Science解答多年谜题：协调韧皮部细胞成熟的遗传机制

　　

   

   

拟南芥的根尖，显示韧皮部细胞的位置在根的长度上。

研究发现，根尖上的一个微小区域负责协调维管组织的复杂网络的生长和发育，这些维管组织通过植物的根运输糖。

在在《科学》杂志上发表的一篇论文中,一个国际科学家小组提出植物如何构建韧皮部细胞(组织负责运输和积累植物的糖和淀粉的部分)的详细蓝图，这些细胞也是我们收获种子、水果和存储块茎来养活世界上的大部分。

这一关键的研究揭示了根分生组织中的信号如何协调韧皮部组织的不同成熟阶段。

韧皮部是一种高度特化的维管组织，它在整个植物体内形成一个连续的、相互连接的网络。它在叶、根、花和果实之间运输糖、营养物质和一系列信号分子。

因此，韧皮部是植物功能的中心。了解韧皮部网络是如何启动和发展的，对农业、林业和生物技术的未来应用很重要，因为它可以揭示如何更好地将这种糖能量输送到需要它的地方。

植物如何在多车道的高速公路上修建”糖车道“?

植物的根在植物的一生中不断生长。这种现象被称为不确定生长，意味着根在根部添加新组织时不断伸长，就像在建造一条永无止境的高速公路。一组连续的特殊韧皮部细胞沿着根(类似于高速公路上的车道)将主要营养物质——蔗糖输送到植物生长所需要的部位。为了发挥这一重要作用，韧皮部组织必须迅速发育和成熟，以便向周围组织提供糖——类似于在多车道公路建设的第一阶段就需要完成的服务车道。

长期以来困扰植物科学家的一个问题是，蛋白质的一个具有指导性的梯度是如何在存在于根中的所有不同的专门细胞文件(高速公路车道)中划分构建阶段的。一种细胞类型是如何理解与它相邻的细胞相同的梯度，但对其进行不同的解释，以实现自身的特殊发育的，这是一个植物科学家一直在努力解决的问题。

在过去的15年里，来自剑桥大学和赫尔辛基大学的Yrj Helariutta团队的研究人员已经揭示了细胞间通信的核心作用和涉及血管模式的复杂反馈机制。这项与纽约大学和北卡罗莱纳州立大学的合作者进行的新研究揭示了韧皮部细胞的单线是如何独立于周围细胞构建的。

Sainsbury/Helsinki小组使用单细胞RNA-seq和实时成像分析了模型植物拟南芥韧皮部细胞文件(糖运输通道)构建过程中的每一步。他们的研究表明，控制根系成熟梯度的蛋白质是如何与控制韧皮部发育的遗传机制相互作用的。

这是一种机制，似乎有助于韧皮部细胞快速成熟，使用自己的机制来解释成熟线索。Pawel Roszak博士是该研究的第一作者之一，也是剑桥大学塞恩斯伯里实验室(SLCU)的研究人员，他解释说:“我们已经展示了根分生组织中的整体信号是如何与细胞类型的特定因素相互作用的，以确定韧皮部在细胞层面上的不同发育阶段。利用细胞分类，然后对潜在的基因调控网络进行深度、高分辨率的单细胞测序，揭示了相互遗传抑制的“跷跷板”机制，引发了快速的发育转变。

这个小组还展示了韧皮部的发育是如何随着时间的推移而逐步进行的，早期的基因程序抑制了后期的基因程序，反之亦然——就像道路沥青铺设工人在高速公路建设的后期把施工工作交给车道油漆工一样。此外，他们还展示了早期韧皮部调节器是如何指示特定的基因将韧皮部细胞分裂成两个不同的亚型的——就像在通往两个不同目的地的道路上建造一个分叉。

这项工作的共同领导者，Yrj Helariutta教授说，他的团队重建了拟南芥从出生到原始韧皮部最终分化的步骤，揭示了这些步骤。Helariutta说:“韧皮部的发育需要广泛的成熟梯度，与细胞类型的特定转录调节因子相结合，以实现细胞分化。”

“通过将单细胞转录组学与活体成像相结合，我们已经绘制出了从韧皮部细胞诞生到最终分化为韧皮部筛元细胞的细胞事件。这使得我们能够发现协调细胞成熟的遗传机制，并将遗传级联的时间与广泛表达的分生组织成熟的主要调节因子联系起来。发育机制的准确时间对于韧皮部的正确发育至关重要，明显的“故障安全”机制确保了过渡。

研究人员计划进一步探索这些机制的进化过程，以及这些步骤是否可以在其他植物和其他植物物种中复制。

文章标题

Cell-by-cell dissection of phloem development links a maturation gradient to cell specialization