我科學家發現擬南芥葉片衰老“開關”

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。相關研究成果日前發表在國際學術期刊《細胞》上。

研究團隊基于自主研發的單細胞組學技術和時空組學技術，獲得涵蓋擬南芥各組織全生命周期關鍵階段的20個組織樣本，共計913769個高質量單細胞核轉錄組。在此基礎上，研究團隊構建了迄今為止植物領域取樣階段最全、數據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鍵細胞類型和基因的動態變化，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錄因子調控網絡，為后續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一直是植物發育生物學領域的一大難題。研究團隊篩選出1856個核心衰老相關基因和1875個年輕相關基因，并創新性地提出了衰老指數和年輕指數。

通過分析不同階段葉片中這些基因的轉錄表達量差異，研究團隊能夠評估每個細胞的衰老程度，實現了在單細胞分辨率下對葉片衰老狀態的定量評估。基于衰老指數和年輕指數，研究團隊構建了葉片發育的共表達基因調控網絡，并篩選出若干關鍵節點基因。這些基因可能在葉片衰老過程中發揮重要作用。

研究還發現，在葉片衰老過程中，營養物質的轉移與一個復雜的碳氮“運輸系統”相關。

糖轉運蛋白SWEET和SUC/STP家族中的一些關鍵基因，在葉片維管組織的韌皮部薄壁細胞和篩管伴胞等中展現出較高的細胞類型特異性。這些基因將糖從葉片運輸到花朵和果莢，或者參與糖的回收。

類似地，氨基酸轉運蛋白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，或將其回收到葉片中。

此外，研究團隊還發現跨器官的碳氮分配也表現出類似的細胞類型特異性。在根、莖、花和果莢等器官中，特定的碳和氮轉運蛋白組合在營養物質的運輸、回收和重新分配中起著重要作用。

這些研究結果揭示了植物在葉片衰老過程中高效轉運碳、氮營養的機制，為理解植物營養分配機制提供了重要的分子基礎。