2025年4月11日，南方科技大學生命科學學院講席教授郭紅衛課題組聯合武漢華大生命科學研究院在頂級學術期刊Cell在線發表題為“An Arabidopsis single-nucleus atlas decodes leaf senescence and nutrient allocation”的研究論文，構建了模式生物擬南芥全生命周期單細胞轉錄組圖譜，并創新性地從單細胞水平上解析了葉片衰老進程，描繪了碳/氮的源庫轉運圖景。

植物的衰老是一個高度有序的生物學過程，涉及多個細胞、組織和器官間的整體調控及營養物質的運輸和再分配，對于植物的生長、繁殖及應對多變環境至關重要。在衰老過程中，植物通過降解葉綠體、蛋白質等大分子物質，將碳/氮等重要營養元素從源器官（葉）轉運至庫器官（根、花、果實和種子等）中，以維持植物的正常生長發育和繁殖過程。植物衰老的起始（onset）和進程（progression）受到多種內外因素的調控，包括植物的生長階段、植物激素和外界刺激等。在合適的時候啟動衰老與植物對復雜環境的適應息息相關。適當延緩植物衰老可有效提高農作物產量和品質。盡管多個物種中已鑒定并解析了大量衰老相關基因（senescence-associated genes, SAGs），但植物如何整合發育階段和環境信號以啟動衰老，并通過多器官-多細胞類型協同調控衰老和營養轉運，仍存在諸多未知。因此，深入解析植物衰老過程中的關鍵調控網絡，挖掘重要的衰老相關基因資源，對于精準調控植物生長發育進程，提高農作物的產量和品質具有重要的理論價值和應用前景。

研究團隊采用單核轉錄組測序技術對覆蓋擬南芥整個生命周期的20個關鍵組織樣品進行了測序分析，構建了超百萬細胞核的高分辨率全圖譜。通過整合已有遺傳標記信息，對單個組織及跨多發育時期分析中鑒定到的539個細胞群進行了系統的注釋，最終明確了38種細胞類型。進一步的，研究團隊通過跨發育時期細胞類群及關鍵基因的表達變化分析，揭示了重要細胞類型的發育動態；通過對多器官中保守細胞類型的表達譜進行比較分析，構建了跨器官保守性和器官特異性的轉錄因子調控網絡。這些高質量的單核轉錄圖譜為后續研究提供了重要的基礎和寶貴的資源。

接下來，研究團隊利用6個連續發育時期葉片的單核轉錄組數據，發現葉片中的三類主要細胞類型（表皮細胞，EPI；葉肉細胞，MES；維管細胞，VAS）在衰老過程中具有高度的整體協同性和不同細胞間的異質性，并基于此創新性地提出了單細胞水平量化細胞衰老狀態的指標：SAG-index和YAG-index。SAG-index和YAG-index分別是根據在三類主要細胞中發育后期高表達的衰老相關基因（senescence-associated genes，SAGs）及在發育早期高表達的年輕相關基因（youth-associated genes，YAGs）計算得到的。基于SAG-index和YAG-index，研究團隊成功在單細胞水平對葉片衰老狀態進行了量化，并對衰老的起始和進程進行了劃分。通過對已發表常規轉錄組數據的分析，進一步驗證了這兩個指標可用來反映多器官的發育、細胞的分化及對脅迫條件的響應，在其它植物物種中也同樣適用。這些重要的成果將植物衰老研究提升到了單細胞水平，為后續從多維度解析衰老相關分子機制提供了強有力的理論支持。

基于上述衡量細胞衰老狀態的SAG-index和YAG-index，研究團隊進一步地通過共表達網絡分析，對葉片衰老調控網絡進行了解析，鑒定到多個與衰老顯著相關的模塊，以及大量與衰老相關的新基因。這些基因與已知功能的SAGs存在明顯的共表達趨勢，可能通過復雜的調控網絡共同調控葉片的衰老進程。通過對部分基因突變體的表型分析、葉綠素含量測定及標記基因表達水平的檢測，研究團隊系統性驗證了葉片衰老調控網絡。對衰老調控網絡的解析將為衰老相關領域的研究提供重要的基因資源和研究思路。

營養的運輸和分配是植物衰老過程中的重要環節，對于維持植物的正常生長發育和繁殖至關重要。基于擬南芥單細胞全圖譜，研究團隊通過對碳氮營養運輸轉運家族基因表達模式的分析，描繪了不同器官和細胞類型中碳/氮營養在源器官和庫器官中的轉運圖景，并對關鍵轉運蛋白進行了遺傳和分子驗證。研究發現在葉片和庫器官中均存在細胞類型特異性表達的轉運蛋白基因，如SWEET家族和SUC家族分別在韌皮部薄壁細胞（Phloem parenchyma，PP）和篩管伴生細胞（companion cell，CC）中特異性表達，負責將糖從葉片運輸到花和果莢；STP家族在非CC細胞中特異性表達，可能參與糖的回收；UmamiT家族在衰老階段的PP細胞中特異性表達，負責將氨基酸從葉片輸出；AAAP家族在CC細胞中表達，負責從細胞間隙吸收氨基酸。這些研究結果揭示了植物在葉片衰老過程中碳和氮營養重分配的復雜機制，為理解植物營養分配提供了重要的分子基礎。

綜上所述，研究團隊利用單核測序技術構建了覆蓋擬南芥全生命周期的表達圖譜，為植物功能研究提供了重要的轉錄組資源，同時創新性地將植物衰老研究提升到單細胞水平，為解析關鍵衰老調控網絡和精準調控植物性狀提供了重要的理論支持，也為單細胞測序在植物科學領域的研究提供了新的研究范式和應用前景。

郭紅衛教授，華大生命科學研究院研究員徐訊、劉歡為論文共同通訊作者。郭紅衛課題組高級工程師王益川博士、研究助理教授嚴維博士，武漢華大生命科學研究院郭興博士、趙彩耀博士、談聰博士為論文共同第一作者。郭紅衛課題組張丹、彭旸、裘喻平、彭滔、張易等也參與了研究。本研究得到 “生物育種-國家科技重大專項” 、國家自然科學基金、騰訊“新基石研究員項目”等資助。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.03.024

來源： 南方科技大學