我科學家發(fā)現(xiàn)擬南芥葉片衰老“開關(guān)”

科技日報訊 （記者羅云鵬）記者7月14日從武漢華大生命科學研究院獲悉，該院聯(lián)合南方科技大學等單位，在單細胞水平上成功解密了擬南芥葉片衰老的過程。相關(guān)研究成果日前發(fā)表在國際學術(shù)期刊《細胞》上。

研究團隊基于自主研發(fā)的單細胞組學技術(shù)和時空組學技術(shù)，獲得涵蓋擬南芥各組織全生命周期關(guān)鍵階段的20個組織樣本，共計913769個高質(zhì)量單細胞核轉(zhuǎn)錄組。在此基礎上，研究團隊構(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38種細胞類型。

基于這一圖譜，研究團隊解析了擬南芥葉片衰老過程中的關(guān)鍵細胞類型和基因的動態(tài)變化，并通過對多個組織中共有細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，為后續(xù)葉片的衰老研究奠定了基礎。

長期以來，如何精準量化植物葉片衰老狀態(tài)一直是植物發(fā)育生物學領(lǐng)域的一大難題。研究團隊篩選出1856個核心衰老相關(guān)基因和1875個年輕相關(guān)基因，并創(chuàng)新性地提出了衰老指數(shù)和年輕指數(shù)。

通過分析不同階段葉片中這些基因的轉(zhuǎn)錄表達量差異，研究團隊能夠評估每個細胞的衰老程度，實現(xiàn)了在單細胞分辨率下對葉片衰老狀態(tài)的定量評估。基于衰老指數(shù)和年輕指數(shù)，研究團隊構(gòu)建了葉片發(fā)育的共表達基因調(diào)控網(wǎng)絡，并篩選出若干關(guān)鍵節(jié)點基因。這些基因可能在葉片衰老過程中發(fā)揮重要作用。

研究還發(fā)現(xiàn)，在葉片衰老過程中，營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)移與一個復雜的碳氮“運輸系統(tǒng)”相關(guān)。

糖轉(zhuǎn)運蛋白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胞和篩管伴胞等中展現(xiàn)出較高的細胞類型特異性。這些基因?qū)⑻菑娜~片運輸?shù)交ǘ浜凸v，或者參與糖的回收。

類似地，氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白UmamiT和AAAP家族基因的表達也在韌皮部薄壁細胞中展現(xiàn)出較高的細胞類型特異性。它們負責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，研究團隊還發(fā)現(xiàn)跨器官的碳氮分配也表現(xiàn)出類似的細胞類型特異性。在根、莖、花和果莢等器官中，特定的碳和氮轉(zhuǎn)運蛋白組合在營養(yǎng)物質(zhì)的運輸、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程中高效轉(zhuǎn)運碳、氮營養(yǎng)的機制，為理解植物營養(yǎng)分配機制提供了重要的分子基礎。