植物的衰老往往伴隨著新生，在衰老的過程中，葉片并非簡單地枯萎掉落，而是悄悄進行一場資源大轉(zhuǎn)移，將自己積累的碳、氮等營養(yǎng)物質(zhì)分解，轉(zhuǎn)運給花朵、果實，甚至根部，用“犧牲”自己，換來果實的茁壯成長。
在葉片衰老的過程中，植物細胞如何進行時空協(xié)調(diào)？哪些關鍵基因參與了調(diào)控？4月11日，一項發(fā)表于《細胞》的最新研究為這些問題提供了答案。來自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全國重點實驗室、南方科技大學等單位的研究人員，利用單細胞組學技術和時空組學技術，構(gòu)建了迄今為止植物取樣階段最全、數(shù)據(jù)量最大的單細胞圖譜，揭示了葉片衰老的關鍵分子機制。
中國科學院院士朱玉賢評價道，該研究不僅在基礎理論上深化了人們對植物衰老機制的理解，更為從模式植物向農(nóng)作物的轉(zhuǎn)化搭建了橋梁，其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和發(fā)現(xiàn)有望在未來的作物遺傳改良中發(fā)揮重要作用。
破解葉片衰老的“分子密碼”
葉片衰老直接影響植物的產(chǎn)量和養(yǎng)分利用效率。在農(nóng)作物中，適當延緩葉片衰老一般有助于提高產(chǎn)量，但過度延遲則可能導致養(yǎng)分無法有效轉(zhuǎn)運至籽粒，影響最終產(chǎn)量。因此，如何精準調(diào)控衰老進程，以在產(chǎn)量與品質(zhì)間取得平衡，一直是育種學的一大難題。
為了揭示葉片的衰老過程，研究團隊基于華大自主研發(fā)的單細胞組學技術DNBelab C4和時空組學技術Stereo-seq，獲得了覆蓋擬南芥各組織全生命周期關鍵階段的共計20個組織樣本的913,769個高質(zhì)量單細胞核轉(zhuǎn)錄組，構(gòu)建了迄今為止植物取樣階段最全、數(shù)據(jù)量最大的單細胞圖譜（也包括針對每個組織的單細胞圖譜），并鑒定出38種細胞類型。
“基于這一圖譜，我們解析了衰老過程中的關鍵細胞類型和基因的動態(tài)變化，對植物葉片的衰老狀態(tài)進行了精準量化?！闭撐牡谝蛔髡摺⑽錆h華大生命科學研究院植物多維組學與農(nóng)業(yè)應用專項科學家郭興介紹。
他們篩選出了1856個核心衰老相關基因和1875個年輕相關基因，創(chuàng)新性地提出了“衰老指數(shù)”（SAG-index）和“年輕指數(shù)”（YAG-index），通過分析不同階段葉片中的基因轉(zhuǎn)錄表達量差異，可以評估每個細胞的衰老程度，實現(xiàn)了對葉片衰老狀態(tài)在單細胞分辨率下的定量評估。
研究團隊發(fā)現(xiàn)，即使在肉眼仍為綠色的葉片中，也有一部分的細胞顯示出較高的衰老指數(shù)，暗示葉片的衰老進程可能早已悄然啟動。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，篩選出若干關鍵節(jié)點基因，這些基因可能在衰老過程中發(fā)揮重要作用。這一創(chuàng)新性工具不僅為深入解析植物衰老的分子機制提供了有力支撐，還為監(jiān)測和調(diào)控植物衰老進程開辟了新途徑。
“該研究所鑒定的許多關鍵基因為我們提供了潛在的分子靶標。這些基因中有些可能在水稻、小麥等作物中同樣發(fā)揮作用，未來若通過分子育種手段加以調(diào)控，有望培育出葉片衰老節(jié)律優(yōu)化、養(yǎng)分再分配效率更高的作物新品種。”朱玉賢評價道。
高效運行的營養(yǎng)物質(zhì)“運輸網(wǎng)”
碳和氮是植物的重要養(yǎng)分，主要儲存在葉片、莖干、根系等組織中。那么，在葉片衰老的過程中，碳、氮這些營養(yǎng)物質(zhì)到底是如何運輸和分配的？
在進一步的研究中，科研團隊發(fā)現(xiàn)，在葉片衰老過程中，其營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)移涉及一個復雜的碳氮“運輸系統(tǒng)”。他們發(fā)現(xiàn)一些關鍵的基因充當了“搬運工”的身份，比如糖轉(zhuǎn)運蛋白SWEET、SUC/STP家族中的基因負責將糖從葉片運輸?shù)交ǘ浜凸v，或者參與糖的回收； 氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白UmamiT、AAAP家族基因則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。
有趣的是，植物其他的器官中，也表現(xiàn)出了類似的碳氮分配機制。研究團隊發(fā)現(xiàn)，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如何高效轉(zhuǎn)運碳、氮營養(yǎng)，為理解植物營養(yǎng)分配機制提供了重要的分子基礎。
一直以來，葉片衰老的分子機制一直是植物發(fā)育生物學的重要科學問題之一。葉片從青翠轉(zhuǎn)為枯黃的過程中，蘊含著復雜的時空調(diào)控網(wǎng)絡和資源再分配機制，但受限于技術手段，人們過去對這一過程的認識主要停留在植物器官層面。
“該研究不僅繪制了首張擬南芥單細胞全圖譜，還將植物葉片衰老研究提升到了單細胞精度。未來，隨著更多植物單細胞圖譜的構(gòu)建和多組學數(shù)據(jù)的融合，有望對植物葉片衰老形成更加系統(tǒng)、精確的理解，并為作物育種和栽培管理提供理論支持?！敝袊茖W院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心研究員王佳偉對該研究評價道。
“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)發(fā)展提供了重要理論依據(jù)，從單細胞層面系統(tǒng)解析了植物發(fā)育與環(huán)境適應機制，為植物科學領域帶來了新的研究范式和應用前景?！惫d表示。
相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.03.024
配圖：
植物的生命時鐘。華大生命科學研究院供圖
本文鏈接：http://www.enbeike.cn/news-8-3531-0.html迄今最完整植物單細胞圖譜問世，揭開葉片衰老“密碼”
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