SCLS | 山西大学/南方科技大学研究团队从单细胞视角破译硫化氢信号在大白菜中的“细胞语言”

一个气体分子如何让整片叶子“统一行动”？不同细胞如何“听懂”同一个信号？近日，山西大学生命科学学院金竹萍教授/裴雁曦教授团队与南方科技大学生命科学学院龙艳萍研究副教授/翟继先教授团队合作，在国际知名期刊Science China Life Sciences发表题为Single-nucleus RNA sequencing reveals a spatiotemporal pattern of H2S signaling in Chinese cabbage的研究论文。用单细胞核测序技术给出了答案——从单细胞视角破译H2S的“细胞语言”，在大白菜中打通了基础研究与抗旱育种的新路径。

为什么是大白菜？

大白菜（Brassica rapa L. ssp. pekinensis）是我国乃至亚洲蔬菜供应中的“主力军”。然而，随着气候变化加剧，干旱等极端环境频发，严重威胁其产量和品质。植物如何感知并响应环境胁迫，一直是科学家关注的核心问题。硫化氢（H2S）作为继NO和CO之后的第三种气体信号分子，已被证实能帮助植物应对干旱、盐胁迫、重金属等多种逆境。但一个关键问题始终未解：H2S信号如何在复杂的叶片组织中，实现从局部到整体的精确协调？

单细胞视角下的H2S “指挥图谱”

研究团队以21天龄大白菜为材料，在生理浓度H2S熏蒸0、0.5、6、24小时后取叶片，利用10× Genomics平台进行snRNA-seq分析。共鉴定出18个转录不同的细胞簇，对应表皮细胞、叶肉细胞等9种主要叶细胞类型。其中，一个名为Cluster 4的细胞群被H2S显著诱导，高表达植物免疫相关基因（如WRKY33、MKK4）。经原位杂交验证，这是一个应激响应型叶肉细胞亚群，说明H2S信号在防御响应中有明确的“前线部队”。

图1 H2S熏蒸大白菜叶片的单细胞转录组图谱

时间×空间：H2S的双维度调控

差异表达分析显示，外源H2S显著诱导基因上调，在6小时达到峰值。更有趣的是时序特征：H2S处理0.5小时时茉莉酸生物合成相关基因快速响应，而24小时时水杨酸通路相关基因才广泛激活。这说明H2S信号具有精细的时序调控能力。从空间上看，叶肉细胞和表皮细胞对H2S的响应最强，超过40%的上调基因在至少两种细胞类型中被共同诱导。更令人兴奋的是，一些原本只在特定细胞中表达的基因，经H2S处理后表达范围显著扩展。换句话说，H2S信号从时间和空间两个维度共同指挥基因的转录重编程，帮助植物实现快速、协调的防御应答。

图2 H2S诱导基因的全局转录重编程

两个关键基因，两条抗旱通路

研究团队进一步验证了两个具有典型时空动态表达模式的H2S响应基因。第一个是BrHSP23.6，编码热激蛋白。正常条件下，该基因仅在保卫细胞中高表达；H2S处理后，其表达扩展至所有细胞类型。它通过维持光合系统稳定性等非气孔因素增强大白菜抗旱性。更有意思的是分子机制：H2S能诱导BrHSP23.6发生过硫化修饰。但该蛋白不含经典的修饰位点——半胱氨酸，而是含有6个甲硫氨酸。这提示甲硫氨酸可能是H2S过硫化修饰的新潜在位点，为长期悬而未决的科学问题提供了初步实验依据。

图3 H2S增强植物抗旱性部分依赖于BrHSP23.6

第二个基因是BrNTF2，编码核转运因子2。该基因原本仅存在于应激响应型叶肉细胞亚群（Cluster 4），H2S处理后其表达扩展至几乎所有细胞类型，尤其在6小时和24小时极为明显。与BrHSP23.6不同，BrNTF2主要通过调控气孔运动影响抗旱性。沉默该基因后，H2S诱导的气孔关闭效应显著减弱，证明它是H2S信号增强抗旱性的必要参与者。一个通过非气孔途径，一个通过气孔途径——两个基因协同作用，反映了H2S信号增强植物抗旱性的双重调控机制。

图4 H2S通过BrNTF2增强植物抗旱性

更广的意义：从大白菜到整个植物界

研究还发现，H2S信号特异调控富硫化合物的合成与硫代谢通路，为后续机理研究提供了新方向。更重要的是，该研究创造性地提出：H2S信号以时空特异性方式，通过“全局协调的转录重编程”模式介导植物快速协调防御。鉴于H2S生物合成和信号组分的保守性，这一调控模式可能在植物界具有普遍意义。研究团队已将数据上传至国家生物信息中心（项目编号：PRJCA039764），并开发了在线数据浏览器（https://zhailab.bio.sustech.edu.cn/H2S_brassica），为全球研究者提供宝贵的单细胞转录组资源。

该研究依托特色植物资源研究与利用山西省重点实验室和南方科技大学生命科学学院共同完成。山西大学生命科学学院金竹萍教授和裴雁曦教授、以及南方科技大学研究副教授龙艳萍为论文的共同通讯作者。山西大学已毕业博士研究生张娇和南方科技大学已出站博士后陈阳为论文共同第一作者。翟继先教授和陈丽梅教授为本研究提供了指导，南方科技大学已毕业博士研究生刘波、秦雨薇，山西大学硕士研究生栾玥以及本科生尹禾、刘纹琪参与了该项研究工作。该研究获得了国家自然科学基金、广东省自然科学基金和中国博士后科学基金等项目的资助。

文章链接：

https://doi.org/10.1007/s11427-025-3306-6