Nature Plants | 邓兴旺/何航解析植物单细胞水平光信号调控机制

2023年10月30日，北京大学现代农业研究院邓兴旺院士和何航研究员团队在NaturePlants在线发表题为Time Series Single-Cell Transcriptional Atlases Reveal Cell Fate Differentiation Driven by Light in Arabidopsis Seedlings的研究论文，首次获得了植物单细胞水平暗转光过程中基因的表达动态，解析了光信号调控网络在表皮、维管、皮层等多种细胞发育过程中的作用方式。

光是植物生长发育最重要的调控因子，不仅为植物提供能源，还作为信号因子调控植物发育的整个生活史。其中，光、暗条件下幼苗的形态建成是光信号调控植物发育最显著的表现形式：暗中生长的黄化苗具有长下胚轴，顶端弯钩和闭合的子叶；黄化苗见光后，下胚轴停止伸长，顶端弯钩打开，子叶开展变绿。光信号通过同时控制不同器官的发育快速转变为光形态建成，以更好得进行光合作用。因此，幼苗去黄化过程不仅作为研究光信号调控的模式，也是多种细胞发育过程的综合体现。

对于多细胞植物来说，不同器官、组织对光信号的响应具有极大差异。早在2005年【1】，邓兴旺实验室就利用芯片对幼苗不同器官的转录组进行光、暗相互比较，发现在根、下胚轴、子叶具有大量各自的光响应基因，奠定了光信号转录调控异质性的研究基础。在2020年【2】和2021年【3】，两个实验室都通过器官水平的RNA-Seq数据再次验证了此观点，并系统挖掘了器官特异的光调控因子。由于细胞壁的限制，单细胞转录组在植物中的应用晚于动物，因此对于光信号的异质性调控研究限制在器官/组织水平。但是，以光受体-COP/DET/FUS-转录因子为核心的光信号调控网络，如何对植物不同细胞类型实行精准调控，是科学家从未止步探索的重要基础问题；解析植物响应光信号的发育过程，也必须精确到细胞水平。因此，邓兴旺/何航团队不断尝试，完成了幼苗暗转光过程细胞发育研究，成功将光信号领域推进至单细胞水平。

该研究通过分别对持续黑暗生长5天、暗转光1小时、6小时、24小时以及持续光照生长5天处理的拟南芥幼苗地上、地下部分进行单细胞转录组测序，构建了单细胞水平暗转光时间序列表达特征，鉴定了时空特异表达基因。该研究首先发现地下部分在暗转光过程中的细胞组成及细胞状态都未产生明显变化，但地上部分细胞图谱发生了巨大转变。并且，地上部分细胞对光响应的程度也不同，维管细胞状态相对稳定，而表皮、皮层、叶肉细胞等则发生了显著的状态变化。

该研究发现在地上维管系统中，虽然在暗中和见光后维管细胞的发育轨迹类似，都是从原形成层细胞起始，通过各自轨迹发育为两类成熟细胞（导管和筛管）。但在转光1小时后，筛管发育方向的细胞比例增多。其中维管特异表达的光抑制基因集富在促进导管发育、维持稳态的调控因子；而维管特异表达的光诱导基因则富集在促进筛管发育的调控因子，包括APL基因。结合前文报道中，apl突变体中原本发育为筛管的细胞会发育为导管细胞。可以推测，幼苗见光后，原形成层细胞接受光信号，通过协调发育因子的表达精细调控维管系统的细胞组成，便于光合产物自上而下运输。

气孔发育是植物中最为经典的细胞发育模型之一，但暗中植物气孔发育受阻。该研究发现暗中保卫细胞的发育轨迹与经典模型不同，气孔拟分生细胞并未作为中间衔接状态出现在发育图谱中，推测暗中保卫细胞发育有另外的调控途径，即暗中生长的原表皮细胞见光后先转变为光下的状态，再经经典发育轨迹形成保卫细胞。该研究鉴定了光下与暗中分别发育过程的核心调控因子，为光调控气孔发育打开了全新视野。

光信号对维管与气孔细胞的发育调控

a.暗转光1小时后，筛管发育方向细胞比例增加（Pr：原形成层 DC：分裂细胞 Pa：薄壁细胞 Xy：导管 CC：筛管伴胞 SE：筛胞）；b.维管细胞中暗中高表达基因富集导管发育调控与稳定维持因子，光诱导基因富集筛管发育调控因子；c.气孔保卫细胞发育可分解为两条不同的发育轨迹（SL: Stomatal lineage）；d. 光信号对表皮细胞发育过程的调控模型。

最后，该研究对暗中生长的pifq突变体幼苗开展单细胞转录水平分析，发现PIFs基因突变导致皮层、内皮层、表皮细胞发生显著的状态转变，具有显著细胞类型特异性。在这些细胞类型中，大量光合作用基因被诱导，而生长素响应基因被抑制。研究发现PIFs基因本身不具备表达的细胞特异性，但很多PIF因子的直接靶基因具有明显的细胞类型表达偏好，因此推测光信号通过作用细胞类型特异的发育调控因子，实现对不同细胞发育过程的精准调控。

北京大学现代农业研究院韩雪博士为论文第一作者，邓兴旺院士和何航研究员为共同通讯作者。北京大学现代农业研究研究院李健研究员、王峥研究员、李博生研究员、张华伟研究员，北京大学博士生张宜林、刘艺、万苗苗，北京大学现代农业研究院潘文波博士、靳聪聪博士，科研助理娄志英、高春蕾、任子政、刘卫敏为该研究做出了重要贡献。邓兴旺实验室林晓莉博士、徐超博士、杨玫博士、魏玉晓、陈之忍、邓兆国博士等多位同门在课题进行中给予无私的帮助和支持。研究得到了国家自然科学基金重点项目、山东省自然科学基金、国家青年人才项目和北京大学博雅博士后项目支持。

参考文献

1. Ma, L. et al. Organ-specific expression of Arabidopsis genome during development. Plant Physiol.138, 80–91 (2005).

2. Burko, Y. et al. Chimeric activators and repressors define HY5 activity and reveal a light-regulated feedback mechanism. Plant Cell32, 967–983 (2020).

3. Martín, G. & Duque, P. Tailoring photomorphogenic markers to organ growth dynamics. Plant Physiol.186, 239–249 (2021).

https://www.nature.com/articles/s41477-023-01544-4