截图自Cell官网
湖北日报讯（记者张真真）你知道吗？植物也会衰老的。但与动物不同，植物衰老的过程往往伴随着新生：当衰老过程启动时，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，用“牺牲”自己，换来果实的茁壮成长。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，将有限的资源合理利用，确保了植物的繁殖和后代的生存。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，相关研究成果发表于国际顶级学术期刊《细胞》（Cell）。
植物的生命时钟（图片版权：华大生命科学研究院）
为了揭示叶片的衰老过程，研究团队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。
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。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。
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。
论文第一作者、武汉华大生命科学研究院郭兴博士表示：“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。”
中国科学院院士、武汉大学教授、武汉大学高等研究院院长朱玉贤认为，我们对植物衰老和养分再分配的认识至今仍然主要停留在组织或整体层面。该研究提供了一份前所未有的“细胞分辨率”图谱，对不同细胞类型在叶片衰老过程中的分子特征进行了单细胞水平的量化。这个图谱涵盖多个器官和发育阶段，数据规模空前，填补了植物整个生命周期跨组织单细胞基因表达图谱的空白。对于植物生物学领域的研究者而言，该图谱具有巨大的资源价值，未来可以被反复挖掘，用于解析各种与衰老及其他发育过程相关的生物学问题。未来如果能将类似的跨组织、全生长期单细胞图谱应用于主要农作物，我们将能够以前所未有的精度剖析影响作物产量和抗逆性的基因网络，加速培育高产、稳产且抗逆的新型作物品种。
武汉华大生命科学研究院郭兴博士、赵彩耀博士、谈聪博士，南方科技大学王益川博士、严维博士为论文共同第一作者。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徐讯研究员、刘欢研究员，南方科技大学郭红卫教授为论文共同通讯作者。本研究得到了基因组多维解析技术全国重点实验室、“生物育种-国家科技重大专项”、国家自然科学基金、新基石研究员项目等基金的资助。
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