植物衰老的过程往往伴随着新生:当衰老过程启动时,叶片并非简单地枯萎掉落,而是悄悄地进行着一场“资源大转移”,将自己积累的碳、氮等营养物质分解,并转运给花朵、果实,甚至根部,用“牺牲”自己,换来果实的茁壮成长。4月11日,一项最新的研究成果发表于国际顶级学术期刊《细胞》(Cell),揭秘叶片的“最后一役”。
这项研究由武汉华大生命科学研究院联合华大生命科学研究院基因组多维解析技术全国重点实验室、南方科技大学等单位进行。研究团队利用华大自主研发的单细胞组学技术DNBelab C4和时空组学技术Stereo-seq,构建了迄今为止植物取样阶段最全、数据量最大的单细胞图谱,在单细胞水平上成功解密了拟南芥叶片衰老的过程。
研究成果论文截图。
植物的生命时钟。图片版权:华大生命科学研究院
据介绍,研究团队获得了覆盖拟南芥各组织全生命周期关键阶段的、共计20个组织样本的913769个高质量单细胞核转录组,构建了单细胞图谱,并鉴定出38种细胞类型。基于这一图谱,研究团队解析了衰老过程中的关键细胞类型和基因的动态变化,并通过对多个组织中共有细胞类型的跨器官比较,揭示了器官保守性和特异性的转录因子调控网络,为后续叶片的衰老研究奠定了基础。
拟南芥单细胞图谱。
长久以来,如何对植物叶片衰老状态进行精准量化,一直是植物发育生物学的一大难题。在这项研究中,研究人员创建了叶片衰老量化指标。具体而言,他们筛选出了1856个核心衰老相关基因和1875个年轻相关基因,并提出了“衰老指数”(SAG-index)和“年轻指数”(YAG-index)。通过分析不同阶段叶片中这些基因的转录表达量差异,研究人员得以评估每个细胞的衰老程度,实现了对叶片衰老状态在单细胞分辨率下的定量评估。
基于衰老指数和年轻指数,研究团队构建了叶片发育的共表达基因调控网络,筛选出若干关键节点基因,这些基因可能在衰老过程中发挥重要作用。这一创新性工具不仅为深入解析植物衰老的分子机制提供了有力支撑,还为监测和调控植物衰老进程开辟了新途径。
衰老指数和年轻指数定量叶片衰老状态。
此外,研究团队还揭秘了碳氮营养运输网,为理解植物营养分配机制提供了重要的分子基础。
叶片和生殖器官中碳、氮的动态源库分配。
论文第一作者、武汉华大生命科学研究院郭兴博士表示:“该研究不仅增进了我们对植物营养分配策略的理解,也为优化作物养分利用效率、推动绿色农业发展提供了重要理论依据,从单细胞层面系统解析了植物发育与环境适应机制,为植物科学领域带来了新的研究范式和应用前景。”
“我们对植物衰老和养分再分配的认识至今仍然主要停留在组织或整体层面。借助单核转录组测序技术,华大研究院携手南科大郭红卫团队提供了一份前所未有的‘细胞分辨率’图谱,对不同细胞类型在叶片衰老过程中的分子特征进行了单细胞水平的量化。”中国科学院院士、武汉大学教授、武汉大学高等研究院院长朱玉贤评价道,这个图谱填补了植物整个生命周期跨组织单细胞基因表达图谱的空白,具有巨大的资源价值。
武汉华大生命科学研究院郭兴博士、赵彩耀博士、谈聪博士,南方科技大学王益川博士、严维博士为论文共同第一作者。华大生命科学研究院基因组多维解析技术全国重点实验室徐讯研究员、刘欢研究员,南方科技大学郭红卫教授为论文共同通讯作者。本研究得到了基因组多维解析技术全国重点实验室、 “生物育种-国家科技重大专项” 、国家自然科学基金、新基石研究员项目等基金的资助。
(除特别标注外,本文图片来自《细胞》官网)
编辑 钟诗婷 审读 张蕾 二审 李怡天 三审 江晓蚕