重磅！我国植物领域再发《Cell》

2025年4月11日，南方科技大学生命科学学院讲席教授郭红卫课题组联合武汉华大生命科学研究院在顶级学术期刊Cell在线发表题为“An Arabidopsis single-nucleus atlas decodes leaf senescence and nutrient allocation”的研究论文，构建了模式生物拟南芥全生命周期单细胞转录组图谱，并创新性地从单细胞水平上解析了叶片衰老进程，描绘了碳/氮的源库转运图景。

植物的衰老是一个高度有序的生物学过程，涉及多个细胞、组织和器官间的整体调控及营养物质的运输和再分配，对于植物的生长、繁殖及应对多变环境至关重要。在衰老过程中，植物通过降解叶绿体、蛋白质等大分子物质，将碳/氮等重要营养元素从源器官（叶）转运至库器官（根、花、果实和种子等）中，以维持植物的正常生长发育和繁殖过程。植物衰老的起始（onset）和进程（progression）受到多种内外因素的调控，包括植物的生长阶段、植物激素和外界刺激等。在合适的时候启动衰老与植物对复杂环境的适应息息相关。适当延缓植物衰老可有效提高农作物产量和品质。尽管多个物种中已鉴定并解析了大量衰老相关基因（senescence-associated genes, SAGs），但植物如何整合发育阶段和环境信号以启动衰老，并通过多器官-多细胞类型协同调控衰老和营养转运，仍存在诸多未知。因此，深入解析植物衰老过程中的关键调控网络，挖掘重要的衰老相关基因资源，对于精准调控植物生长发育进程，提高农作物的产量和品质具有重要的理论价值和应用前景。

研究团队采用单核转录组测序技术对覆盖拟南芥整个生命周期的20个关键组织样品进行了测序分析，构建了超百万细胞核的高分辨率全图谱。通过整合已有遗传标记信息，对单个组织及跨多发育时期分析中鉴定到的539个细胞群进行了系统的注释，最终明确了38种细胞类型。进一步的，研究团队通过跨发育时期细胞类群及关键基因的表达变化分析，揭示了重要细胞类型的发育动态；通过对多器官中保守细胞类型的表达谱进行比较分析，构建了跨器官保守性和器官特异性的转录因子调控网络。这些高质量的单核转录图谱为后续研究提供了重要的基础和宝贵的资源。

接下来，研究团队利用6个连续发育时期叶片的单核转录组数据，发现叶片中的三类主要细胞类型（表皮细胞，EPI；叶肉细胞，MES；维管细胞，VAS）在衰老过程中具有高度的整体协同性和不同细胞间的异质性，并基于此创新性地提出了单细胞水平量化细胞衰老状态的指标：SAG-index和YAG-index。SAG-index和YAG-index分别是根据在三类主要细胞中发育后期高表达的衰老相关基因（senescence-associated genes，SAGs）及在发育早期高表达的年轻相关基因（youth-associated genes，YAGs）计算得到的。基于SAG-index和YAG-index，研究团队成功在单细胞水平对叶片衰老状态进行了量化，并对衰老的起始和进程进行了划分。通过对已发表常规转录组数据的分析，进一步验证了这两个指标可用来反映多器官的发育、细胞的分化及对胁迫条件的响应，在其它植物物种中也同样适用。这些重要的成果将植物衰老研究提升到了单细胞水平，为后续从多维度解析衰老相关分子机制提供了强有力的理论支持。

基于上述衡量细胞衰老状态的SAG-index和YAG-index，研究团队进一步地通过共表达网络分析，对叶片衰老调控网络进行了解析，鉴定到多个与衰老显著相关的模块，以及大量与衰老相关的新基因。这些基因与已知功能的SAGs存在明显的共表达趋势，可能通过复杂的调控网络共同调控叶片的衰老进程。通过对部分基因突变体的表型分析、叶绿素含量测定及标记基因表达水平的检测，研究团队系统性验证了叶片衰老调控网络。对衰老调控网络的解析将为衰老相关领域的研究提供重要的基因资源和研究思路。

营养的运输和分配是植物衰老过程中的重要环节，对于维持植物的正常生长发育和繁殖至关重要。基于拟南芥单细胞全图谱，研究团队通过对碳氮营养运输转运家族基因表达模式的分析，描绘了不同器官和细胞类型中碳/氮营养在源器官和库器官中的转运图景，并对关键转运蛋白进行了遗传和分子验证。研究发现在叶片和库器官中均存在细胞类型特异性表达的转运蛋白基因，如SWEET家族和SUC家族分别在韧皮部薄壁细胞（Phloem parenchyma，PP）和筛管伴生细胞（companion cell，CC）中特异性表达，负责将糖从叶片运输到花和果荚；STP家族在非CC细胞中特异性表达，可能参与糖的回收；UmamiT家族在衰老阶段的PP细胞中特异性表达，负责将氨基酸从叶片输出；AAAP家族在CC细胞中表达，负责从细胞间隙吸收氨基酸。这些研究结果揭示了植物在叶片衰老过程中碳和氮营养重分配的复杂机制，为理解植物营养分配提供了重要的分子基础。

综上所述，研究团队利用单核测序技术构建了覆盖拟南芥全生命周期的表达图谱，为植物功能研究提供了重要的转录组资源，同时创新性地将植物衰老研究提升到单细胞水平，为解析关键衰老调控网络和精准调控植物性状提供了重要的理论支持，也为单细胞测序在植物科学领域的研究提供了新的研究范式和应用前景。

郭红卫教授，华大生命科学研究院研究员徐讯、刘欢为论文共同通讯作者。郭红卫课题组高级工程师王益川博士、研究助理教授严维博士，武汉华大生命科学研究院郭兴博士、赵彩耀博士、谈聪博士为论文共同第一作者。郭红卫课题组张丹、彭旸、裘喻平、彭滔、张易等也参与了研究。本研究得到 “生物育种-国家科技重大专项” 、国家自然科学基金、腾讯“新基石研究员项目”等资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.03.024

来源： 南方科技大学