與動物不同，植物衰老的過程往往伴隨著新生：葉片并非簡單地枯萎掉落，而是悄悄地進行著一場資源大轉移，將自己積累的碳、氮等營養物質分解，并轉運給花朵、果實甚至根部。這不僅是植物衰老的自然過程，更是一場“精心策劃”的資源調配。這場葉片的“最后一役”需要各種細胞復雜的時空協調和關鍵基因的精確調控。4月11日，武漢華大生命科學研究院聯合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，利用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，在單細胞水平上成功解密了擬南芥葉片衰老的過程，相關研究成果在線發表于國際頂級學術期刊《細胞》（Cell）。
定量評估葉片細胞衰老
長久以來，如何對植物葉片衰老狀態進行精準量化，一直是植物發育生物學的一大難題。
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的共計20個組織樣本的913769個高質量單細胞核轉錄組，構建了迄今為止植物取樣階段最全、數據量最大的單細胞圖譜（也包括針對每個組織的單細胞圖譜），并鑒定出38種細胞類型。基于這一圖譜，研究團隊解析了衰老過程中的關鍵細胞類型和基因的動態變化，并通過對多個組織中共有細胞類型的跨器官比較，揭示了器官保守性和特異性的轉錄因子調控網絡。
本研究中，研究人員篩選出了1856個核心衰老相關基因和1875個年輕相關基因，并創新性地提出了“衰老指數”（SAG-index）和“年輕指數”（YAG-index）。通過分析不同階段葉片中這些基因的轉錄表達量差異，研究人員得以評估每個細胞的衰老程度，實現了對葉片衰老狀態在單細胞分辨率下的定量評估。基于衰老指數和年輕指數，研究團隊構建了葉片發育的共表達基因調控網絡，篩選出若干關鍵節點基因，這些基因可能在衰老過程中發揮重要作用。這一創新性工具不僅為深入解析植物衰老的分子機制提供了有力支撐，還為監測和調控植物衰老進程開辟了新途徑。
揭秘碳氮營養運輸網
在葉片衰老過程中，營養物質的轉移涉及一個復雜的碳氮“運輸系統”。研究團隊發現，糖轉運蛋白SWEET和SUC/STP家族中一些關鍵的基因在葉片維管組織的韌皮部薄壁細胞和篩管伴胞等特定細胞中特異性表達，這些基因將糖從葉片運輸到花朵和果莢，或者參與糖的回收。類似地，氨基酸轉運蛋白UmamiT和AAAP家族基因的表達也在韌皮部薄壁細胞中展現出了較高的細胞類型特異性，負責將氨基酸從葉片傳送到其他部位，或將其回收到葉片中。
研究團隊同時發現跨器官的碳氮分配也表現出類似的細胞類型特異性。在根、莖、花和果莢等器官中，特定的碳和氮轉運蛋白組合在營養物質的運輸、回收和重分配中起著重要作用。這些研究結果揭示了植物在葉片衰老過程中如何高效轉運碳、氮營養，為理解植物營養分配機制提供了重要的分子基礎。
綜上所述，研究團隊利用單細胞和時空組學技術構建了覆蓋擬南芥全生命周期的表達圖譜，為植物衰老機制研究提供了重要的數據資源，同時創新性地將植物衰老研究聚焦到單細胞水平，揭示了碳氮轉運在器官衰老過程中的關鍵作用。
文 | 記者 林園
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