迄今最完整植物单细胞图谱问世，揭开叶片衰老“密码”

植物的衰老往往伴随着新生，在衰老的过程中，叶片并非简单地枯萎掉落，而是悄悄进行一场资源大转移，将自己积累的碳、氮等营养物质分解，转运给花朵、果实，甚至根部，用“牺牲”自己，换来果实的茁壮成长。

在叶片衰老的过程中，植物细胞如何进行时空协调？哪些关键基因参与了调控？4月11日，一项发表于《细胞》的最新研究为这些问题提供了答案。来自武汉华大生命科学研究院、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的研究人员，利用单细胞组学技术和时空组学技术，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，揭示了叶片衰老的关键分子机制。

中国科学院院士朱玉贤评价道，该研究不仅在基础理论上深化了人们对植物衰老机制的理解，更为从模式植物向农作物的转化搭建了桥梁，其产生的数据和发现有望在未来的作物遗传改良中发挥重要作用。

破解叶片衰老的“分子密码”

叶片衰老直接影响植物的产量和养分利用效率。在农作物中，适当延缓叶片衰老一般有助于提高产量，但过度延迟则可能导致养分无法有效转运至籽粒，影响最终产量。因此，如何精准调控衰老进程，以在产量与品质间取得平衡，一直是育种学的一大难题。

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913,769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，我们解析了衰老过程中的关键细胞类型和基因的动态变化，对植物叶片的衰老状态进行了精准量化。”论文第一作者、武汉华大生命科学研究院植物多维组学与农业应用专项科学家郭兴介绍。

他们筛选出了1856个核心衰老相关基因和1875个年轻相关基因，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的基因转录表达量差异，可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。

研究团队发现，即使在肉眼仍为绿色的叶片中，也有一部分的细胞显示出较高的衰老指数，暗示叶片的衰老进程可能早已悄然启动。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。

“该研究所鉴定的许多关键基因为我们提供了潜在的分子靶标。这些基因中有些可能在水稻、小麦等作物中同样发挥作用，未来若通过分子育种手段加以调控，有望培育出叶片衰老节律优化、养分再分配效率更高的作物新品种。”朱玉贤评价道。

高效运行的营养物质“运输网”

碳和氮是植物的重要养分，主要储存在叶片、茎干、根系等组织中。那么，在叶片衰老的过程中，碳、氮这些营养物质到底是如何运输和分配的？

在进一步的研究中，科研团队发现，在叶片衰老过程中，其营养物质的转移涉及一个复杂的碳氮“运输系统”。他们发现一些关键的基因充当了“搬运工”的身份，比如糖转运蛋白SWEET、SUC/STP家族中的基因负责将糖从叶片运输到花朵和果荚，或者参与糖的回收； 氨基酸转运蛋白UmamiT、AAAP家族基因则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。

有趣的是，植物其他的器官中，也表现出了类似的碳氮分配机制。研究团队发现，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。

一直以来，叶片衰老的分子机制一直是植物发育生物学的重要科学问题之一。叶片从青翠转为枯黄的过程中，蕴含着复杂的时空调控网络和资源再分配机制，但受限于技术手段，人们过去对这一过程的认识主要停留在植物器官层面。

“该研究不仅绘制了首张拟南芥单细胞全图谱，还将植物叶片衰老研究提升到了单细胞精度。未来，随着更多植物单细胞图谱的构建和多组学数据的融合，有望对植物叶片衰老形成更加系统、精确的理解，并为作物育种和栽培管理提供理论支持。”中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员王佳伟对该研究评价道。

“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。”郭兴表示。

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.03.024

配图：

植物的生命时钟。华大生命科学研究院供图