最完整植物單細胞圖譜解開葉片衰老“密碼”

植物的衰老往往伴隨著新生。在衰老過程中，葉片并非簡單地枯萎掉落，而是悄悄進行一場資源大轉(zhuǎn)移，將積累的碳、氮等營養(yǎng)物質(zhì)分解，轉(zhuǎn)運到花朵、果實甚至根部，“犧牲”自己，換來果實的茁壯成長。

在葉片衰老過程中，植物細胞如何進行時空協(xié)調(diào)？哪些關鍵基因參與了調(diào)控？一項近日發(fā)表于《細胞》的研究為這些問題提供了答案。來自武漢華大生命科學研究院、華大生命科學研究院基因組多維解析技術全國重點實驗室、南方科技大學等單位的研究人員，利用單細胞組學技術和時空組學技術，構(gòu)建了迄今植物取樣階段最全、數(shù)據(jù)量最大的單細胞圖譜，揭示了葉片衰老的關鍵分子機制。

破解葉片衰老的“分子密碼”

為了揭示葉片的衰老過程，研究團隊基于華大自主研發(fā)的單細胞組學技術DNBelab C4和時空組學技術Stereo-seq，獲得了覆蓋擬南芥各組織全生命周期關鍵階段共計20個組織樣本的913769個高質(zhì)量單細胞核轉(zhuǎn)錄組，構(gòu)建了迄今植物取樣階段最全、數(shù)據(jù)量最大的單細胞圖譜，并鑒定出38種細胞類型。

“基于這一圖譜，我們解析了衰老過程中的關鍵細胞類型和基因的動態(tài)變化，對植物葉片的衰老狀態(tài)進行了精準量化?！闭撐牡谝蛔髡?、武漢華大生命科學研究院植物多維組學與農(nóng)業(yè)應用專項科學家郭興介紹。

他們篩選出1856個核心衰老相關基因和1875個年輕相關基因，創(chuàng)新性提出“衰老指數(shù)”（SAG-index）和“年輕指數(shù)”（YAG-index），通過分析不同階段葉片中的基因轉(zhuǎn)錄表達量差異，評估每個細胞的衰老程度，實現(xiàn)了在單細胞分辨率下對葉片衰老狀態(tài)的定量評估。

“該研究所鑒定的許多關鍵基因為我們提供了潛在的分子靶標。這些基因中有些可能在水稻、小麥等作物中同樣發(fā)揮作用，未來若通過分子育種手段加以調(diào)控，有望培育出葉片衰老節(jié)律優(yōu)化、養(yǎng)分再分配效率更高的作物新品種。”朱玉賢評價道。

高效運行的營養(yǎng)物質(zhì)“運輸網(wǎng)”

碳和氮是植物的重要養(yǎng)分，主要儲存在葉片、莖干、根系等組織中。那么，葉片衰老過程中，碳、氮這些營養(yǎng)物質(zhì)到底是如何輸送和分配的？

科研團隊發(fā)現(xiàn)，葉片衰老過程中，營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)移涉及一個復雜的碳氮“運輸系統(tǒng)”。他們發(fā)現(xiàn)一些關鍵的基因充當了“搬運工”，比如糖轉(zhuǎn)運蛋白SWEET、SUC/STP家族中的基因負責將糖從葉片輸送到花朵和果莢，或者參與糖的回收；氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白UmamiT、AAAP家族基因則負責將氨基酸從葉片輸送到其他部位，或?qū)⑵浠厥盏饺~片中。

未來，隨著更多植物單細胞圖譜的構(gòu)建和多組學數(shù)據(jù)的融合，有望對植物葉片衰老形成更加系統(tǒng)、精確的理解，并為作物育種和栽培管理提供理論支持。”中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心研究員王佳偉說。

“該研究不僅增進了我們對植物營養(yǎng)分配策略的理解，也為優(yōu)化作物養(yǎng)分利用效率、推動綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了重要理論依據(jù)，從單細胞層面系統(tǒng)解析了植物發(fā)育與環(huán)境適應機制，為植物科學領域帶來了新的研究范式和應用前景?！惫d表示。