首個植物生命週期遺傳圖譜開啓研究新窗口

科技日報記者 張夢然

人們所知道的絕大多數關於植物的基本原理知識，都是在一種你可能從未聽説過的植物——擬南芥中首次發現的。

擬南芥，也稱為水芹，是一種小型開花雜草，卻塑造了人們所知的大部分植物生物學。作為過去半個世紀植物研究中的代表性物種，擬南芥讓人們認識到植物如何對光作出反應，哪些激素控制着植物的行為，為何有些植物根系深長、而有些則淺而寬展。儘管擬南芥在全世界植物生物學家中“享有盛譽”，但其完整生命週期中的許多細節，卻始終成謎。

如今，美國索爾克生物研究所的科學家建立了首個覆蓋擬南芥整個生命週期的遺傳圖譜，利用高精度的單細胞和空間轉錄組學技術，系統記錄了從一粒種子萌發，到成熟植株期間40多萬個細胞的基因表達模式。

這一公開資源將為未來研究植物細胞類型、發育階段及其對環境壓力的響應提供前所未有的信息支持。其相關成果已發表在近期《自然·植物學》雜誌上，有望顯著推動植物生物技術、農業和環境科學的發展。

繪製植物的基因表達圖譜

在作為模式植物的幾十年間，擬南芥經歷了無數實驗。科學家們持續致力於解碼其基因組，並繪製出不同組織和器官中各類細胞的基因表達圖譜。藉助這些局部圖譜，人們得以逐步揭示控制植物各部位身份與功能的關鍵基因。

其中，單細胞RNA測序成為構建細胞圖譜的核心工具。該技術不直接分析DNA，而是檢測基因組的表達產物——RNA分子，從而精準識別哪些基因在特定細胞中被激活，以及其表達水平的高低。由於生物體所有細胞共享同一套遺傳密碼，細胞類型的區分依賴於其獨特的基因表達模式，單細胞RNA測序因此成為識別和分類細胞類型的有力手段。

然而，傳統方法存在明顯侷限：科學家必須將組織解離為單個細胞，導致原本的空間結構被破壞。這意味着雖然能獲知“有哪些細胞”，卻難以回答“它們在哪兒”以及“如何組織”。

為突破這一瓶頸，索爾克生物研究所團隊將單細胞RNA測序與空間轉錄組學相結合，實現了從“碎片化圖譜”向“全景式地圖”的跨越。

更先進技術帶來更完整圖譜

空間轉錄組學的最大優勢在於保留了植物組織的原始結構。科學家無需破壞細胞的空間排列，即可在整個器官甚至整株植物中，精確定位基因表達的位置。這使得他們能夠在真實的組織背景下，同時解析多種細胞類型的身份、狀態及其相互關係。

通過整合單細胞與空間轉錄組數據，研究團隊成功構建了覆蓋擬南芥10個關鍵發育階段——從地下種子到開花成年植株的完整基因表達圖譜，共分析了超過40萬個細胞。這一圖譜揭示了單一生物體內細胞類型的驚人多樣性，以及發育過程中基因調控網絡的動態演變。

研究論文共同第一作者、博士後研究員納塔奈利·伊洛茲-艾力亞茲表示：“你不妨想象一下，在植物真實的組織環境中，能夠同時觀察多達一千個基因的活躍位置。這不僅本身令人着迷，還直接引導我們發現了此前未知的、參與種莢發育的新基因。這些數據中，還有更多寶藏等待挖掘。”

新圖譜催生更多新發現

通過覆蓋整個生命週期而非單一時間點的觀察，科學家首次系統揭示了調控植物發育的複雜的動態分子機制。他們不僅識別出大量在特定細胞類型中特異表達的新基因，還為這些基因的功能研究提供了清晰的時空線索。

這項研究將成為整個植物生物學領域產生新發現的強大工具。團隊成員為此新開發了用户友好型網絡應用程序，使全球植物科學界只需訪問網站，即可輕鬆查詢和使用這一生命週期圖譜。

團隊成員稱，他們已迫不及待想看到它將催生哪些新的單細胞基因組研究。他們希望，這一目前可在線免費獲取的資源，不僅能深化科學界對植物細胞發育機制的理解，還將助力解析植物如何應對遺傳變異和環境壓力，從而全面推動植物生物學、作物改良與生態適應研究的未來發展。