我科学家发现拟南芥叶片衰老“开关”

科技日报讯 （记者罗云鹏）记者7月14日从武汉华大生命科学研究院获悉，该院联合南方科技大学等单位，在单细胞水平上成功解密了拟南芥叶片衰老的过程。相关研究成果日前发表在国际学术期刊《细胞》上。

研究团队基于自主研发的单细胞组学技术和时空组学技术，获得涵盖拟南芥各组织全生命周期关键阶段的20个组织样本，共计913769个高质量单细胞核转录组。在此基础上，研究团队构建了迄今为止植物领域取样阶段最全、数据量最大的单细胞图谱，并鉴定出38种细胞类型。

基于这一图谱，研究团队解析了拟南芥叶片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分析，揭示出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。

长期以来，如何精准量化植物叶片衰老状态一直是植物发育生物学领域的一大难题。研究团队筛选出1856个核心衰老相关基因和1875个年轻相关基因，并创新性地提出了衰老指数和年轻指数。

通过分析不同阶段叶片中这些基因的转录表达量差异，研究团队能够评估每个细胞的衰老程度，实现了在单细胞分辨率下对叶片衰老状态的定量评估。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，并筛选出若干关键节点基因。这些基因可能在叶片衰老过程中发挥重要作用。

研究还发现，在叶片衰老过程中，营养物质的转移与一个复杂的碳氮“运输系统”相关。

糖转运蛋白SWEET和SUC/STP家族中的一些关键基因，在叶片维管组织的韧皮部薄壁细胞和筛管伴胞等中展现出较高的细胞类型特异性。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较高的细胞类型特异性。它们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。

此外，研究团队还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、回收和重新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高效转运碳、氮营养的机制，为理解植物营养分配机制提供了重要的分子基础。