ )環境中代謝(xiè)重編程與相(xiàng)互作(zuò)用(yòng)÷§₹↓機(jī)制(zhì)，并進一(yī)步篩選具有(yǒu)抑制(z∞hì)AML增殖和(hé)浸潤潛力的(de)潛在±₹•∞藥物(wù)。
本研究采用(yòng)C57BL/6J小(xiǎo)鼠構建急性髓系白(b¶α☆ái)血病（AML）肝轉移模型，制(zhìγ)備肝髒組織冷(lěng)凍切片，進行('™"∞xíng)蘇木(mù)精-伊紅(hóng ©)（H&E）染色。采用(yòng)AF<£"ADESI-MSI技(jì)術(shù)進行(xíng↔≥)空(kōng)間(jiān)代謝(xiè)組學分(fēn)析，經LC-<☆ MS/MS鑒定肝組織代謝(xiè)物(wù)，通(tōng)過4D-DIA ✔技(jì)術(shù)對(duì)肝組織/細胞裂解液進↓£行(xíng)蛋白(bái)質組學分(fēn)析，用(yòng)÷•Spectronaut軟件(jiàn)處理(l₹&ǐ)數(shù)據，采用(yòng)免疫組化(huà)定位關鍵蛋白(bái)♦¥≠分(fēn)布。另采集6例急性髓系白(bái)血病（AM↓∑"₽L）患者和(hé)10例非白(bái)血病患者•β¶進行(xíng)代謝(xiè)與轉錄組驗證，并對(duì)肌酸轉運蛋白(bá↔♣ ₹i)（Slc6a8）抑制(zhì)劑ompenaclid在細胞及動物(w≤♥ù)水(shuǐ)平進行(xíng)功能(néng)實← 驗，所有(yǒu)數(shù)據經GraphPad Prism 10統計(¶φ☆jì)分(fēn)析。
研究通(tōng)過AFADESI-MSI分(fēn)析AML小(☆÷∑xiǎo)鼠肝轉移切片，揭示腫瘤區(qū)域與周圍組£∑織存在顯著代謝(xiè)差異。腫瘤病竈（TF）組與腫瘤周∞≤♥σ邊組織（PR）組間(jiān)篩選并鑒定出100種差異代謝(β"xiè)物(wù)，其分(fēn)布模式呈組間(jiā♥<n)分(fēn)化(huà)，通(tōng)過這(zhè)些(x> iē)差異進行(xíng)代謝(xiè) ↔↓'通(tōng)路(lù)富集分(fēn)析，結果顯示精氨酸生">☆(shēng)物(wù)合成、精氨酸及脯氨酸代謝(xiè)等♠≤代謝(xiè)途徑呈現(xiàn)富集現(xiàn)象（圖1B和(hé)C&£•♣）。主成分(fēn)分(fēn)析證實T₩∑F與PR組代謝(xiè)物(wù)聚類分(fēn)離(lí§↔±$)（圖1D），超類别歸類表明(míng)差異代謝' ₹(xiè)物(wù)以脂質及類脂分(fēn)子(zǐ¶÷&←)（32.29%）和(hé)有(yǒu)機(jī)酸及其衍生(shēn™ δg)物(wù)（27.08%）為(wèi)主，凸顯腫瘤微®←(wēi)環境代謝(xiè)複雜(zá)性。
圖1 使用(yòng)AFADESI-MSI技(jì)術(shù&β)對(duì)白(bái)血病小(xiǎo)鼠體(tǐ)內(nèi)內(¶¶nèi)源性代謝(xiè)物(wù)進行(xíng)空→γα♥(kōng)間(jiān)代謝(xiè)組學分(§≥♦φfēn)析。(A)空(kōng)間(jiān)代謝(xiè)組學方法與工(£gōng)作(zuò)流程，旨在通(tōng)過分(fēn)子(zǐ)組¥β織學特征鑒定代謝(xiè)物(wù)。（B，C）對(duì∑§α)AFADESI-MSI數(shù)據進行(xíngσ ↔)富集分(fēn)析(B)和(hé)通(tōng)路(lù)&$↑分(fēn)析(C)，并使用(yòng)MetaboAnalyst 6.0軟β₽件(jiàn)結合KEGG數(shù)據庫對(dβ≤∑uì)VIP值>1且P<0.05的(d♦α★γe)顯著差異表達代謝(xiè)物(wù)進行(xíng)分(fēn)析，以γ±↕揭示潛在生(shēng)物(wù)通(tōng)路(lù)及相(xiàng÷<)互作(zuò)用(yòng)。(D)基于AFADES₩≥I-MSI數(shù)據的(de)主成分(fēn)分(fē¥φn)析（PCA）得(de)分(fēn)圖，對(duì)比腫瘤周×®©圍區(qū)域（PR）與腫瘤病竈（TF）的(de)代謝(xiè)特征。PR•δ指腫瘤周圍區(qū)域，TF指腫瘤病竈
為(wèi)驗證質譜成像結果，本研究采用(yòng)非靶向代謝(xiè)組€♣☆×學技(jì)術(shù)分(fēn)析了(le)轉錄因子(zǐ)、蛋白★∑→ε(bái)酶體(tǐ)及肝細胞相(xiàng)關代謝(xiè)物(wùα>♠¶)。分(fēn)析結果顯示，三組樣本間(jiā≥☆n)存在33種差異表達顯著的(de)代謝(xiè)物(wù)。基于MSI與非¶×↑靶向代謝(xiè)組學數(shù)據的(de)整合分(fēn)析（圖S2↑♠✘A），前10條核心富集通(tōng)路(lù'>¥)包括精氨酸生(shēng)物(wù)合成、精氨酸/脯氨酸α©代謝(xiè)、甘油磷脂代謝(xiè)及嘌呤代謝(xiè)♥ε（圖2B）。TOP20通(tōng)路(lù)分(fēn)析進一(₩σ¶yī)步證實了(le)組氨酸代謝(xiè☆÷♠)、半胱氨酸/甲硫氨酸代謝(xiè)及精π÷σ♣氨酸相(xiàng)關通(tōng)路(lù)的($↔de)功能(néng)重要(yào)性。在KEGG二級分(fēn)類中，氨'↑♦基酸代謝(xiè)是(shì)兩種分(fēn)析體(tǐ)系中最®¥±÷顯著富集的(de)代謝(xiè)類别。主成分(fēn)分(fēn)₩ε 析（PCA）清晰顯示了(le)三組樣本代謝(xiè)表型≠ ₹♣的(de)差異（圖2C）。重疊代謝(xiè)物(wù)的(de)對<™≥(duì)比分(fēn)析揭示了(le)γφ精氨酸與脯氨酸代謝(xiè)途徑的(de)顯著✘<£富集特征（圖2D, E），其熱(rè)力圖數(shù)據進一(yī)步∞€×∏呈現(xiàn)了(le)組間(jiān₩≠₩)特異的(de)聚集模式（圖2F, G）。這(zhè)些(xiē)∞₹ε結果凸顯了(le)精氨酸和(hé)脯氨酸代★♥謝(xiè)通(tōng)路(lù)在相(xiàng)關✔"↔生(shēng)物(wù)過程中的(de)潛在核心作(zuò)用(yòng∏α)。鑒于觀察到(dào)的(de)顯著代謝(δφ↓xiè)變化(huà)，研究團隊進一(y★☆₹↑ī)步分(fēn)析了(le)TF、PR和(hé↑§$)HC組的(de)蛋白(bái)質表達（采用(yòng)4D-D÷₽IA蛋白(bái)質組學技(jì)術(shù)），結果顯示肝髒轉移組織中蛋♥>白(bái)質組發生(shēng)深刻改變，與代謝(xiè)組學的(de)結果♣≠一(yī)緻。這(zhè)些(xiē)結果突出了(le)精氨酸和(♥וhé)脯氨酸代謝(xiè)的(de)重大(dà)破壞，表明(mín✔♠πg)這(zhè)一(yī)代謝(xiè)途徑可(kě)能(néng)在AMLΩ¶的(de)腫瘤進展中起著(zhe)至關重要(yào)的¥ ♥(de)作(zuò)用(yòng)。
圖2 腫瘤組織代謝(xiè)重編程的(de)多(duō)組學分(fēn)析。 ₽™(A)非靶向代謝(xiè)組學與蛋白(bái)質組學工(gōng)作(zu§≥α✔ò)流程示意圖。(B)富集分(fēn)析展示空(kōng)× 間(jiān)代謝(xiè)組學與非靶向代謝(xiè &♠)組學中顯著通(tōng)路(lù)，附其KEGG通£σ(tōng)路(lù)二級分(fēn)類總結。(C∑β)基于非靶向代謝(xiè)組學數(shù)據的(de)主成分(f↕γ ēn)分(fēn)析得(de)分(fēn)圖，對(duì)比健康對(£∑duì)照(zhào)組（HC）、腫瘤轉移組（TF）✔ 與轉移組（PR）的(de)代謝(xiè)特征。(D)☆₽維恩圖突出顯示空(kōng)間(jiān)代謝(☆>™xiè)組學與非靶向代謝(xiè)組學間(ji<☆ān)共同顯著差異代謝(xiè)物(wù)。(E)空(kōng)間₽§♥(jiān)代謝(xiè)組學與非靶向代謝©&§(xiè)組學重疊顯著差異代謝(xiè)物(wù)的✔♣♣(de)富集分(fēn)析。（F，G）熱(rè)圖展示空(kōng)間(↕'®☆jiān)代謝(xiè)組學(F)與非靶向代✔★¶π謝(xiè)組學(G)的(de)重疊代謝(xiè)物(wù)分≥∞(fēn)布模式。(I)對(duì)上(shà★♠₽ng)文(wén)列出的(de)下(xià)調（倍數εα(shù)變化(huà)<0.7；P值&lλ®t;0.05)和(hé)上(shàng)調（倍數(shù)變化(huà)&♣'gt;1.5；P值<0.05)的(de)重疊♣σβ蛋白(bái)進行(xíng)基因本體(tǐ)論（GO）生(shēng)物'™(wù)過程分(fēn)析。(J)前20個(gè)λ≠∏™富集的(de)KEGG通(tōng)路(lù)的(de)彙總，↓<₽≥重點聚焦代謝(xiè)相(xiàng)關通(tōng)路(lù)₩↕。PR：腫瘤周圍區(qū)域；TF：腫瘤病竈；HC：健康對(duì)照(zhδ>ào)組
本研究揭示急性髓系白(bái)血病（AML)小(xiǎo)鼠肝轉移瘤（TF）病±₽竈區(qū)呈現(xiàn)精氨酸與脯氨酸代☆≠謝(xiè)通(tōng)路(lù)的(de)顯著重編程。質譜成像顯示γ ♥TF內(nèi)L-精氨酸與瓜氨酸富集（圖3B1, "✘B6），但(dàn)蛋白(bái)質組學分(fēn)析發現(xiàn)↓₽>♣精氨酸生(shēng)物(wù)合成關鍵酶ASS1、AS>≠×L及傳統代謝(xiè)途徑酶ARG1、OTC、Agmat ≥☆∑表達均顯著降低(dī)（圖3C1-6）。代謝(xiè)重塑表現(xià←n)為(wèi)精氨酸代謝(xiè)流向肌酸通(tπ← ¶ōng)路(lù)的(de)關鍵轉捩——肌酸合成中間(jiān)體(tǐ)胍β'∞×基乙酸減少(shǎo)而終産物(wù)肌酸升 ∞∑高(gāo)（圖3B2-3），且肌酸利用(y♦↑ òng)關鍵酶CKB在TF中表達上(shàng)調（圖3₩↕C9）。同時(shí)，多(duō)胺合成通(tōng)過"γλ'替代路(lù)徑代償性激活：亞精胺在TF內(nèi)異常積≠§Ω累（圖3B4），該過程由上(shàng)調的(de)SMS/SRM酶介導π≤γ€（圖3C10-11），并伴随S-腺苷甲硫氨酸（SAM）空♣↑ε€(kōng)間(jiān)分(fēn)布增強（圖3B5↑δ）。此外(wài)，脯氨酸代謝(xiè)發生(shēng)重構："λ谷氨酰胺水(shuǐ)平下(xià)降（圖3B7↔ β），GLUL（合成酶）表達下(xià)調而GLS（分(fēn)解酶）表達上(s÷♥hàng)調（圖3C12-13），驅動谷氨酰胺流向脯氨酸合成"α；最終通(tōng)過ALDH18A1/PYCR酶表達升高(gāo)↔≠（圖3C15-18）導緻L-脯氨酸在TF內(nèi)特異性積累。該研究系統<™±>證實AML肝轉移瘤通(tōng)過精氨酸向肌酸通(tōng)路(lùαγ§)的(de)轉捩、多(duō)胺合成的(de)代償性♥₽Ω"激活及脯氨酸代謝(xiè)重構實現(xiàn)了(le)代謝(x™iè)适應性生(shēng)存。
為(wèi)驗證代謝(xiè)重編程在急性髓系白(b±♥ái)血病（AML）發病機(jī)制(zhì↓€)中的(de)作(zuò)用(yòng)。δ¶研究另采集了(le)臨床樣本進行(xíng)代謝(ε≠♠xiè)組學和(hé)蛋白(bái)質組學驗證，實驗結果與小(xiǎo)鼠 ™模型高(gāo)度一(yī)緻。本研究從(có∞∏ng)動物(wù)模型到(dào)原發性AML樣§<≥本對(duì)AML的(de)代謝(xiè)重編∞✘↕×程進行(xíng)了(le)全面驗證，并強調了(le)改變肌酸通(tōng)">÷σ路(lù)在AML病理(lǐ)生(shēng)理 ←₽(lǐ)學中的(de)意義。
圖3 AML小(xiǎo)鼠肝轉移竈中精氨酸與脯氨酸代謝(x₹♦iè)重編程的(de)可(kě)視(shì)φ∑•化(huà)分(fēn)析。A)空(kōn™g)間(jiān)代謝(xiè)組學圖像結合蛋白(bái)質✔→£♥組學數(shù)據，突顯了(le)精氨酸與脯氨酸代謝♦φ♥(xiè)通(tōng)路(lù)及其擴展代謝(xiè)網絡中的(de☆₽)關鍵代謝(xiè)物(wù)與酶類。(B)（B1-← $B8）柱狀圖詳細展示了(le)精氨酸與脯氨酸代謝σ✘×(xiè)通(tōng)路(lù)中通(tōng)過質譜檢測到(dào)的→¥λ(de)代謝(xiè)物(wù)豐度 水(shuǐ)平。(C)（C1-C18）¥≥柱狀圖展示了(le)精氨酸與脯氨酸代謝(xiè)通(tōng)路(¥→ ±lù)中關鍵酶類的(de)蛋白(bái)質豐度。
腫瘤微(wēi)環境中細胞互作(zuò)依賴肌酸的(de)局部生(± σshēng)物(wù)合成與轉運，據此推測急性髓系白(báπ' ®i)血病（AML）細胞的(de)肌酸蓄積存在雙路(lù)徑：①通(tōng)過÷∑GATM/GAMT酶從(cóng)精氨酸-甘氨酸合成；②經肌酸轉運體 φ(tǐ)Slc6a8外(wài)排（圖4A）。ELISA檢測證實AML小(xλ →iǎo)鼠血漿肌酸水(shuǐ)平顯著高(gāo)于健康對(duì)照(zhà£πσ♥o)組（圖5B），且腫瘤病竈（TF）組織內(✔™nèi)肌酸同步升高(gāo)（圖4C），此現(•©xiàn)象與既往報(bào)道(dào)的(de)CKB緻癌作(zuò)用( ∞×yòng)及本研究發現(xiàn)的(de)CKB在TF中¥×ε✔RNA/蛋白(bái)水(shuǐ)平上(shàng)調一(yī)緻（♦α圖4D-E,G）。機(jī)制(zhì)研★™σ究揭示：盡管腫瘤細胞內(nèi)源性精氨酸合♦♦成抑制(zhì)，但(dàn)精氨酸轉運體Ω™(tǐ)SLC7A1在TF中表達上(shà≤≥ng)調，保障了(le)精氨酸供給；同時(s€αhí)肌酸合成底物(wù)甘氨酸的(de)轉運體(tǐ)Slc6a9亦呈現γ♠(xiàn)上(shàng)升趨勢。關鍵合成酶GATM/GAMT∏☆在TF的(de)蛋白(bái)水(shu§∞π ǐ)平均升高(gāo)，其中GATM的(de)RN£φΩ₩A表達顯著增加（圖4F,H）；而肌酸轉運體(tǐ)£×σSlc6a8在RNA及蛋白(bái)層面均持續上≤¥ (shàng)調（圖4F,I）。上(shàng)述結果綜合表明(míng)，££&∏AML細胞通(tōng)過協同激活肌酸雙路(lù)徑（↑σ≥"合成酶上(shàng)調+轉運體(tǐ)增強） 重塑能(néng)量代謝(xi★è)網絡，為(wèi)靶向幹預提供新方向。
圖4 通(tōng)過生(shēng)物(wù)合成與轉運機←•₩(jī)制(zhì)增強AML小(xiǎo)鼠肝轉移中肌酸代謝(xiè)通(€♥tōng)路(lù)。(A)AML細胞通(t✘'∑ōng)過兩種途徑積累肌酸：一(yī)是(shì)通(tōng)過Ga₩•tm和(hé)Gamt酶從(cóng)精氨酸和(hé)甘β≤氨酸合成，二是(shì)經肌酸轉運體(tǐ)Slc6a8轉<✔運。（B，C）采用(yòng)ELISA法檢測A ∞≥ML小(xiǎo)鼠與健康小(xiǎo)鼠血漿(B)及肝轉移竈(C)中的(d≥δ'e)肌酸濃度。（D，E）通(tōng)過ELISA法測定AML小±☆↔(xiǎo)鼠與健康小(xiǎo)鼠血漿(D)及肝轉移竈(E)中ε 的(de)肌酸激酶B（Ckb）水(shuǐ)平。(F)免疫組化(huà)分(≠•®fēn)析比較腫瘤病竈與周圍區(qū)域的(de)Gatm、✔←Gamt和(hé)Slc6a8表達差異。（G-I）α'采用(yòng)qRT-PCR檢測AML小(xiǎo) β鼠肝轉移竈與健康小(xiǎo)鼠中Ckb (G)、Gatm (H)及S∏≈$≥lc6a8 (I)的(de)相(xiàng)對(duì)mRNA表達量。₹"δ≤
本研究通(tōng)過體(tǐ)外(wàiⱩ)實驗證實，多(duō)種AML細胞系（<♥M4亞型C1498、MV4-11及M5亞型MOLM-13、THP-∑♣¥1）的(de)增殖具有(yǒu)肌酸依賴性：添加5 mmol/L肌酸Ω₩ β可(kě)促進細胞增殖（如(rú)C1498在12小(xiǎo)↔÷γ×時(shí)、MOLM-13在48小(xiǎo)時(s"§↕hí)增殖率上(shàng)升），而Sl↔c6a8轉運蛋白(bái)抑制(zhì)劑ompenacli↓↕d（10 mmol/L）通(tōng)過阻斷肌¥ ™酸攝取降低(dī)細胞內(nèi)磷酸肌酸/ATP水©₩π←(shuǐ)平，顯著抑制(zhì)增殖（如(rú≈)THP-1在24小(xiǎo)時(shí)持續抑制(zh"♣£ì)，C1498在48小(xiǎo)時(shí)明(míng)顯↓★下(xià)降），且不(bù)同亞型細胞響應£≈↕↕時(shí)間(jiān)存在差異（圖6A-D） α<。在AML小(xiǎo)鼠模型（C1498-Lu↔≥c/GFP）中，補充肌酸顯著增加肝轉移竈（I¥♥∑×VIS成像，圖6E/F），而ompenaclid治療組轉移竈輕微(wēi)減≈ππ•少(shǎo)且無毒性副作(zuò)用(yòng)（體('™tǐ)重、體(tǐ)溫、血液指标正常），表明(míng)肌酸直接驅動腫瘤®§♥浸潤。進一(yī)步的(de)能(néng)量代謝(α∏♠xiè)分(fēn)析揭示肌酸通(tōn≠>g)過雙重路(lù)徑重編程代謝(xiè)：在T≤φ× HP-1細胞中，肌酸增強氧化(huà)磷酸× ，具體(tǐ)表現(xiàn)為(wèi)ATP生(↕✔≤δshēng)成量、最大(dà)呼吸速率、基礎呼吸速率→★₩σ及備用(yòng)呼吸能(néng)力的(de)增強。同時(s§←♠hí)肌酸通(tōng)過代償性糖酵解上(shàn≈✔£<g)調ECAR，而ompenaclid則抑制(zhì)這(zhè)些(¥♠≈xiē)指标（圖7A/C/E/G）。在C1498細胞中，肌酸特異性激活氧"γ♦✔化(huà)磷酸化(huà)（圖7B/D），而ompenaclid下(x↑∞ià)調糖酵解（圖7F/H）。這(zhè)些(↑©↔∏xiē)結果系統闡明(míng)：肌酸-Slc6a8軸通(tōn®↕g)過協同提升OXPHOS和(hé)糖酵解，驅動白(bái)血病細胞增殖π®、轉移及代謝(xiè)适應性。靶向該通(tōng)路(lù)可(kě)有(y♣σ★ǒu)效抑制(zhì)腫瘤進展，具有(yǒu)重要σπ(yào)治療潛力。
本研究研究揭示了(le)急性髓系白(bái)血病（AML）小(xiǎo)φ↕∏鼠肝轉移竈中關鍵的(de)代謝(xiè)₹'§✔重編程機(jī)制(zhì)，重點聚焦肌酸代謝(xiè)通(tōng)ק ©路(lù)。這(zhè)些(xiē)改變不(bù)僅支持轉移性白(bái♥≤ ↑)血病細胞的(de)增殖，更為(wèi)Ωβ創新治療方案提供了(le)新思路(lù)。通(tō&σng)過抑制(zhì)肌酸轉運蛋白(bái)Slc6a8，可(kě)破壞白(bγ♥≥∏ái)血病細胞的(de)能(néng)量穩态，從(cóng)✔☆γ♣而顯著抑制(zhì)其轉移擴散。這(zhè₹ε)一(yī)突破性發現(xiàn)為(w&♦èi)AML輔助治療開(kāi)辟了(le)←<新方向，有(yǒu)望通(tōng)過引入新型代謝(xiè)通(tōngγβ)路(lù)實現(xiàn)精準幹預。本研究不('™bù)僅驗證了(le)AFADESI技(πβ¶↕jì)術(shù)在腫瘤微(wēi)環境研究中的(de)高(§©gāo)通(tōng)量、空(kōng)間(jiān)分(fē↔♣♣n)辨能(néng)力，也(yě)為(wèi)AML代謝(xi♠ ☆&è)靶向策略提供了(le)新思路(lù)。
中國(guó)農(nóng)業(yè)科(kē)學院棉花(huā)研究所棉™♠γ花(huā)生(shēng)物(wù)育種與綜合利用(y♣↑σ↔òng)國(guó)家(jiā)重點實驗室李付廣團隊在《Nature Cλ×ommunications》上(shàng)發表了(le)一(yī£∑α)篇題為(wèi)“Spatiotemporal transcriptom↕©e and metabolome landscapes §λ of cotton somatic embryos”的(de)研究文(w™ én)章(zhāng)。通(tōng)過整合AFADESI空(kōng)間(← jiān)代謝(xiè)組學和(hé)單細胞RNA測序（scRNA-seq）、≈•空(kōng)間(jiān)轉錄組學（ST）首次系統分(fΩφ☆¶ēn)析了(le)棉花(huā)體(tǐ)細€✔胞胚胎發生(shēng)過程中關鍵基因的(de)空(k♥φōng)間(jiān)分(fēn)布特征及代謝(xiè)物(wù)的(de)←✔表達模式，并構建棉花(huā)體(tǐ)細胞胚胎¶€♣發生(shēng)過程基因數(shù)據庫，為(wèi)解決σ✘"棉花(huā)體(tǐ)外(wài)再生(shēng)≠ ↔技(jì)術(shù)難題提供了(le)高(gāo)效解決方案 ≈♠>，助力深入解析植物(wù)發育分(fēn)子(zǐ)機(jī)制(zhì)的(♥♦εde)深度解析。（文(wén)章(zhāng)鏈接：https://doi.org/10.1038/∑s41467-025-55870-6）
棉花(huā)作(zuò)為(wèi)全球核心經濟作(zuò)物(wù)，<™λ€其遺傳改良受制(zhì)于複雜(zá)耗時(✘shí)且基因型依賴的(de)體(tǐ)細胞胚胎÷✘©$發生(shēng)（SE）過程，然而當前棉花(huλ©ā)SE效率低(dī)下(xià)，核心瓶頸在于缺乏關于體(tǐ)細胞胚胎發↓↓生(shēng)過程中基因表達模式重編程的(de)精确δ✔∏σ細胞層面信息，而傳統轉錄組技(jì)術(shù)（RNA-seq）因無法解析單ε¥→細胞異質性及空(kōng)間(jiān)分(fēn)±§☆辨率受限難以突破此困境；為(wèi)此本研究采用(yòε®<ng)多(duō)組學協同策略，通(tōng)過單細胞RNAγ☆λ測序（scRNA-seq）繪制(zhì)愈傷組織、球狀胚、魚雷胚和(h™↔ é)子(zǐ)葉胚四階段轉錄圖譜，同時(shí)采用(σ∑≤yòng)AFADESI技(jì)術(shù)進行(xíβ•™ng)空(kōng)間(jiān)代謝(xiè)組學研究，整合空(kōφΩΩng)間(jiān)轉錄組（ST）與空(kōng)間(jiān)代謝₽≥(xiè)組（SM）實現(xiàn)關鍵基因與代謝(×✔™xiè)物(wù)的(de)原位共定位，并基于跨組學關聯構建基因-γβ代謝(xiè)物(wù)調控網絡，揭示SE不(b♠™ù)同階段的(de)特異變化(huà)，為(wèi$¥'$)棉花(huā)遺傳轉化(huà)效率優化(huà)∏Ω提供全新視(shì)角。
本研究采用(yòng)多(duō)組學整合策略解析棉花(huā)體(tǐ)細胞♣₩胚胎發育機(jī)制(zhì)，選取非胚性愈傷組織(NEC)、胚性愈傷組織(<↕<EC)、球形胚(GE)、魚雷胚(TE)和(hé)子(zǐα§Ω)葉胚(CE)五個(gè)關鍵發育階段樣本。樣本經OCT♦♠包埋冷(lěng)凍切片，采用(yòng)AFADESI-MSI技(jì)術↑₹¶(shù)進行(xíng)空(kōng)間(jiān)代謝(↓λ©xiè)組(SM)分(fēn)析，基于10x Ge≠>¶nomicsVisium平台，通(tōng)過組織透化€π(huà)、mRNA捕獲及Illumina測序實現(xi↕±àn)空(kōng)間(jiān)基因表達譜解析♣↓，完成空(kōng)間(jiān)轉錄組（ST）分(fēn)析。同時(shí★'∏)，制(zhì)備酶解原生(shēng)質體(tǐ)懸液，使用(yòng)1€✔0xChromium單細胞3’試劑盒進行(xíng)單細胞轉錄組(sc₩¶ ¶RNA-seq)文(wén)庫構建和(hé)測序。驗證♠€體(tǐ)系包含利用(yòng)CRISPR/Cas9技÷¥π•(jì)術(shù)對(duì)關鍵基因(AATP1、DO↓ §★X2)進行(xíng)敲除或過表達、采用(yòng)LC-MSα€ /MS靶向定量關鍵代謝(xiè)物(wù)以及∞♦σ應用(yòng)原位雜(zá)交(ISH)技(jì)術(sh≠₽ù)空(kōng)間(jiān)定位基因表達。數(≤>♥$shù)據分(fēn)析方面，scRNA-seq數(shù)據使♣♦用(yòng)Seurat包進行(xíng)UMAP降維聚類₩₽與差異表達基因篩選，SM數(shù)據基于OPLS-DA模型鑒定差異代™γ✔謝(xiè)物(wù)，并整合ST、scRNA-s×✘♣eq和(hé)SM數(shù)據構建基因-代謝₹ε(xiè)物(wù)關聯網絡。最終，所有(yǒu)整合數♣'(shù)據存儲于支持多(duō)維查詢與分(fēn 䧶)析的(de)交互式數(shù)據庫(https://cotton.cricas.com.cn/som↑δ¥↓aticembryo/)。
本研究基于空(kōng)間(jiān)轉錄組（ST）技(jì)術(shù)，λπ<÷系統解析了(le)棉花(huā)體(tǐ)細胞胚胎發育過程中基因的(de)空 <÷(kōng)間(jiān)表達模式（圖1a-c）。研究選取球狀胚、魚雷胚和(h$☆é)子(zǐ)葉胚三種胚胎組織進行(xíng)切片處理(lǐ)，并$ $通(tōng)過空(kōng)間(jiān)位點>÷識别技(jì)術(shù)，成功鑒定出801~®☆₹↕1217個(gè)高(gāo)質量位點。平均每個(gè)位點檢↔測6287~8001個(gè)表達基因。進♣$•&一(yī)步，利用(yòng)均勻流形近(jìδ☆β n)似與投影(yǐng)（UMAP）方法，将♠§≤檢測到(dào)的(de)基因劃分(fēn)為(wèi)13個(αΩγgè)細胞簇，并将其映射回原始組織切片位置（圖1d-λσασe）。此外(wài)，研究還(hái)繪制(zhì)↔→ 了(le)各細胞簇中高(gāo)表達基因的 ™ ¶(de)點圖（圖1f）；圖中顯示的(de)簇特異性™δ高(gāo)表達基因，提示其可(kě)能(néng)參與調控特定細胞簇的(de ♥ )發育功能(néng)。最後，研究人(rén)↔↕員(yuán)在13個(gè)細胞簇中鑒定了(le)差異表達基因（DEGs），®→并進行(xíng)了(le)GO富集分(fēn)析。結果顯•×®示，與“胚胎後發育調控”相(xiàng)關的(de)基因>★在子(zǐ)葉細胞（簇9）中顯著富集，而與“生(shēng✔₩™)物(wù)脅迫防禦響應”相(xiàng)關的(de)₽←→基因則主要(yào)在皮質細胞（簇 11）中高(gāo)表達。 ←β←這(zhè)些(xiē)發現(xiàn)表明(&←↔míng)，差異表達基因可(kě)能(néng)在體(tǐ)細胞胚胎發生(sh™δβ"ēng)（SE）的(de)不(bù)同階段發揮著(zhe)特定的(dφ©e)生(shēng)理(lǐ)功能(néng)力。
圖1 棉花(huā)體(tǐ)≥®細胞胚胎發生(shēng)三個(gè)階段的(de)空(kōng)間(j•≥iān)分(fēn)析。a-c為(wèi)棉球形胚、魚雷胚和(h<→•é)子(zǐ)葉胚經蘇木(mù)精-伊紅(hóng)（H&am≤ ×>p;E）染色的(de)切片。d UMAP可(kě)視β★≤(shì)化(huà)顯示體(tǐ)細胞胚胎細胞，每個(β εgè)數(shù)字代表不(bù)同細胞類型，各色标記對(dε§'→uì)應不(bù)同細胞類型。e圖(d)中的(de)所有(yǒu)聚類₹γ均被映射到(dào)其空(kōng)間(jiān)位€≠置，其中13個(gè)聚類分(fēn)别位于≥≠不(bù)同的(de)組織區(qū)域。f點圖展示了(le)各細胞聚類中代表性←↓↔ε标志(zhì)基因的(de)表達情況。
研究人(rén)員(yuán)利用(yòng)ST分(fēn)析了(le)棉$✔♣花(huā)下(xià)胚軸誘導産生(shē<≈®δng)的(de)愈傷組織，得(de)到(dào)了(le)六個(gè)細胞簇（♥圖2a）。通(tōng)過對(duì)愈傷組織中細胞簇的(de)分(±•₹fēn)析，發現(xiàn)與維管組織标記基因 aintegumenta（γ∞¶✔ANT）同源的(de)基因（Gh_A11G229☆400）和(hé)與幹細胞形成相(xiàng)關基因 w☆→uschel-related homeobox13（WOX13）同源的(π÷≤♣de)基因（Gh_A02G209400）在簇1中表♥✔☆達，表明(míng)簇1包含來(lái)自(zì)外(wài)植₹π≤體(tǐ)的(de)維管組織細胞和(hé)愈傷組織創始細₩♦★>胞。同樣，通(tōng)過與已鑒定的(de)愈傷組織細胞類型的(de)比α'☆φ較，确定簇1為(wèi)“外(wài)植體(↔∞tǐ)維管組織和(hé)愈傷組織創始細胞÷ ★_1”。此外(wài)，還(hái)對(duì)其他(tā)細胞簇中的(de ©£✘)标記基因進行(xíng)了(le)分(fēn)析和(hé)鑒定，并對(d≤φuì)差異表達基因（DEGs）進行(xíng)了σ↔π(le)GO分(fēn)析，發現(xiàn)“外(wài)植體(tǐ)維管組ε♠>ε織和(hé)愈傷組織創始細胞_3”和(hé)“愈傷組織細×₩胞內(nèi)層_5”（簇3和(hé)5）中的(de)大(dà)多(£→duō)數(shù)DEGs主要(yào)參←→≥Ω與對(duì)缺氧的(de)響應和(hé)防禦≥§♥™反應。
圖2 非胚胎性愈傷組織的(de)空(kōng)間(jiān)分(fēn↑α)析。aUMAP可(kě)視(shì)化(huà)愈傷細γ®胞分(fēn)布圖。b HSC80.5、LTPG1.4、AOP1.2 Ω™÷3、PR-1.2、STH-2和(hé)PER4♣¶↓2.1标記基因在callus_1和(hé)call¶♠∏λus_2中的(de)空(kōng)間(jiān)表↑<•→達位置圖。c細胞簇中标記基因表達的(de)散點圖，圓點大(dà)小(xiǎo)←↓♠π代表該基因在細胞簇中的(de)表達比例。
為(wèi)解析棉花(huā)體(tǐ)細胞胚胎δ₩₹發育過程中基因表達與組織分(fēn)化(huà)的(de)關聯機(jī)制(z∑♦hì)，研究者對(duì)球狀胚、魚雷胚及子(zǐ)↑§>葉胚三類樣本進行(xíng)了(le)九組空(kōng)間(jiān)切片分 ®(fēn)析，通(tōng)過Pearso"♠n相(xiàng)關性評估揭示了(le)發育階段間(jiān σφ)的(de)遺傳調控網絡特征。在空(kōng)間(jiān₹δβ)維度上(shàng)對(duì)不(bù)同細✔×胞簇差異表達基因（DEG）進行(xíng)功能(néng)注釋發←↑↑"現(xiàn)：空(kōng)間(jiān)定位1号λδ區(qū)域中，維管組織标記基因WOX13的(de)同源轉錄本在非胚胎&≤形成愈傷細胞簇（簇1）呈現(xiàn)顯著激活；而早期胚¶'σ✔胎維管關鍵因子(zǐ)ATHB-8（Gh_D05G049400±¶✔）與多(duō)能(néng)性獲得(de)核心✘±σ✘調控基因BBM（Gh_D08G251600）的(d÷$♠±e)同源序列在球狀胚細胞簇（簇1）中同步高(gāo)表達。空(k λ×'ōng)間(jiān)定位2号區(qū)域分(fēn)析表明×®♠✘(míng)，表皮發育調控因子(zǐ)PDF1（Gh_D04G &040400）及其胚胎命運決定基因WOX9的(de)同源序列在胚胎前體(t€≠εǐ)細胞群中均表現(xiàn)出特異性轉錄激活。這(zhè)些(xiē)§¥♠空(kōng)間(jiān)表達模式印證了(le)特定細胞簇通(tōng)"™★過差異基因表達驅動胚胎發育階段特化(huà)的(de)生(shēng♠↓ε)理(lǐ)功能(néng)分(fēn)化(huà)λ≠₽。（圖示見(jiàn)補充圖3-11）
通(tōng)過單細胞轉錄組測序技(jì)術(shù)對(duì)棉花(huā↓↔Ω)體(tǐ)細胞胚胎發育過程進行(xíng)解析，研究人(ré↑♣✔"n)員(yuán)在球形胚、魚雷胚和(hé)子(zǐ)葉胚階段分(fē©™↑n)别獲得(de)8842、9031和(hé)9037個(gè)高(g>σāo)質量單細胞，平均檢測基因數(shù)達1992-2339個(gè)。UMβ£™AP降維分(fēn)析将細胞劃分(fēn)為(wèi)11個(≤♦¥↕gè)功能(néng)簇，其中簇2通(tōng)過MPK3÷同源基因Gh_A05G087300的(de)高(₽÷¶gāo)表達被鑒定為(wèi)表皮細胞亞群，該基因∑✘Ω®在拟南(nán)芥中已知(zhī)參與表皮分(f¶βēn)化(huà)與胚胎發育調控。空(kōng)™<間(jiān)轉錄組與單細胞數(shù)據₽★β<的(de)強相(xiàng)關性驗證了(♥≤le)分(fēn)析可(kě)靠性，如(rú)簇3中生≈→(shēng)長(cháng)素響應基因AUX22和(hé)簇5中葉肉特征™ε∏基因CYP87A3的(de)共定位表達，揭示了(le)不(bù)同"¶₹≈細胞類型在胚胎發育中的(de)功能(néγ¥ng)特化(huà)。這(zhè)種多(du£™₽ō)組學整合策略為(wèi)解析棉花(huā)體(tγ↕±§ǐ)細胞胚發育的(de)分(fēn)子(zǐ>≥∞→)機(jī)制(zhì)提供了(le)單細胞分(fēn)辨率的(β←×de)關鍵證據。
圖3 棉花(huā)體(tǐ)細胞胚發育的(de)單細胞分&ε(fēn)析，a球狀胚、魚尾胚和(hé)α↕子(zǐ)葉胚中單細胞的(de)減少(shǎo)與聚類分(fēn)析。₩δ♠₹b點圖展示了(le)代表性标記物(wù)的(de↑₹©)表達情況。每個(gè)細胞簇中的(de)基∞ ™因。c不(bù)同細胞簇中代表性标記基因的(de)表達情況。
為(wèi)解析棉花(huā)體(tǐ)細胞胚胎發育的(de)細胞分(fēnβ£↑)化(huà)路(lù)徑，研究團隊采用(yòng)拟時(shí)®★λ₩序分(fēn)析技(jì)術(shù)重構了(le)不(bù)€♥δ✔同類型細胞的(de)發育軌迹（圖4a）。結果顯示，不↓λ(bù)同細胞簇在拟時(shí)序軌迹的(de)分(fēn)支節₩✔點呈現(xiàn)明(míng)确的(de£¥)空(kōng)間(jiān)分(fēn)離(lí)特征（圖4b），且在發δ↓ ÷育時(shí)間(jiān)軸上(shàng)表現(★§>αxiàn)出三類顯著的(de)基因表達模式（圖4c）。值得(d∏πe)注意的(de)是(shì)，受精當天特異性激活的(de)33個(gè)标"®₩↑志(zhì)基因被成功鑒定，包括木(mù)葡聚÷"糖內(nèi)轉糖基化(huà)酶及乙烯合成關鍵酶A€≈CC合酶等調控因子(zǐ)（圖4）。進一(yī)步的(de$ε♣)基因功能(néng)分(fēn)析揭示☆∑Ω：相(xiàng)較于受精前一(yī)日(rì)，受精當日(rì)♥ "♠上(shàng)調的(de)差異表達蛋白(bá↑∏♠i)在蛋白(bái)質翻譯過程（GO:000♣6412）及核糖體(tǐ)小(xiǎo)亞基組裝←•§（GO:0000028）等生(shēng)物↑₽(wù)學功能(néng)中顯著富集。同時(shí)，研究還(₩✔©hái)挖掘出參與纖維細胞早期發育的(de)核心基因群，如(r&$ú)調控鞘脂代謝(xiè)的(de)GhKSR←↔♥1（通(tōng)過影(yǐng)響超長(★γ≤cháng)鏈脂肪酸合成促進纖維伸長(cháng)），以及晝夜節律€"調控因子(zǐ)GhTCP14（通(tōng)過協調線粒體(tǐ)代謝(×>δxiè)與蛋白(bái)翻譯活動驅動纖維生(shēng)≥¶∑→長(cháng)）。這(zhè)些(xiē)發現(xià≈'n)為(wèi)解析棉花(huā)胚胎發育與纖維形成的(✘♣σ¥de)分(fēn)子(zǐ)網絡提供了(le)關鍵靶點。
圖4 對(duì)受精前1.5天到(dào)受精後1天的(de)↑ ₩所有(yǒu)棉花(huā)胚珠樣品進行(xíng)拟時(shíφ€)序分(fēn)析。a細胞簇在胚胎發育三個™®(gè)階段的(de)分(fēn)布情況，基 于僞時(shí)間(jiān★ש)軌迹呈現(xiàn)。b假時(shí)間(jiān)♦→ 軌迹按細胞簇顔色進行(xíng)區(qū)分(fēn)标↑±記基因在僞時(shí)間(jiān)上(shàng)÷&的(de)表達動态與聚類分(fēn)析。
胚胎發生(shēng)的(de)初始階段在非$★胚性愈傷組織細胞向胚性細胞轉化(huà)過程中發揮¥ 決定性作(zuò)用(yòng)，ST數(€↔&≠shù)據揭示了(le)多(duō)個(gè)高(gāo)度表達基因與特定細≥ ★↓胞簇相(xiàng)關聯，包括“非胚性愈傷組織”（第13組）、“¶∑前胚性細胞”（第6組）和(hé)“球形胚胎cel☆©∏±l_10”（第10組），這(zhè)些(xiē)基§α¶因簇為(wèi)細胞命運轉換提供了(le)分(fēn)子(zǐ)基礎。原位雜₹♦(zá)交(ISH)分(fēn)析顯示，ABC轉運蛋白₩ ≈♦(bái)G家(jiā)族成員(yuán)11(ABCG11)在球形和(hé)✔∏魚雷胚胎的(de)內(nèi)皮層中呈現(xiàn)優勢表→÷∞達（圖5b-d），該基因在拟南(nán)芥中編β≤≥碼表皮脂質轉運蛋白(bái)，表明(míng→↔δ)其在植物(wù)胚胎脂質運輸和(hé)保護屏障形成中的(d$♠e)保守功能(néng)。胚胎表皮的(de)建立與維持對(duì) ≤胚胎正常發育至關重要(yào)，在高(gāo)等植物(wù)中，芽器(qì♥↔)官的(de)表皮直接源于胚胎表皮，提供抵禦生(shēng)物₩"(wù)和(hé)非生(shēng)物(wù)脅迫的(de)保護機(j♣↕ī)制(zhì)，确保了(le)發育過程中的(de)結構完整性。基于ST數§& ÷(shù)據集，研究聚焦于“表皮細胞”（簇3）、“皮質細胞_1”（簇3）和®↓δ(hé)“皮質細胞_12”（簇3）中表達的(de)關鍵調控基因 ÷®∞，以解析皮質層和(hé)表皮細胞發育的(de)分(fē$¥®∏n)子(zǐ)調控網絡。富含半胱氨酸的(de)受體('§tǐ)樣蛋白(bái)激酶29(CRK29)作(z $uò)為(wèi)受體(tǐ)樣激酶家(jiā)族成員(yuán♦πφ)，在棉花(huā)“表皮細胞”及早期球形與魚α雷胚胎表皮中均表現(xiàn)出顯著表達，突出了(l₩ ≠₽e)其在表皮特異化(huà)中的(de)潛在作(zuò)用(yòng)。δISH結果進一(yī)步證實，Gh_A13G249900（A§↓€HP3同源基因）在球形胚胎皮層中表達，并在魚雷和(hé)子(zǐ)葉胚胎σφ皮層中廣泛分(fēn)布，同時(shí)LBD∑€12主要(yào)在魚雷胚胎皮層富集，這(zhè)些(xiē)結果一(yī)®★σ緻性地(dì)驗證了(le)細胞簇分(fēn)類的(de♣ ↓)準确性和(hé)可(kě)靠性。
圖5 棉花(huā)中調節SE的(de)α₹φ特定基因的(de)時(shí)空(kōng)分(fēn)析。a、e、iπ≥、m不(bù)同基因簇中ABCG11.16（Gh_D11G232500）、✔≠&↔AHP3（Gh_A13G249900）、LBD12.3（Gh_A08G2302¥÷≥♠00）和(hé)DOX2（Gh_A09G193100）标記基因表達的≈✔£(de)空(kōng)間(jiān)定位圖及小(xiǎo)★™提琴圖譜。b、f、j、n為(wèi)陰性原位雜(záλ∞)交對(duì)照(zhào)組.c、g、k、o為(wèi)棉花™β♥"(huā)體(tǐ)細胞胚胎中标記基因的(de)ISH定位結果。d、h、l、p<≠ 為(wèi)所标示矩形切片的(de)放(fàng)大(dà★¶×)視(shì)圖。
研究人(rén)員(yuán)通(tōng)過空(kōng) ★間(jiān)轉錄組(ST)分(fēn)析發現(xiàn±©♠)AAA-ATPase1(AATP1)在"球Ω<£₩狀胚_10"（簇10）中特異性表達，DOX2在&quβ♣ot;前胚性細胞"（簇6）中顯著富集。為(wè∏✔× i)驗證其功能(néng)，構建了(le)三個(gè)過表達(OE)↓★₹系和(hé)三個(gè)CRISPR/Cas基因編輯系。結果顯示 ≤λε，OE系中AATP1和(hé)DOX2表達水(shuǐ)平顯著♣ε£增加，而CRISPR編輯系實現(xiàn)靶向敲低(dī)。表型分←✔(fēn)析發現(xiàn)，AATP1-CAS∞ ∞和(hé)DOX2-CAS愈傷組織在誘導30天®β↕$後體(tǐ)積大(dà)于野生(shēng)型(WT)，增λ♠殖速率更快(kuài)；90天後呈現(xiàn)易碎胚性♥特征，分(fēn)化(huà)率顯著提升，細胞呈原始圓形或橢圓形。相(xiànΩ←πφg)反，AATP1-OE和(hé)DOX2-≤<>>OE愈傷組織增殖緩慢(màn)，體(tǐ)積顯著小(xiǎo)于¥≈®©對(duì)照(zhào)組，90天後硬化(huà)且無胚胎發生(×♥®λshēng)迹象，細胞伸長(cháng)顯示™₽•非胚性狀态。這(zhè)些(xiē)結果表明(míng)AATP1和(h↔∑&↑é)DOX2通(tōng)過負向調控愈傷組εδ₹織增殖與胚性細胞轉化(huà)，影(yǐng)響體(tǐ₽')細胞胚胎發生(shēng)進程。AAA-ATP酶作(zuò)為(β→Ωwèi)能(néng)量依賴的(de)分(fēn)¥¥¶π子(zǐ)馬達，可(kě)能(néng)通(tōng)過改變蛋白(bái)複合'≠£α物(wù)構象參與細胞命運決定。
圖6 棉花(huā)愈傷組織發育的(de)代表性标記基因的(de)功能(®₹÷néng)分(fēn)析。a、b通(tōng)過qRT-PCR™檢測OE品系與對(duì)照(zhào)材料中GhA₹ATP1 (a)和(hé)GhDOX2(b)的(de)相(xi©÷àng)對(duì)基因表達量，以GhHIS作(zuò)為(wèi)∞✔<內(nèi)參基因。c AATP1-CAS、DOX2-CAS、₽ 對(duì)照(zhào)組、AATP1過表達組和(hé)DOX2₩過表達組材料在初始愈傷組織誘導30天、60天及90天後，以及胚胎形£δ♥成階段（EC/C）和(hé)胚胎期(E)的(d₽∏e)發育模式。比例尺=5毫米。d不(bù)同材&"λ料在初次誘導愈傷組織後30天的(de)愈傷組織生(shēng↔♥&)長(cháng)速率。
本研究整合OPLS-DA代謝(xiè)譜型₽≥分(fēn)析與AFADESI-MSI技(jì)術(shù)，系統揭示了(l"♠←↑e)棉花(huā)體(tǐ)細胞胚胎發育過程中74種差異代謝(xiè)物("π←wù)（DPMs）在26條代謝(xiè)通(α∞∑ tōng)路(lù)內(nèi)呈現(xiàn)組織特異性分(fα$ēn)布。子(zǐ)葉區(qū)域特異性富集L-精≈∏±®氨酸（C00062）、N-氨基甲酰腐胺（C00436）及™β吲哚-3-乙醛（C00637），驅動精氨酸-脯氨酸代謝(xiè)通(tōn€₽"×g)路(lù)主導胚胎器(qì)官建成。皮層區∏→•(qū)域顯著富集亞油酸（C00062）、(S)-β-氨基異丁酸（C'¶03284）及D-蘋果酸（C00497），共同調♣σ控脂質代謝(xiè)與微(wēi)環境應激響應。維管組織 ≤λ特異性積累亞精胺（C00315）與異丁香酚（C>÷10469），支撐多(duō)胺生(shēng)物(wù)合成過程。∑¶✘跨組織代謝(xiè)網絡分(fēn)析進一(yī£™)步顯示，子(zǐ)葉區(qū)域的(de)二氫玉米素（C0≠&↔'2029）激活了(le)玉米素/嘌呤代謝(xγ±₽iè)通(tōng)路(lù)。該通(tōng≠₽)路(lù)與皮層區(qū)域富集的(de)L-天冬氨酸（C0004←÷σ↑9）、L-組氨酸（C00135）協同作(zuò)用(yòng)，共同調控組®•✔氨酸代謝(xiè)通(tōng)路(lù∑§φ)。這(zhè)些(xiē)相(xiàng)互作(zuò)用(yòng)共♠×<♠同協調了(le)棉花(huā)胚胎的(de)器(qì)官發生(shēn®₹ g)程序。所有(yǒu)空(kōng)間(jiān)代謝→↕®(xiè)圖譜結果均通(tōng)過液相(xi♠↑φàng)色譜-串聯質譜（LC-MS/MS）進行(xíng)了→×£(le)平行(xíng)驗證，确證了(le)AFADESI-MSI技(j'≥♦←ì)術(shù)在亞器(qì)官分(fēn)辨率下(xià)，'>對(duì)包括脂質、TCA循環、氨基酸、核苷酸等在內 &¥±(nèi)的(de)8大(dà)類代謝(xiè)通(t↔≠✘ōng)路(lù)具有(yǒu)廣泛的(de)×® 覆蓋能(néng)力和(hé)可(kě)×σ∏靠的(de)定量性能(néng)。
整合空(kōng)間(jiān)代謝(xiè)組（SM）與空(kōng)間(>Ω φjiān)轉錄組（ST）數(shù)據聯合♦→分(fēn)析，研究發現(xiàn)多(d↕γ→≠uō)胺合成關鍵基因（SPDSYN1, SP εMS）在球狀胚特異性高(gāo)表達，其表達峰值與胚內(nèi)精胺/亞精→•©✔胺蓄積顯著正相(xiàng)關，标志(zhì)二者為(w≥♠↑èi)球狀胚發育特征代謝(xiè)物(wù)。子 $(zǐ)葉胚中茉莉酸合成基因OPR11顯著激活，指示茉莉酸為(←∏wèi)子(zǐ)葉胚發育動态因子(zǐ)。KEGG通(∏π↔±tōng)路(lù)解析表明(míng)，DOX2通(tō∞ ¥ng)過α-雙加氧酶活性催化(huà)α-亞麻酸（C06427）↕&•Ω生(shēng)成2(R)-HPOT，結合SM顯示魚雷胚期α-亞麻酸含±γ≤量驟降，共同證實DOX2負調控α-亞麻酸✔♥≠÷合成以保障正常發育。跨平台數(shù)據一(yī)緻驗證≥♣多(duō)胺-茉莉酸代謝(xiè)軸的(de)階段特異性切換÷>對(duì)棉花(huā)胚胎形态建成具₽×☆決定性作(zuò)用(yòng)。
圖7 發育中棉花(huā)體(tǐ)細胞胚胎代謝(xiè)物(wù)的(de)∏♦≤空(kōng)間(jiān)分(fēn)布分(fē×πn)析.a選取正離(lí)子(zǐ)掃描模式下(xià)的(de)部分φ★(fēn)代謝(xiè)特征指數(shù)（MSIs），用(yòng)于♠↕♠标記不(bù)同發育階段樣本的(de)組₹α織區(qū)域。這(zhè)些(xiē)代謝(xiè)→ 特征指數(shù)并不(bù)代表特定代謝(xiè)物(wù)。b棉花(huā≠¥)體(tǐ)細胞胚胎代謝(xiè)網絡。該代謝(xiè)網絡基于與不(bù)♥≥€同發育階段相(xiàng)關的(de)動态代謝(xiè)模塊（DP♥♥Ms）構建而成。胚胎發育。數(shù)字代表Kβγ EGG注釋，顔色對(duì)應相(xiàng)關代謝(x∞ ±iè)通(tōng)路(lù)。實線表示單步反應， 虛線≤☆∑→表示兩步或更多(duō)步驟的(de)反≥₹應。c 體(tǐ)細胞胚胎中L-精氨酸、二氫玉米素和(hé)玉米素的(de×φ↓✔)MSI。
本研究基于多(duō)時(shí)期采樣策略，結合空(kōng)間(jiānβ♣π)轉錄組學、空(kōng)間(jiān)代謝(xiè)組學和(hé)單細♥ →胞轉錄組學技(jì)術(shù)，系體(tǐ)闡明εα"(míng)了(le)棉花(huā)體(tǐ)細胞胚胎發育全周期∏₩☆中特定組織和(hé)細胞類型相(xiàng)關的(dδ←↕✘e)轉錄組及代謝(xiè)變化(huà)。研究鑒定了(le¥ε÷)AATP1和(hé)DOX2等關鍵調控因子(≥ε&∞zǐ)，并構建了(le)可(kě)搜索的(d♣>α★e)網絡資源數(shù)據庫（https:/≥ ✘/cotton.cricaas.com.cn/somaticembryo"≠×/），為(wèi)棉花(huā)遺傳轉化(hu✘®à)和(hé)育種提供了(le)重要(yào)參考¥✘↕Ω。功能(néng)分(fēn)析表明(míng)AATP1和(hé)DO≠©¶X2在棉花(huā)體(tǐ)細胞胚胎發生(shēng)過程中具≠↑♣有(yǒu)負調控作(zuò)用(yòng≈"£)，為(wèi)深入理(lǐ)解棉花(huā)體(tǐ)細胞胚胎發生(sh☆α♥ēng)的(de)分(fēn)子(zǐ)機(jī)制(zhì)提供了±✔✘(le)新視(shì)角。研究揭示了(le)α-亞₩"麻酸作(zuò)為(wèi)纖維伸長(cháng)标志"§±(zhì)性代謝(xiè)物(wù)的( ∞∏de)關鍵作(zuò)用(yòng)，同時(shí)發現(xiàn)α-☆&>酮戊二酸、L-天冬氨酸、脂肪酸代謝(xiè)物(wù)、胺類物(∞'wù)質、生(shēng)長(cháng♠§)素及油菜素內(nèi)酯類似物(wù)等多(duō)種代謝(xiè)物→β₽β(wù)在棉花(huā)纖維早期發育中的(de)重要(yào)作 ✘(zuò)用(yòng)。
