植物的衰老往往伴隨著新生，在衰老的過程中，葉片并非簡單地枯萎掉落，而是悄悄進行一場資源大轉移，將自己積累的碳、氮等營養物質分解，轉運給花朵、果實，甚至根部，用“犧牲”自己，換來果實的茁壯成長。
在葉片衰老的過程中，植物細胞如何進行時空協調？哪些關鍵基因參與了調控？4月11日，一項發表于《細胞》的最新研究為這些問題提供了答案。來自武漢華大生命科學研究院、華大生命科學研究院基因組多維解析技術全國重點實驗室、南方科技大學等單位的研究人員，利用單細胞組學技術和時空組學技術，構建了迄今為止植物取樣階段最全、數據量最大的單細胞圖譜，揭示了葉片衰老的關鍵分子機制。
中國科學院院士朱玉賢評價道，該研究不僅在基礎理論上深化了人們對植物衰老機制的理解，更為從模式植物向農作物的轉化搭建了橋梁，其產生的數據和發現有望在未來的作物遺傳改良中發揮重要作用。
破解葉片衰老的“分子密碼”
葉片衰老直接影響植物的產量和養分利用效率。在農作物中，適當延緩葉片衰老一般有助于提高產量，但過度延遲則可能導致養分無法有效轉運至籽粒，影響最終產量。因此，如何精準調控衰老進程，以在產量與品質間取得平衡，一直是育種學的一大難題。
為了揭示葉片的衰老過程，研究團隊基于華大自主研發的單細胞組學技術DNBelab C4和時空組學技術Stereo-seq，獲得了覆蓋擬南芥各組織全生命周期關鍵階段的共計20個組織樣本的913,769個高質量單細胞核轉錄組，構建了迄今為止植物取樣階段最全、數據量最大的單細胞圖譜（也包括針對每個組織的單細胞圖譜），并鑒定出38種細胞類型。
“基于這一圖譜，我們解析了衰老過程中的關鍵細胞類型和基因的動態變化，對植物葉片的衰老狀態進行了精準量化。”論文第一作者、武漢華大生命科學研究院植物多維組學與農業應用專項科學家郭興介紹。
他們篩選出了1856個核心衰老相關基因和1875個年輕相關基因，創新性地提出了“衰老指數”（SAG-index）和“年輕指數”（YAG-index），通過分析不同階段葉片中的基因轉錄表達量差異，可以評估每個細胞的衰老程度，實現了對葉片衰老狀態在單細胞分辨率下的定量評估。
研究團隊發現，即使在肉眼仍為綠色的葉片中，也有一部分的細胞顯示出較高的衰老指數，暗示葉片的衰老進程可能早已悄然啟動。基于衰老指數和年輕指數，研究團隊構建了葉片發育的共表達基因調控網絡，篩選出若干關鍵節點基因，這些基因可能在衰老過程中發揮重要作用。這一創新性工具不僅為深入解析植物衰老的分子機制提供了有力支撐，還為監測和調控植物衰老進程開辟了新途徑。
“該研究所鑒定的許多關鍵基因為我們提供了潛在的分子靶標。這些基因中有些可能在水稻、小麥等作物中同樣發揮作用，未來若通過分子育種手段加以調控，有望培育出葉片衰老節律優化、養分再分配效率更高的作物新品種。”朱玉賢評價道。
高效運行的營養物質“運輸網”
碳和氮是植物的重要養分，主要儲存在葉片、莖干、根系等組織中。那么，在葉片衰老的過程中，碳、氮這些營養物質到底是如何運輸和分配的？
在進一步的研究中，科研團隊發現，在葉片衰老過程中，其營養物質的轉移涉及一個復雜的碳氮“運輸系統”。他們發現一些關鍵的基因充當了“搬運工”的身份，比如糖轉運蛋白SWEET、SUC/STP家族中的基因負責將糖從葉片運輸到花朵和果莢，或者參與糖的回收； 氨基酸轉運蛋白UmamiT、AAAP家族基因則負責將氨基酸從葉片傳送到其他部位，或將其回收到葉片中。
有趣的是，植物其他的器官中，也表現出了類似的碳氮分配機制。研究團隊發現，在根、莖、花和果莢等器官中，特定的碳和氮轉運蛋白組合在營養物質的運輸、回收和重分配中起著重要作用。這些研究結果揭示了植物在葉片衰老過程中如何高效轉運碳、氮營養，為理解植物營養分配機制提供了重要的分子基礎。
一直以來，葉片衰老的分子機制一直是植物發育生物學的重要科學問題之一。葉片從青翠轉為枯黃的過程中，蘊含著復雜的時空調控網絡和資源再分配機制，但受限于技術手段，人們過去對這一過程的認識主要停留在植物器官層面。
“該研究不僅繪制了首張擬南芥單細胞全圖譜，還將植物葉片衰老研究提升到了單細胞精度。未來，隨著更多植物單細胞圖譜的構建和多組學數據的融合，有望對植物葉片衰老形成更加系統、精確的理解，并為作物育種和栽培管理提供理論支持。”中國科學院分子植物科學卓越創新中心研究員王佳偉對該研究評價道。
“該研究不僅增進了我們對植物營養分配策略的理解，也為優化作物養分利用效率、推動綠色農業發展提供了重要理論依據，從單細胞層面系統解析了植物發育與環境適應機制，為植物科學領域帶來了新的研究范式和應用前景。”郭興表示。
相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.03.024
配圖：
植物的生命時鐘。華大生命科學研究院供圖
本文鏈接：http://www.020gz.com.cn/news-8-3531-0.html迄今最完整植物單細胞圖譜問世，揭開葉片衰老“密碼”
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