我科學(xué)家發(fā)現(xiàn)擬南芥葉片衰老“開關(guān)”

科技日?qǐng)?bào)訊 （記者羅云鵬）記者7月14日從武漢華大生命科學(xué)研究院獲悉，該院聯(lián)合南方科技大學(xué)等單位，在單細(xì)胞水平上成功解密了擬南芥葉片衰老的過(guò)程。相關(guān)研究成果日前發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》上。

研究團(tuán)隊(duì)基于自主研發(fā)的單細(xì)胞組學(xué)技術(shù)和時(shí)空組學(xué)技術(shù)，獲得涵蓋擬南芥各組織全生命周期關(guān)鍵階段的20個(gè)組織樣本，共計(jì)913769個(gè)高質(zhì)量單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)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(xì)胞圖譜，并鑒定出38種細(xì)胞類型。

基于這一圖譜，研究團(tuán)隊(duì)解析了擬南芥葉片衰老過(guò)程中的關(guān)鍵細(xì)胞類型和基因的動(dòng)態(tài)變化，并通過(guò)對(duì)多個(gè)組織中共有細(xì)胞類型的跨器官比較分析，揭示出器官保守性和特異性的轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，為后續(xù)葉片的衰老研究奠定了基礎(chǔ)。

長(zhǎng)期以來(lái)，如何精準(zhǔn)量化植物葉片衰老狀態(tài)一直是植物發(fā)育生物學(xué)領(lǐng)域的一大難題。研究團(tuán)隊(duì)篩選出1856個(gè)核心衰老相關(guān)基因和1875個(gè)年輕相關(guān)基因，并創(chuàng)新性地提出了衰老指數(shù)和年輕指數(shù)。

通過(guò)分析不同階段葉片中這些基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)量差異，研究團(tuán)隊(duì)能夠評(píng)估每個(gè)細(xì)胞的衰老程度，實(shí)現(xiàn)了在單細(xì)胞分辨率下對(duì)葉片衰老狀態(tài)的定量評(píng)估。基于衰老指數(shù)和年輕指數(shù)，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了葉片發(fā)育的共表達(dá)基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，并篩選出若干關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)基因。這些基因可能在葉片衰老過(guò)程中發(fā)揮重要作用。

研究還發(fā)現(xiàn)，在葉片衰老過(guò)程中，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)移與一個(gè)復(fù)雜的碳氮“運(yùn)輸系統(tǒng)”相關(guān)。

糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白SWEET和SUC/STP家族中的一些關(guān)鍵基因，在葉片維管組織的韌皮部薄壁細(xì)胞和篩管伴胞等中展現(xiàn)出較高的細(xì)胞類型特異性。這些基因?qū)⑻菑娜~片運(yùn)輸?shù)交ǘ浜凸v，或者參與糖的回收。

類似地，氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白UmamiT和AAAP家族基因的表達(dá)也在韌皮部薄壁細(xì)胞中展現(xiàn)出較高的細(xì)胞類型特異性。它們負(fù)責(zé)將氨基酸從葉片傳送到其他部位，或?qū)⑵浠厥盏饺~片中。

此外，研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)跨器官的碳氮分配也表現(xiàn)出類似的細(xì)胞類型特異性。在根、莖、花和果莢等器官中，特定的碳和氮轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白組合在營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸、回收和重新分配中起著重要作用。

這些研究結(jié)果揭示了植物在葉片衰老過(guò)程中高效轉(zhuǎn)運(yùn)碳、氮營(yíng)養(yǎng)的機(jī)制，為理解植物營(yíng)養(yǎng)分配機(jī)制提供了重要的分子基礎(chǔ)。