Plant Cell | 林盈仲/麦德伦/陈盈岚/帅鹏利用单细胞与空间多组学揭示裸子植物杉木的木质部发育规律

木质部作为地球上最庞大的生物量，其形成依赖于种子植物特有的次生生长。种子植物中的次生木质部由两个系统组成：径向系统（向内和向外生长）和轴向系统（向上和向下生长）。裸子植物和被子植物是种子植物中两个演化支系。它们的径向系统均由射线薄壁组织细胞（ray parenchyma cell）构成。在轴向系统中，被子植物由导管分子（vessel element）和韧型纤维（libriform fiber）组成分别执行水分运输和机械支撑的功能，而裸子植物仅含有的管胞（tracheid）能够同时执行这两种功能。近期在被子植物中的两项研究，通过单细胞RNA测序发现被子植物中轴向系统在的发育谱系存在两种变异（真双子叶类和木兰类），而射线薄壁组织细胞的径向发育谱系则是保守的。而裸子植物木质部的发育仍有待破解，它的发育程序是否与被子植物一致还是不一样？这些是植物学家对于木质部发育致力探索的未知谜团。

近日，台湾大学林盈仲教授与麦德伦助理教授、成功大学陈盈岚副教授、福建农林大学帅鹏副教授共组合作团队在The Plant Cell期刊发表了题为Single-cell and spatial omics reveal progressive loss of xylem developmental complexity across seed plants的研究论文，利用单细胞与空间多组学揭示了裸子植物杉木的木质部发育规律。

该研究成功获得裸子植物杉木的木质部原生质体细胞并建立了单细胞的转录组(scRNA-seq)图谱。通过单细胞分析软件（Seurat和scVI）与团队先前发表的四个被子植物的木质部scRNA-seq结果比较，包括鹅掌楸（木兰类）、昆栏树（基部真双子叶类）、毛果杨与桉树（核心真双子叶类），研究揭示了径向系统在种子植物中是保守的，而杉木的轴向系统则展现出复合谱系结构，兼具真双子叶植物和木兰类植物的特征。为验证这些轨迹，团队建立了一个整合空间转录组学、空间蛋白质组学和空间代谢组学的多模态空间框架。这三个空间层面提供了正交证据，共同证实了细胞类型身份和轨迹推断的可靠性。除此之外，研究还发现杉木存在特有的细胞群体（见下图红色细胞群体）。透过转录组相似性分析木质部细胞发育谱系显示，这些杉木特有的细胞类型主要源自代表导管分子的细胞群体，但分化程度高于导管分子。进一步通过分析杉木特有细胞的基因表达模式，发现杉木特有细胞群体由直系同源基因的差异表达模式产生，它们表现出木质部发育晚期的保守功能特征。

综上，该研究通过单细胞转录组与空间多组学等平台，系统性揭示了裸子植物中更为复杂的祖先木质部结构，并提出从裸子植物到被子植物的轴向发育程序存在渐进式简化，这一发现揭示了种子植物维管发育遵循简化进化的轨迹，为理解木质部发育提供了新视角。

原文连接：

https://doi.org/10.1093/plcell/koaf253