与动物不同，植物衰老的过程往往伴随着新生：叶片并非简单地枯萎掉落，而是悄悄地进行着一场资源大转移，将自己积累的碳、氮等营养物质分解，并转运给花朵、果实甚至根部。这不仅是植物衰老的自然过程，更是一场“精心策划”的资源调配。这场叶片的“最后一役”需要各种细胞复杂的时空协调和关键基因的精确调控。4月11日，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，相关研究成果在线发表于国际顶级学术期刊《细胞》（Cell）。
植物的生命时钟，华大生命科学研究院供图
定量评估叶片细胞衰老
长久以来，如何对植物叶片衰老状态进行精准量化，一直是植物发育生物学的一大难题。
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。
本研究中，研究人员筛选出了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”（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，研究人员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。
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。
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。
文 | 记者 林园
相关文章：
叶子是如何衰老的？华大联合南科大发布迄今最完整植物单细胞图谱04-12
垦利区胜坨镇召开2025年禁毒工作暨禁种铲毒动员会04-12
中药复方可精准狙击“蜱虫病”病毒04-10