上文提到，在科研思路与靶点尚不明确的情况下，结合四大组学及文献阅读，可以帮助科研工作者确定研究目标及研究内容。科研工作具有长期性，延续性及创新性的特点；失败的结果并不一定是坏结果。以实际研究中遇到的科学问题为导向，或者针对本研究领域中的未解决问题；结合自己实验室的科研条件，提出潜藏的切实可行的科研思路，为最终的结果验证做铺垫。科学研究最重要的任务是探索新问题，但只有新是不够的，还需要具有合理性及可验证性。横向对比、发散思维、交叉合作：许多专业问题，跨专业、跨领域或跨学科交叉一下，也能产生新的idea、开辟新的领域和解决问题的新方法。

白芨 (BS) 为收敛止血之要药，可用于治疗体内外诸出血症。黄连 (CR) 功效清热燥湿，泻火解毒，其所含的生物碱成分具有抗菌、抗炎等多种药理作用。在众多中医古籍均有白及配伍黄连治疗内外各类创伤相关疾病的记载。受中医临床经验启发，一步制备并验证白芨多糖 (BSP) 和黄连生物碱 (QA)自发形成无添加交联剂水凝胶具有多层级微孔隙固体海绵结构。在白芨多糖形成的三维螺旋支链上引入的具有抗菌作用的阳离子供电体生物碱，通过静电斥力作用优化海绵内部结构空间，形成血液快速吸收导管状结构。同时，有效提升生物碱在创伤部位原位缓释能力，迭代解决创伤治疗中感染对抗难题。

图1. 生物碱-多糖水凝胶的制备及应用示意图

脓毒症（Sepsis）是由于感染引起的宿主免疫反应失衡所致的全身炎症反应综合征，其特征是多器官功能紊乱，目前尚无临床可用药物。二倍半萜（Sesterterpenoids）是一类起源于香叶基法尼基焦磷酸酯的稀有天然产物，是萜类化合物中数目最少的一类，已报道近70%的天然二倍半萜来源于海洋生物海绵中，植物来源二倍半萜仅约200个。米团花（Leucosceptrum canum）是以我国西南地区为分布中心的唇形科单种属植物，作为传统药用植物用于治疗胃病、黄水疮、骨髓炎、肌炎、骨折等。研究团队发现，米团花总二倍半萜提取物（TSE）灌胃给药（2.5 g/kg）能够显著降低脓毒症小鼠血清中细胞因子IL-6和TNF-α的水平，有效缓解脓毒症小鼠的多器官损伤症状，提高患病小鼠生存率。

图2. 米团花二倍半萜提取物活性及机制研究

茶枝柑是历经700多年驯化栽培的柑橘变种，其果皮制干即为中药“广陈皮”，含有多种生物活性成分。多甲氧基黄酮是广陈皮中关键的药用成分，该化合物具有抗肿瘤起始的作用和抗神经炎症活性。从基因挖掘-代谢物合成-转录调控三个层次详细阐述了广陈皮活性成分多甲氧基黄酮的合成调控机制，为“广陈皮”独特的药用成分形成及价值提供了科学支撑。茶枝柑果皮中含有种类丰富的多甲氧基黄酮，通过同源序列比对以及从头搜索的方式从茶枝柑基因中鉴定出了47个高可信度，且与多甲氧基黄酮合成直接相关的甲氧基转移酶基因。不同发育阶段多甲氧基黄酮的相对含量存在差异，在花后200天（9月）的果皮中达到最高；干旱、盐害等环境胁迫造就特殊的茶枝柑类黄酮基因表达调控网络，进而形成特殊的黄酮组分。

图3. 茶枝柑的基因组学及甲基转移酶的进化树研究

石松类植物是从苔藓植物向蕨类和种子植物进化的重要过渡类群，是研究植物重要器官（如根、真叶等）的形成以及植物生活史世代交替的进化中不可或缺的一环。现今的石松类植物通常是生长在林下的矮小草本，然而在远古时代，石松类植物则主要是高大的乔木。石松类植物包括两个高度分化（距今约4亿年前）的植物类群：同型孢子（石松科）和异型孢子（水韭科和卷柏科）植物，二者具有不同的生殖方式。同型孢子石松类植物基因组大小和染色体数目通常大大高于异型孢子石松类植物；同时，石松类植物中的石杉亚科的植物含有重要活性成分——石杉碱甲，能够治疗各种神经系统疾病，如“阿尔茨海默”症。利用多种比较基因组学分析手段发现，长白石杉和扁枝石松各自经历了多次独立的古老的全基因组复制事件。其次，通过对其全基因组复制后的二倍化过程分析发现，相较于其他异型孢子植物，同型孢子石松类的二倍化过程缺乏大规模的染色体重排和丢失（Rearrangement and fractionation）。

图4.物种系统发育同型孢子石松类全基因组复制后续二倍化过程模型

梨（Pyrus bretschneideri）作为全球广泛种植的果树，其果肉发育过程中DNA甲基化的作用机制尚不完全明了。通过比较11个发育阶段的梨果肉组织，鉴定出449种在不同阶段差异积累的代谢物，主要包括植物激素、花青素、氨基酸及其衍生物、碳水化合物、黄酮醇、羟基肉桂酸衍生物、脂类、核苷酸及其衍生物等32个类别。通过与蛋白质组和转录组数据相整合，构建了一个涵盖439种代谢物和14399个基因的关联数据库，揭示了梨果肉代谢调控的分子网络。在此基础上，进一步探索了DNA甲基化与果实代谢的相关性，发现DNA甲基化程度随着果实发育进程逐步增加，且与多个代谢物的积累趋势相关，尤其是与促进果实成熟的脱落酸（ABA）含量密切联系。果肉发育过程中DNA去甲基化酶基因ROS1表达的下降是DNA甲基化水平不断提升的主要原因，表明梨果实发育过程DNA甲基化与去甲基化之间的动态平衡决定了DNA甲基化水平。

图5. 梨肉发育过程中去甲基化酶表达量下降提升DNA甲基化水平

天然产物是药物的宝贵来源，青蒿素可以治疗疟疾，黄芩提取物可以杀灭沙门氏菌。应用最新组学技术平台，链接传统中药材与现代医学基础研究，成为当前研究热点及创新点。随着耐药细菌不断涌现并且迅速蔓延，由此产生了研发新型抗生素的迫切需求，而天然植物中可能含有多种抗菌成分，是发现新型抗生素的重要来源。应用蛋白组学和代谢组学手段，挖掘出苦参中黄酮成分槐黄烷酮G和苦参黄素可以杀灭多重耐药细菌的分子机制。实验结果表明，它们靶向细菌膜，破坏膜的合成以及完整性，抑制细胞壁合成，诱导水解，阻止细菌合成生物膜；此外，它们可以干扰MRSA的能量代谢，破坏细菌的正常生理活动；动物实验结果显示，它们显著改善伤口感染状况，促进伤口愈合。

图6. 多组学分析槐黄烷酮G和苦参黄素的抗菌机制

多组学技术包括转录组、表观组、蛋白质组、代谢组等在生物研究中发挥重要作用，然而普通的多组学技术无法解决多细胞生物材料的细胞异质性问题，无法精细定位到某一个细胞或某一类群细胞并从中获取其基因表达等多组学信息。单细胞结合多组学技术的应用，为解决这一问题提供了新的思路和视角。以捕获芯片为载体的空间转录组技术，通过芯片的空间条形码核酸序列对冷冻组织切片的转录本信息进行原位捕获，并结合二代测序技术，获取组织切片的基因空间表达信息。与单细胞转录组对标记基因的高度依赖相比，空间转录组技术不仅可以获得高通量的异质性细胞基因表达信息，而且可以还原每个细胞在组织切片中的空间信息；使得对组织切片细胞的高通量转录组信息进行直接可视化，为揭示细胞间相互作用、细胞通讯和非细胞自主过程提供了有力工具，具有不可替代的优势。

图7. 单细胞多组学技术在植物研究领域中的应用

植物病害对全球粮食安全构成了重大威胁，了解植物疾病发生机制，对制定有效的病原菌防御策略具有重大影响。植物在与病原菌的互作过程中能够产生免疫反应抵抗侵染，有些植物细胞做为侵染点直接与病原菌接触互作，有些细胞则不然。同时，植物与病原菌的互作，尤其是与真菌、卵菌等真核病原体互作，是高度动态的、连续的过程。利用单细胞技术对真菌侵染后的植物叶片组织进行高通量单细胞分离并测序，进而建立了由近10万个拟南芥叶片组织细胞转录组组成的，深度涵盖了所有主要细胞类型的单细胞基因表达图谱。在单细胞水平上捕捉真菌感染过程中逐渐发生的基因表达变化，进行了轨迹分析。分析发现，脱落酸在感染的过程中被动态激活了，而气孔开合在细菌侵染过程中受到植物和病菌的双重调节，对于细菌致病性和病症发展进程起到重要作用；而脱落酸是气孔闭合的一个关键调控因子，从而导致气孔关闭。

图8.在感染位点气孔细胞的特异响应造成了气孔的关闭

植物在遭受损伤后能够重新编程体细胞，实现新组织或器官的再生。愈伤组织是由植物体细胞诱导产生的一类拥有再生潜能的细胞，广泛应用于现代农业领域，包括植物营养繁殖和基因编辑等分子育种技术。其中，愈伤组织细胞经过芽再生过程最终发展成为可育芽，这一过程对于植物再生至关重要。为了深入研究番茄愈伤组织中芽再生的细胞发育和分子机制，通过协作开发和掌握多种空间转录组实验和分析技术，建立了番茄愈伤组织芽再生的空间转录组图谱。研究结果揭示了愈伤组织中存在高度异质的细胞群，将番茄愈伤组织分为了表皮、维管组织、芽原基、成熟芽和内部愈伤组织五种细胞类型。在表皮细胞中发现了两种主要的细胞亚型，它们分布在靠近空气和培养基的不同位置，并具有不同的功能。

图9. 利用多平台建立番茄愈伤组织芽再生的空间转录组图谱

成纤维细胞是维持组织稳态的关键结构细胞，在纤维化、炎症和癌症等疾病状态下呈现出多种表型来影响疾病进程及其治疗抗性。肌成纤维细胞因其对肿瘤微环境的关键调控作用，近年来受到广泛关注。研究发现，它们在胰腺癌、乳腺癌和结肠癌等多种癌症中表现出显著的免疫抑制作用。基于健康、纤维化、炎症以及癌症等多种疾病状态下的11种组织的单细胞数据，构建了涵盖517个人类样本、269,899个成纤维细胞的图谱，并鉴定出20种成纤维细胞亚型，揭示了成纤维细胞未被充分认识的转录异质性，其中发现了4类具有独特表型的肌成纤维细胞亚型。通过整合空间转录组、多重免疫组化和体外实验，进一步揭示了肌成纤维细胞在肿瘤微环境中的独特免疫调控功能，为开发肿瘤微环境特异性靶向治疗策略提供了新的思路。

图10.人类跨组织成纤维细胞图谱概览

心动过缓是常见的心血管疾病之一，临床上有效的口服药物很少见。参仙升脉（SXSM）是经国家药品监督管理局许可的一种中药，但其改善人iPSC-CMs（心肌细胞）搏动的胞内分子机制并不清晰。通过中药成分解析、网络药理学分析，以及转录组、蛋白质组、代谢组的多组学联合整合分析来揭示参仙升脉通过多重靶向作用改善人源iPSC-CMs搏动的分子机制：SXSM增加人源iPSC-CMs的细胞内钙循环和细胞内钙，并加速兴奋性收缩偶联，同时，SXSM通过充分调动糖酵解途径、氨基酸代谢和脂肪酸β-氧化来促进TCA循环和氧化磷酸化，从而更好地为人源iPSC-CMs供能。

图11. 参仙升脉对人iPSC-CMs钙相关信号通路的验证

进化是植物性状遗传多样性和适应生存环境的基础，而基因变异是物种进化的源动力。随着后基因组时代高通量技术的发展和应用，在DNA、RNA、蛋白等多个层面产生了大量的植物组学数据，为深入研究植物基因变异和物种进化机制提供了丰富的实验资源。由于不同来源的多组学数据具有规模大、维度高、噪音大、异质性强等特点，给数据的有效整合和植物进化研究造成了极大的障碍。通过研发用于植物多组学数据跨物种比较和进化研究的IPOP平台，涉及苔藓、单子叶和双子叶三大类植物物种，收录了包括群体基因组、三维基因组、染色质可及性、转录组、DNA修饰、RNA修饰、组蛋白修饰等多维度的组学数据，采用统一标准化的流程对组学特征进行质量控制和整合分析，并对基因的进化起源、复制事件、同源关系等多种进化特征进行了系统的注释。

图12.IPOP平台架构

水稻（Oryza stativa）是全球最重要的粮食作物之一，冷胁迫严重影响水稻的各种生理过程，抑制其生长发育和产量。可变剪接（Alternative splicing，AS）是真核生物中重要的转录后调控机制，能够让基因转录产生的前体mRNA形成多种结构不同的成熟mRNA。已报道 AS 调节许多非生物胁迫反应从而提高植物抗逆性。基于11种籼粳稻材料在冷胁迫下的转录组数据（Iso-Seq和RNA-Seq）构建了水稻泛转录组，表征不同水稻品种的冷响应转录调控景观，发现籼稻和粳稻的转录组在冷处理后期表现出明显的差异。进一步利用水稻冷胁迫泛转录组数据，构建了冷胁迫下水稻基因的共表达网络，确认了OsCATC和Os03g0701200两个基因可作为增强水稻耐寒性工程改良的新候选基因，同时发现低温触发了水稻大规模AS事件响应，AS是水稻应对冷胁迫的重要调控机制。

图13.水稻冷胁迫响应调控机制

石蒜科植物作为传统中药材，分布广泛且资源丰富，具备多种重要的食用、观赏及药用价值。这类植物富含大量生物碱类化学成分，尤其是石蒜碱和加兰他敏。这两种生物碱的合成受到多种基因的调控，例如编码4'-O-甲基降孤挺花啶转移酶（N4OMT）、乙醛脱氢酶（ALDH）和苯丙氨酸解氨酶（PAL）的基因。对不同产地种质资源材料中生物碱含量变化的分子响应进行研究，将有助于在基因和分子层面上优化生长条件，从而提升生物碱的产量和效果，同时也将为解析生物碱的生物合成途径及其发育机制提供新的视角和思路。转录组、代谢组和生态动力多组学分析揭示了不同产地忽地笑生物碱含量变化的分子响应，加兰他敏及其相关编码基因N4OMT的含量与植物酶COM呈正相关，表明特定酶活性与生物碱合成之间存在联系。

图14. 利用KO基因和KEGG模块对DEGs和DEMs进行联合分析

长链非编码RNA（lncRNA）与多种人类癌症密切相关，可能为癌症诊断和治疗提供巨大的潜在生物标志物。然而，大多数 lncRNA 在结直肠癌 (CRC) 中的异常表达仍然难以捉摸。通过转录组和代谢组分析揭示了长链非编码RNA（lncRNA）ABHD11-AS1在结直肠癌（CRC）中的重要作用及其分子机制，转录组分析发现ABHD11-AS1在CRC组织中表达上调，并与患者的不良预后密切相关。功能研究表明，ABHD11-AS1能够抑制细胞的铁死亡，并促进结直肠癌细胞的增殖和迁移。代谢组分析发现沉默ABHD11-AS1会增加细胞内的铁离子浓度和丙二醛（MDA）水平，这表明ABHD11-AS1可能通过影响铁死亡相关代谢途径来促进CRC的发展。

图15. ABHD11-AS1敲除后不同表达基因的热图及相关蛋白表达情况

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