武漢華大生命科學研究院聯(lián)合多家單位，利用自主研發(fā)的單細胞組學技術(shù)DNBelab C4和時空組學技術(shù)Stereo-seq，在單細胞水平上成功解析了擬南芥葉片衰老的過程。這項研究成果以題為“An Arabidopsis single-nucleus atlas decodes leaf senescence and nutrient allocation”發(fā)表在國際頂尖學術(shù)期刊《Cell》上。

 

  植物生命周期的關(guān)鍵階段揭示

 

研究團隊基于先進的單細胞組學技術(shù)，分析了20個覆蓋擬南芥全生命周期關(guān)鍵階段的組織樣本，共獲得了913,769個高質(zhì)量的單細胞核轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，構(gòu)建了迄今為止植物領(lǐng)域取樣階段最全、數(shù)據(jù)量最大的單細胞圖譜，并鑒定出了38種不同的細胞類型。這一成果不僅為理解葉片衰老機制奠定了基礎，還揭示了器官間保守性和特異性的轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控網(wǎng)絡。

 

  創(chuàng)新性的衰老量化指標

 

針對植物發(fā)育生物學中如何精準量化葉片衰老狀態(tài)的難題，研究團隊篩選出1,856個核心衰老相關(guān)基因和1,875個年輕相關(guān)基因，并提出了創(chuàng)新性的“衰老指數(shù)”（SAG-index）和“年輕指數(shù)”（YAG-index）。這些指數(shù)使得研究人員能夠?qū)γ總€細胞的衰老程度進行定量評估，從而實現(xiàn)了葉片衰老狀態(tài)在單細胞分辨率下的精確定量。此外，研究還構(gòu)建了葉片發(fā)育的共表達基因調(diào)控網(wǎng)絡，為深入研究植物衰老分子機制提供了新的工具(http://www.weberwork.com/sell/l_5/)和方法。

 

  揭示碳氮營養(yǎng)運輸(http://www.weberwork.com/sell/l_19/)網(wǎng)絡

 

研究還揭示了葉片衰老過程中復雜的碳氮“運輸系統(tǒng)”。例如，糖轉(zhuǎn)運蛋白家族SWEET和SUC/STP中的某些基因在葉片維管組織的特定細胞中表現(xiàn)出特異性表達，負責將糖從葉片轉(zhuǎn)移到花朵和果莢或參與糖的回收(http://www.weberwork.com/buy/)。同樣地，氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白UmamIT(http://www.weberwork.com/sell/l_25/)和AAAP家族基因也在韌皮部薄壁細胞中顯示出高細胞類型特異性，負責氨基酸的運輸和回收。研究表明，跨器官的碳氮分配也表現(xiàn)出類似的細胞類型特異性，這對于理解植物營養(yǎng)分配機制具有重要意義。

 

   研究的意義與展望

 

論文第一作者郭興博士指出，該研究不僅增進了我們對植物營養(yǎng)分配策略的理解，也為優(yōu)化作物養(yǎng)分利用效率、推動綠色農(nóng)業(yè)(http://www.weberwork.com/sell/l_33/)發(fā)展提供了重要的理論依據(jù)。通過單細胞層面系統(tǒng)解析植物發(fā)育與環(huán)境適應機制，本研究為植物科學領(lǐng)域帶來了新的研究范式和應用前景。

 

該研究由武漢華大生命科學研究院、華大生命科學研究院基因組多維解析技術(shù)全國重點實驗室及南方科技大學等單位共同完成，得到了多項基金的支持。這標志著在植物科學領(lǐng)域，尤其是在理解植物衰老機制方面取得了重要進展，為未來的研究開辟了新的道路。