突破瓶颈！中科院分子植物卓越中心最新《Cell》

得益于双子叶模式植物拟南芥和单子叶模式植物水稻的遗传学研究，植物发育生物学在过去40年取得了长足的发展。植物分生组织（干细胞）的建立与维持机制、重要组织和器官的分化轨迹及其核心调控网络已初步建立。这些基础知识为作物农艺性状的分子调控解析与设计改造奠定了良好的基础。然而，随着正向遗传学筛选的日趋饱和，基因功能的冗余性逐渐成为植物新基因挖掘的巨大障碍。

2025年8月18日，国际学术期刊Cell在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心、植物高效碳汇重点实验室（中国科学院）王佳伟研究组题为“A unified cell atlas of vascular plants reveals cell-type foundational genes and accelerates gene discovery”的研究论文。该论文通过突破植物单细胞转录组测序底层技术难点，绘制世界上首张维管植物（vascular plants）整合细胞图谱。通过系统鉴定维管植物各类细胞的底层基因（cell-type foundational gene），突破了基因高效挖掘的瓶颈，为植物发育生物学研究提供了一个全新的研究范式。

研究内容

王佳伟研究组首先利用单细胞转录组测序（scRNA-seq）技术，绘制了涵盖维管植物六大主要类群的单细胞图谱。这项工作面临巨大挑战，主要体现在两个方面：首先，许多植物，尤其是它们的地上部分组织和器官，其高质量单细胞（原生质体）制备难度大；其次，很多植物，特别是蕨类植物和裸子植物，其基因组庞大且相关测序尚未完成，这限制了这些植物单细胞图谱的数据分析。为了解决这些问题，王佳伟研究组在技术方法上进行了创新，开发了高效的原生质体制备技术（DOI: 10.1101/2025.1103.1104.641200v641201），并建立了一套无需参考基因组即可进行单细胞转录组数据分析的流程（图1），从而大大扩展了适合进行单细胞转录组测序的目标植物范围。

图1. 本研究建立了无参考基因组的植物单细胞转录组测序数据分析流程（WRT）。在模式植物拟南芥中，该流程得出了细胞图谱与基于参考基因组的结果（WRG流程）在图谱拓扑结构（A），每个cluster的标记基因（B和C），细胞类群和cluster相似性（D和E）上都具有很高的一致性。

基于这两项技术突破，王佳伟研究组成功绘制了来自石松类植物（石松和银边卷柏）、蕨类植物（肾蕨）及裸子植物（油松）的四张全新单细胞图谱，并在此基础上实现了维管植物的整合单细胞图谱的构建（图2）。值得一提的是，维管植物的起源可以追溯到约四亿年前，因此，这张整合细胞图谱是目前已知的跨越演化时间最大的植物整合单细胞图谱。

接下来，王佳伟研究组通过四个应用场景证明了该整合细胞图谱的独特优势和重要性（图2）。首先，他们在蕨类和裸子植物中发现了以前从未发现的新细胞类型，即韧皮部中的类伴胞细胞（companion cell-like cells）。其次，基于跨物种保守性和基因表达模式相似性，首次揭示了维管植物各类细胞的底层基因集。尤为重要的是，已知的拟南芥各类细胞类型的关键调控基因大部分都可以在这个底层基因集中找到。此外，研究团队通过两个案例证明维管植物底层基因集的发现能够有效应对当前基因挖掘中的瓶颈问题，高效发现全新的发育基因。最后，他们以各类细胞底层基因集为参考，开发了一个维管植物通用的细胞类型自动化注释工具（automated cell-type annotation tool），能够在短时间内对一个未知图谱进行初步注释。

综上，这些研究成果不仅在植物单细胞转录数据分析技术和资源（图谱）方面取得了显著进展，而且揭示了全新的生物学现象并挖掘出新的发育基因，为最终建立植物泛细胞图谱（Plant Cell Atlas），实现植物发育生物学复兴奠定了坚实的基础。

图2. 本研究通过构建六种系统发育关键支系代表植物的幼嫩茎叶单细胞转录组图谱，填补了单细胞研究在部分植物类群中的空白。为克服跨物种注释的挑战，结合RNA原位杂交技术（RISH）对未注释类群的图谱进行系统验证，确保了细胞图谱的准确性。进一步采用SAMap与SATURN算法进行整合分析，首次实现了大尺度跨物种图谱的系统性对齐与比较。两种算法的互补性分析，辅以RNA smFISH实验验证，揭示了不同植物间高度保守的细胞类型，并发现了以往未被报道的细胞群体相似性。基于整合图谱，计算鉴定了多个细胞类型的底层核心基因集，并在拟南芥茎尖组织中构建了基因调控网络（GRN），从系统水平验证了这些基因在细胞命运决定中的核心作用。随后，突变体的表型分析不仅验证了底层基因的重要生物学功能，更提示该基因集可用于挖掘未知的关键调控因子。最后，本研究基于底层基因集，开发了两套高效、可推广的细胞图谱注释策略，并构建了用户友好的在线分析工具（http://shoot.plantcellatlas.com），以促进植物单细胞研究的标准化和数据共享。这一工作为植物进化发育生物学和功能基因组学研究提供了重要的理论支持和技术平台。

相关信息

中国科学院分子植物科学卓越创新中心博士研究生薛皓晨、徐洲更博士和博士研究生刘玉洁为论文的共同第一作者，王佳伟研究员为通讯作者。南宁师范大学王爱华教授、中国科学院西双版纳植物园陈江华研究员、北京林业大学张金凤教授提供了宝贵的植物材料。该研究得到了“农业生物育种”重大项目、新基石研究员项目、国家自然科学基金委基础科学中心项目、中国科学院B类先导项目以及腾讯科学探索奖的资助。

王佳伟研究组合影