Plant Cell| 2篇研究文章，1篇编辑专评！具有里程碑意义的工作！单细胞转录组图谱为理解叶片维管细胞作用迈出了重要一步

植物生物学

2021年1月13日，The Plant Cell 杂志在线发表了美国植物生物学家协会，the plan Cell杂志的高级专题编辑Nancy A Eckardt 教授的题为“Sweeter than SWEET: A Single-Cell Leaf Vasculature Transcriptome Atlas” 的文章。重点推介了Ji-yun Kim（2021，Distinct identities of leaf phloem cells revealed by single cell transcriptomics， The Plant Cell）的新工作。认为该工作展示了拟南芥叶片维管系统的单细胞转录组图谱，提供了关于该组织中细胞类型和功能的新信息，并为进一步研究提供了极好的资源。这项研究代表着我们在理解拟南芥叶片维管细胞转录图谱方面迈出的重要一步，并为研究特定的细胞类型，如韧皮部薄壁组织和维管束鞘细胞提供了新的见解。此外，它还为数据挖掘和未来研究叶细胞功能的实验设计提供了有价值的资源。

2020年，对于全球无数的科研人员来说，是充满挑战和挫折的一年。因此，报告一项具有里程碑意义的拟南芥叶片维管系统单细胞RNA测序(scRNA-seq)研究是一件令人倍感振奋的事。ScRNA-seq能够研究转录组中细胞间的变异，从而可以评估转录的随机性，从而加深对细胞功能的理解，揭示新的细胞类型，并揭示未知的发育途径。

作者首先优化了原生质体分离方案来富集了维管细胞，并验证了叶片细胞的相对丰度没有改变，因此从原生质体获得的scRNA-seq数据应该基本上涵盖了成熟叶片中的所有细胞类型。修改后的原生质体技术采用了“胶带夹层”的共聚焦成像技术--本质上是用双面胶带剥离背面表皮，去除毛状体、保卫细胞和表皮细胞，丰富维管系统的细胞类型，特别是韧皮部薄壁细胞。

他们从两个生物学重复样品中，获得了5230个单细胞转录本，从这些数据中，他们确定了19种不同的细胞类型，涵盖了所有已知的主要叶细胞类型。本研究中，他们选择将重点放在叶片维管系统上，包括木质部薄壁组织、韧皮部薄壁组织(PP)、伴生细胞(CC)和原形成层(见图)。

鲜为人知的发现：

1. 作者发现了拟南芥中PP的新作用，PP在拟南芥的韧皮部活性装载中起着重要作用。

首先，PP细胞被分成两个不同的簇Cluster，与编码外流转运蛋白的SWEET基因相关；一个簇富含与钙质沉积相关的基因，另一个簇则代表与光合作用活性相关的基因。未来的工作将寻求确定这些簇是否代表了空间上不同的细胞类型或发育轨迹。

其次，已知编码氨基酸输出子的UmamiT基因家族成员的表达在PP簇中富集，并与SWEET基因共表达，这使得作者推测UmamiT可能像SWEET对蔗糖的作用一样，在PP的氨基酸外流中发挥作用。

最后，bZIP家族的成员被确认为PP和其他细胞类型中与功能相关的膜转运蛋白的共同调节者。

2. 发现PP细胞和筛子元件CC复合体细胞具有不同的功能，并提供了划分成明显不同的簇的证据。

PP细胞似乎与原形成层和木质部关系更为密切。此外，编码一种已知能促进韧皮部分化的转录因子的APL在CC簇中表达丰富，但在PP簇中没有表达。此外，APL突变体显示PP标记的正常表达，表明APL可能不参与PP的形成。

3. 叶维管细胞和根维管细胞的比较

作者将来自叶片韧皮部簇的标记与根的scRNA-seq研究确定的韧皮部标记进行了比较(Wendrich等人，2020年)。这一比较揭示了有趣的相似和不同之处，表明在根中可能存在一种尚未鉴定的细胞类型，其特性类似于叶PP。

同时，该文章还提供了许多其他有趣的观察和丰富的数据和资源可供进一步研究，例如，与原形成层细胞分化、细胞类型特异性表达模式以及维管鞘细胞代谢图谱相关的数据和资源。

同时，在一份配套手稿(Bezrutczyk等人，2021年，)中，同一小组的成员使用scRNA-seq研究了维管束鞘细胞的分化，并揭示了远轴束鞘细胞在玉米韧皮部负载中的作用。这两项研究展示了这项技术的力量，促进了我们对植物发育过程的理解，并为不久的将来的重大新发展铺平了道路。甜!

与许多其他农作物相比，玉米的生产率要高得多。在其进化过程中发展出的特殊叶片解剖结构和特殊形式的光合作用（称为C4）使玉米的生长比同类植物快得多。因此，玉米需要更有效的运输策略以将光合作用过程中产生的光同化物分配到整个植物中。

该工作，研究人员发现了玉米韧皮部加载机制，该机制以前没有被描述过-围绕脉管系统的束鞘是实际运输诸如糖或氨基酸之类化合物的地方。该机制的发展可能是朝着更高的运输速率迈出的决定性的进化步骤，这使得玉米植物特别成功和有用。

叶片是不对称的，对近轴和远轴组织具有不同的功能。在玉米中，利用单细胞RNA测序技术对C4玉米的BS分化进行了研究。发现，蔗糖转运蛋白（SWEET）作用于叶片背面的“束鞘细胞”（维管束鞘细胞组成C4植物特有的细胞结构“花环状结构”）。Abaxial BS(abBS)细胞特异性表达3种SWEET13a、b和c和UmamiT氨基酸外排转运蛋白。在韧皮部薄壁组织(PP)中也检测到SWEET13a、b、c的mRNAs。发现玉米已经获得了一种韧皮部装载机制，其中ABBS细胞提供了蔗糖向韧皮部运输的主要途径。作者推测，abBS同一性受背腹模式的影响，并具有PP同一性的成分。这些观察结果为abBS细胞独特的运输特性提供了洞察力，并支持对玉米中典型的韧皮部装载途径的修饰。

HHU的博士生兼第一作者Margaret Bezrutczyk强调：“乍看之下，排列在花环中的束鞘细胞看起来是相同的。我们使用的单细胞测序方法首次使我们能够区分不同类型的束鞘细胞，我们希望借助这种技术，将来会发现更多的细胞类型，尤其是维管束中的那些细胞类型。”

该研究所所长弗洛默教授强调了这一发现的意义，他说：“玉米植物由于其C4光合作用而非常有生产力。可以想象，通过将玉米的负载机制转移到这些作物上，可以提高水稻或其他农作物的生产力。

链接：

1. Sweeter than SWEET: A Single-Cell Leaf Vasculature Transcriptome Atlas，2021.1.13， https://doi.org/10.1093/plcell/koaa059

2. Distinct identities of leaf phloem cells revealed by single cell transcriptomics，2021.1.7， https://doi.org/10.1093/plcell/koaa060

3. Evidence for Phloem Loading via the Abaxial Bundle Sheath Cells in Maize Leaves，2021.1.7.

https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koaa055/6067409

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