與動(dòng)物不同，植物衰老的過程往往伴隨著新生。當(dāng)衰老過程啟動(dòng)時(shí)，葉片并非簡單地枯萎掉落，而是悄悄地進(jìn)行著一場資源大轉(zhuǎn)移，將自己積累的碳、氮等營養(yǎng)物質(zhì)分解，并轉(zhuǎn)運(yùn)給花朵、果實(shí)，甚至根部，用“犧牲”自己，換來果實(shí)的茁壯成長。這不僅是植物衰老的自然過程，更是一場“精心策劃”的資源調(diào)配，將有限的資源合理利用，確保了植物的繁殖和后代的生存。這場葉片的“最后一役”需要各種細(xì)胞復(fù)雜的時(shí)空協(xié)調(diào)和關(guān)鍵基因的精確調(diào)控。

植物的生命時(shí)鐘（圖片版權(quán)：華大生命科學(xué)研究院）

4月11日，武漢華大生命科學(xué)研究院聯(lián)合華大生命科學(xué)研究院基因組多維解析技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、南方科技大學(xué)等單位在Cell發(fā)表了題為An Arabidopsis single-nucleus atlas decodes leaf senescence and nutrient allocation的研究論文，利用華大自主研發(fā)的單細(xì)胞組學(xué)技術(shù)DNBelab C4和時(shí)空組學(xué)技術(shù)Stereo-seq，在單細(xì)胞水平上成功解密了擬南芥葉片衰老的過程。

繪制擬南芥單細(xì)胞圖譜

為了揭示葉片的衰老過程，研究團(tuán)隊(duì)基于華大自主研發(fā)的單細(xì)胞組學(xué)技術(shù)DNBelab C4和時(shí)空組學(xué)技術(shù)Stereo-seq，獲得了覆蓋擬南芥各組織全生命周期關(guān)鍵階段的共計(jì)20個(gè)組織樣本的913,769個(gè)高質(zhì)量單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組，構(gòu)建了迄今為止植物取樣階段最全、數(shù)據(jù)量最大的單細(xì)胞圖譜（也包括針對每個(gè)組織的單細(xì)胞圖譜），并鑒定出38種細(xì)胞類型。基于這一圖譜，研究團(tuán)隊(duì)解析了衰老過程中的關(guān)鍵細(xì)胞類型和基因的動(dòng)態(tài)變化，并通過對多個(gè)組織中共有細(xì)胞類型的跨器官比較，揭示了器官保守性和特異性的轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，為后續(xù)葉片的衰老研究奠定了基礎(chǔ)。

擬南芥單細(xì)胞圖譜

創(chuàng)建葉片衰老量化指標(biāo)

長久以來，如何對植物葉片衰老狀態(tài)進(jìn)行精準(zhǔn)量化，一直是植物發(fā)育生物學(xué)的一大難題。本研究中，研究人員篩選出了1856個(gè)核心衰老相關(guān)基因和1875個(gè)年輕相關(guān)基因，并創(chuàng)新性地提出了“衰老指數(shù)”（SAG-index）和“年輕指數(shù)”（YAG-index）。通過分析不同階段葉片中這些基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)量差異，研究人員得以評估每個(gè)細(xì)胞的衰老程度，實(shí)現(xiàn)了對葉片衰老狀態(tài)在單細(xì)胞分辨率下的定量評估。

基于衰老指數(shù)和年輕指數(shù)，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了葉片發(fā)育的共表達(dá)基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，篩選出若干關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)基因，這些基因可能在衰老過程中發(fā)揮重要作用。這一創(chuàng)新性工具不僅為深入解析植物衰老的分子機(jī)制提供了有力支撐，還為監(jiān)測和調(diào)控植物衰老進(jìn)程開辟了新途徑。

衰老指數(shù)和年輕指數(shù)定量葉片衰老狀態(tài)

揭秘碳氮營養(yǎng)運(yùn)輸網(wǎng)

在葉片衰老過程中，營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)移涉及一個(gè)復(fù)雜的碳氮“運(yùn)輸系統(tǒng)”。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白SWEET和SUC/STP家族中一些關(guān)鍵的基因在葉片維管組織的韌皮部薄壁細(xì)胞和篩管伴胞等特定細(xì)胞中特異性表達(dá)，這些基因?qū)⑻菑娜~片運(yùn)輸?shù)交ǘ浜凸v，或者參與糖的回收。類似地，氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白UmamiT和AAAP家族基因的表達(dá)也在韌皮部薄壁細(xì)胞中展現(xiàn)出了較高的細(xì)胞類型特異性，負(fù)責(zé)將氨基酸從葉片傳送到其他部位，或?qū)⑵浠厥盏饺~片中。

研究團(tuán)隊(duì)同時(shí)發(fā)現(xiàn)跨器官的碳氮分配也表現(xiàn)出類似的細(xì)胞類型特異性。在根、莖、花和果莢等器官中，特定的碳和氮轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白組合在營養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸、回收和重分配中起著重要作用。這些研究結(jié)果揭示了植物在葉片衰老過程中如何高效轉(zhuǎn)運(yùn)碳、氮營養(yǎng)，為理解植物營養(yǎng)分配機(jī)制提供了重要的分子基礎(chǔ)。

葉片和生殖器官中碳、氮的動(dòng)態(tài)源庫分配

綜上所述，研究團(tuán)隊(duì)利用單細(xì)胞和時(shí)空組學(xué)技術(shù)構(gòu)建了覆蓋擬南芥全生命周期的表達(dá)圖譜，為植物衰老機(jī)制研究提供了重要的數(shù)據(jù)資源，同時(shí)創(chuàng)新性地將植物衰老研究聚焦到單細(xì)胞水平，揭示了碳氮轉(zhuǎn)運(yùn)在器官衰老過程中的關(guān)鍵作用，通過分析不同細(xì)胞類型中碳氮轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的時(shí)空表達(dá)模式，闡明了葉片衰老與碳氮循環(huán)之間的緊密聯(lián)系。

論文第一作者、武漢華大生命科學(xué)研究院郭興博士表示：“該研究不僅增進(jìn)了我們對植物營養(yǎng)分配策略的理解，也為優(yōu)化作物養(yǎng)分利用效率、推動(dòng)綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了重要理論依據(jù)，從單細(xì)胞層面系統(tǒng)解析了植物發(fā)育與環(huán)境適應(yīng)機(jī)制，為植物科學(xué)領(lǐng)域帶來了新的研究范式和應(yīng)用前景。”

武漢華大生命科學(xué)研究院郭興博士、趙彩耀博士、談聰博士，南方科技大學(xué)王益川博士、嚴(yán)維博士為論文共同第一作者。華大生命科學(xué)研究院基因組多維解析技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室徐訊研究員、劉歡研究員，南方科技大學(xué)郭紅衛(wèi)教授為論文共同通訊作者。本研究得到了基因組多維解析技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、 “生物育種-國家科技重大專項(xiàng)” 、國家自然科學(xué)基金、新基石研究員項(xiàng)目等基金的資助。

論文鏈接：

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

專家點(diǎn)評

朱玉賢（中國科學(xué)院院士、武漢大學(xué)教授、武漢大學(xué)高等研究院院長）

我們對植物衰老和養(yǎng)分再分配的認(rèn)識至今仍然主要停留在組織或整體層面。借助單核轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)，華大研究院攜手南科大郭紅衛(wèi)團(tuán)隊(duì)提供了一份前所未有的“細(xì)胞分辨率”圖譜，對不同細(xì)胞類型在葉片衰老過程中的分子特征進(jìn)行了單細(xì)胞水平的量化。這個(gè)圖譜涵蓋多個(gè)器官和發(fā)育階段，數(shù)據(jù)規(guī)模空前，填補(bǔ)了植物整個(gè)生命周期跨組織單細(xì)胞基因表達(dá)圖譜的空白。對于植物生物學(xué)領(lǐng)域的研究者而言，該圖譜具有巨大的資源價(jià)值，未來可以被反復(fù)挖掘，用于解析各種與衰老及其他發(fā)育過程相關(guān)的生物學(xué)問題。

葉片衰老直接影響植物的產(chǎn)量和養(yǎng)分利用效率。在農(nóng)作物中，適當(dāng)延緩葉片衰老一般有助于提高產(chǎn)量，但過度延遲則可能導(dǎo)致養(yǎng)分無法有效轉(zhuǎn)運(yùn)至籽粒，影響最終產(chǎn)量。因此，如何精準(zhǔn)調(diào)控衰老進(jìn)程以在產(chǎn)量與品質(zhì)間取得平衡，一直是育種學(xué)的一大難題。該研究為解決上述難題提供了新的思路，文章所鑒定的許多關(guān)鍵基因?yàn)槲覀兲峁┝藵撛诘姆肿影袠?biāo)。這些基因中有些可能在水稻、小麥等作物中同樣發(fā)揮作用，未來若通過分子育種手段加以調(diào)控，有望培育出葉片衰老節(jié)律優(yōu)化、養(yǎng)分再分配效率更高的作物新品種。該工作還進(jìn)一步深入揭示了葉片衰老過程中的碳氮養(yǎng)分在源-庫再分配過程中的“路線圖”。這份“路線圖”對于研究作物的養(yǎng)分高效利用策略具有重要的參考價(jià)值，可助力在保障產(chǎn)量和品質(zhì)前提下的化肥減量增效。

此外，這項(xiàng)研究還展現(xiàn)了單核轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)在解析植物復(fù)雜性狀方面的巨大潛力。研究中提出的衰老表征指數(shù)“SAG-index”和“YAG-index”等新概念工具也可以被借鑒到作物研究，用于評估不同品系或突變體葉片衰老趨勢，從而加速篩選出延緩衰老或提高養(yǎng)分利用效率的理想材料。未來如果能將類似的跨組織、全生長期單細(xì)胞圖譜應(yīng)用于主要農(nóng)作物，我們將能夠以前所未有的精度剖析影響作物產(chǎn)量和抗逆性的基因網(wǎng)絡(luò)，加速培育高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)且抗逆的新型作物品種。

上述研究不僅在基礎(chǔ)理論上深化了我們對植物衰老機(jī)制的理解，更為從模式植物向農(nóng)作物的轉(zhuǎn)化搭建了橋梁，其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和發(fā)現(xiàn)有望在未來的作物遺傳改良中發(fā)揮重要作用，值得從事相關(guān)生命科學(xué)研究的學(xué)生、博士后及導(dǎo)師、學(xué)者認(rèn)真剖析研讀，以期盡快獲得更多的優(yōu)質(zhì)靶位點(diǎn)，為我國的大農(nóng)業(yè)發(fā)展做出新貢獻(xiàn)。

專家點(diǎn)評

王佳偉（中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心研究員）

長期以來，葉片衰老的分子機(jī)理一直是植物發(fā)育生物學(xué)的重要基礎(chǔ)科學(xué)問題之一。葉片從青翠轉(zhuǎn)為枯黃的過程中，蘊(yùn)含著復(fù)雜的時(shí)空調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和資源再分配機(jī)制，但受限于技術(shù)手段，我們過去對這一過程的認(rèn)識主要停留在器官層面。最近，華大研究院與南方科技大學(xué)郭紅衛(wèi)團(tuán)隊(duì)合作，運(yùn)用單核轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)首次在單細(xì)胞精度揭示了葉片衰老的動(dòng)態(tài)過程。

文章第一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)在于繪制了世界上第一張涵蓋多時(shí)期和多器官組織的模式植物擬南芥單細(xì)胞全圖譜，并對主要的細(xì)胞類型進(jìn)行了注釋，發(fā)現(xiàn)了一批細(xì)胞類型特異表達(dá)的基因，這些信息為在單細(xì)胞精度開展植物發(fā)育生物學(xué)研究奠定了良好的基礎(chǔ)。

文章的第二個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)在于揭示了葉片衰老并非不同類型細(xì)胞各自為政的獨(dú)立過程，而是受到全局信號的調(diào)控，具有顯著的協(xié)同性，并可能存在細(xì)胞間的密切交流。這一發(fā)現(xiàn)提示，未來在研究葉片衰老機(jī)制時(shí)，需要將這種細(xì)胞間同步性納入考慮框架，探究背后的系統(tǒng)性信號因素（如激素、營養(yǎng)狀況等）如何驅(qū)動(dòng)所有細(xì)胞協(xié)同行動(dòng)。

文章的第三個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)在于創(chuàng)新性地提出了“SAG-index”和“YAG-index”衰老指數(shù)，將葉片衰老程度從以往的定性描述轉(zhuǎn)為可量化的數(shù)值，并在單細(xì)胞精度刻畫了葉片的衰老軌跡。有趣的是，作者發(fā)現(xiàn)即使在肉眼仍為綠色的葉片中，已有部分細(xì)胞顯示出較高的衰老指數(shù)，暗示衰老進(jìn)程可能早已悄然啟動(dòng)。這一發(fā)現(xiàn)為揭示葉片衰老的初始誘因提供了新線索，同時(shí)也體現(xiàn)了定量指標(biāo)在捕捉復(fù)雜生物過程細(xì)微變化方面的良好應(yīng)用前景。

文章的第四個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)在于構(gòu)建了葉片衰老的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，鑒定出一批關(guān)鍵調(diào)控因子。在這些關(guān)鍵基因中，既包括已知的衰老相關(guān)基因，也發(fā)現(xiàn)了全新的調(diào)控因子，拓展了植物衰老調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的版圖。此外，文章還將葉片衰老與全株的養(yǎng)分流動(dòng)聯(lián)系起來，繪制出碳、氮元素從衰老葉片輸送到根、花、角果等庫器官的分配圖景，揭示了葉片衰老在整個(gè)植物體營養(yǎng)分配中的地位，為構(gòu)建植物體內(nèi)養(yǎng)分再利用的理論模型奠定了基礎(chǔ)。

總的來說，這項(xiàng)工作不僅繪制了首張擬南芥單細(xì)胞全圖譜，還將植物葉片衰老研究提升到了單細(xì)胞精度。未來，隨著更多植物單細(xì)胞圖譜的構(gòu)建和多組學(xué)數(shù)據(jù)的融合，有望對植物葉片衰老形成更加系統(tǒng)、精確的理解，并為作物育種和栽培管理提供理論支持。

專家點(diǎn)評

Rajeev K. Varshney(默多克大學(xué)教授，英國皇家學(xué)會(huì)院士)

本研究所呈現(xiàn)的這份具有開創(chuàng)性的擬南芥單核轉(zhuǎn)錄組圖譜，標(biāo)志著植物生物學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重大飛躍。通過對20種組織中超過一百萬個(gè)細(xì)胞核進(jìn)行分析，作者們不僅克服了基于原生質(zhì)體方法長期存在的技術(shù)局限，還發(fā)現(xiàn)了此前難以確定的細(xì)胞類型，比如栓質(zhì)化的內(nèi)皮層細(xì)胞和表皮毛，這些細(xì)胞類型對于理解植物的發(fā)育和脅迫響應(yīng)至關(guān)重要。SAG指數(shù)和YAG指數(shù)的開發(fā)尤為創(chuàng)新，它提供了一個(gè)定量框架，能夠在單細(xì)胞分辨率下剖析植物的衰老過程。這種方法巧妙地捕捉了不同細(xì)胞類型衰老過程中的時(shí)空協(xié)調(diào)性，揭示了局部脅迫因素和內(nèi)在程序是如何共同推動(dòng)衰老的。此外，對碳和氮轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的系統(tǒng)性定位，為養(yǎng)分從源器官到庫器官的重新分配提供了藍(lán)圖，這一發(fā)現(xiàn)對于提高作物產(chǎn)量和抗逆性具有深遠(yuǎn)意義。這項(xiàng)研究為將單細(xì)胞基因組學(xué)與生理學(xué)見解相結(jié)合樹立了新的標(biāo)準(zhǔn)，為在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域針對植物衰老和養(yǎng)分利用效率進(jìn)行有針對性的工程改造奠定了基礎(chǔ)。