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移，將積累的碳、氮等營養物質分解，轉運到花朵、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調？哪些關鍵基因參與了調控？一項近日發表于《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，構建了迄今植物取樣階段最全、數據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個高質量單細胞核轉錄組，構建了迄今植物取樣階段最全、數據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變化，對植物葉片的衰老狀態進行了精準量化。”論文第一作者、武漢華大生命科學研究院植物多維組學與農業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，創新性提出“衰老指數”（SAG-index）和“年輕指數”（YAG-index），通過分析不同階段葉片中的基因轉錄表達量差異，評估每個細胞的衰老程度，實現了在單細胞分辨率下對葉片衰老狀態的定量評估。

“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揮作用，未來若通過分子育種手段加以調控，有望培育出葉片衰老節律優化、養分再分配效率更高的作物新品種。”朱玉賢評價道。

高效運行的營養物質“運輸網”

碳和氮是植物的重要養分，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、氮這些營養物質到底是如何輸送和分配的？

科研團隊發現，葉片衰老過程中，營養物質的轉移涉及一個復雜的碳氮“運輸系統”。他們發現一些關鍵的基因充當了“搬運工”，比如糖轉運蛋白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，或將其回收到葉片中。

未來，隨著更多植物單細胞圖譜的構建和多組學數據的融合，有望對植物葉片衰老形成更加系統、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分配策略的理解，也為優化作物養分利用效率、推動綠色農業發展提供了重要理論依據，從單細胞層面系統解析了植物發育與環境適應機制，為植物科學領域帶來了新的研究范式和應用前景。”郭興表示。