Cell：植物学研究进入单细胞时代!华大发布迄今最完整植物单细胞图谱，揭秘叶片衰老与营养分配机制

Cell：植物学研究进入单细胞时代！华大发布迄今最完整植物单细胞图谱，揭秘叶片衰老与营养分配机制

来源：生物世界 2025-04-13 15:10

研究人员利用华大自主研发的单细胞组学技术 DNBelab C4 和时空组学技术 Stereo-seq，在单细胞水平上成功解密了拟南芥叶片衰老的过程。

武汉华大生命科学研究院联合华大生命科学研究院基因组多维解析技术全国重点实验室、南方科技大学等单位，利用华大自主研发的单细胞组学技术DNBelab C4和时空组学技术Stereo-seq，在单细胞水平上成功解密了拟南芥叶片衰老的过程。

相关研究成果以：AnArabidopsissingle-nucleus atlas decodes leaf senescence and nutrient allocation为题，发表在了国际顶尖学术期刊Cell上。

植物的生命时钟（图片版权：华大生命科学研究院）

绘制拟南芥单细胞图谱

为了揭示叶片的衰老过程，研究团队基于华大自主研发的单细胞组学技术DNBelab C4和时空组学技术Stereo-seq，获得了覆盖拟南芥各组织全生命周期关键阶段的共计20个组织样本的913769个高质量单细胞核转录组，构建了迄今为止植物取样阶段最全、数据量最大的单细胞图谱（也包括针对每个组织的单细胞图谱），并鉴定出38种细胞类型。基于这一图谱，研究团队解析了衰老过程中的关键细胞类型和基因的动态变化，并通过对多个组织中共有细胞类型的跨器官比较，揭示了器官保守性和特异性的转录因子调控网络，为后续叶片的衰老研究奠定了基础。

拟南芥单细胞图谱

创建叶片衰老量化指标

长久以来，如何对植物叶片衰老状态进行量化，一直是植物发育生物学的一大难题。在这项研究中，研究团队筛选出了1856个核老相关基因和1875个年轻相关基因，并创新性地提出了 衰老指数 （SAG-index）和 年轻指数 （YAG-index）。通过分析不同阶段叶片中这些基因的转录表达量差异，研究团队得以评估每个细胞的衰老程度，实现了对叶片衰老状态在单细胞分辨率下的定量评估。

基于衰老指数和年轻指数，研究团队构建了叶片发育的共表达基因调控网络，筛选出若干关键节点基因，这些基因可能在衰老过程中发挥重要作用。这一创新性工具不仅为深入解析植物衰老的分子机制提供了有力支撑，还为监测和调控植物衰老进程开辟了新途径。

衰老指数和年轻指数定量叶片衰老状态

揭秘碳氮营养运输网

在叶片衰老过程中，营养物质的转移涉及一个复杂的碳氮 运输系统 。研究团队发现，糖转运蛋白SWEET和SUC/STP家族中一些关键的基因在叶片维管组织的韧皮部薄壁细胞和筛管伴胞等特定细胞中特异性表达，这些基因将糖从叶片运输到花朵和果荚，或者参与糖的回收。类似地，氨基酸转运蛋白UmamiT和AAAP家族基因的表达也在韧皮部薄壁细胞中展现出了较高的细胞类型特异性，负责将氨基酸从叶片传送到其他部位，或将其回收到叶片中。

研究团队同时发现跨器官的碳氮分配也表现出类似的细胞类型特异性。在根、茎、花和果荚等器官中，特定的碳和氮转运蛋白组合在营养物质的运输、回收和重分配中起着重要作用。这些研究结果揭示了植物在叶片衰老过程中如何高效转运碳、氮营养，为理解植物营养分配机制提供了重要的分子基础。

叶片和生殖器官中碳、氮的动态源库分配

综上所述，研究团队利用单细胞和时空组学技术构建了覆盖拟南芥全生命周期的表达图谱，为植物衰老机制研究提供了重要的数据资源，同时创新性地将植物衰老研究聚焦到单细胞水平，揭示了碳氮转运在器官衰老过程中的关键作用，通过分析不同细胞类型中碳氮转运蛋白的时空表达模式，阐明了叶片衰老与碳氮循环之间的紧密联系。

论文第一作者、武汉华大生命科学研究院郭兴博士表示：该研究不仅增进了我们对植物营养分配策略的理解，也为优化作物养分利用效率、推动绿色农业发展提供了重要理论依据，从单细胞层面系统解析了植物发育与环境适应机制，为植物科学领域带来了新的研究范式和应用前景。

武汉华大生命科学研究院郭兴博士、赵彩耀博士、谈聪博士，南方科技大学王益川博士、严维博士为论文共同第一作者。华大生命科学研究院基因组多维解析技术全国重点实验室徐讯研究员、刘欢研究员，南方科技大学郭红卫教授为论文共同通讯作者。该研究得到了基因组多维解析技术全国重点实验室、 生物育种-国家科技重大专项 、国家、新基石研究员项目等基金的资助。

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