空间转录组结合单细胞测序！揭示杨树初生生长和次生生长中形成层细胞分化的分子轨迹

杨树初生生长依赖原形成层分裂与分化，而次生生长则基于维管形成层的分裂与分化。尽管它们具有一些共同的生物学特性，但次生生长过程中维管形成层与和顶端分生组织存在很多差异。

2023年7月24日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心李来庚团队在Plant Communications发表题为“Combining single-cell RNA sequencing with spatial transcriptome analysis reveals dynamic molecular maps of cambium differentiation in the primary and secondary growth of trees”的文章。该研究在单细胞水平上，揭示了杨树杨树初生生长和次生生长中形成层细胞分化的分子轨迹。

https://doi.org/10.1016/j.xplc.2023.100665

在本研究中，作者首先获得了杨树初生和次生生长组织的单细胞基因表达图谱，根据细胞特异性基因进行了细胞类型鉴定，进一步获得的茎干空间转录图谱对单细胞类型的准确性和空间定位进行了确定。一般认为WOX4和PXY是形成层细胞特异基因，研究结果发现有两类细胞特异表达了WOX4和PXY，说明形成层中存在不同类型的分化起始细胞，一种分化为木质部纤维和导管细胞，另一种可能发育为射线薄壁细胞。在鉴定初生和次生组织形成层细胞的基础上，将形成层细胞、木质部前体细胞与韧皮部前体细胞集合一起，构建了形成层分化的拟时轨迹，获得了形成层向木质部和韧皮部前体细胞分化过程的表达图谱。通过对形成层朝两个方向分化的分支依赖基因分析，发现了影响两个分化方向的特异基因，并且一些基因呈现明显的分化阶段特异性。进一步分析发现编码生长素转运蛋白的基因在形成层分化过程中高表达，这可能与生长素在形成层细胞及分化阶段的大量累积有关。

形成层细胞分化产生木质部前体细胞后，需要经过一系列过程才能形成成熟的木质纤维细胞和导管细胞，包括细胞膨胀，细胞壁加厚，细胞程序性死亡等。通过对木质纤维和导管细胞进行亚群分析，绘制出了纤维和导管细胞不同发育阶段的基因表达谱，发现了一系列可能参与调控纤维和导管细胞发育的基因，这些基因的表达获得了空间转录组分析的验证。

与茎干顶端向上生长的初生生长不同，树木次生生长基于维管形成层活动产生次生木质部，使得树木茎干增粗，通过次生生长形成的木材是人类社会必需的可再生生物质资源。阐明树木次生生长过程形成层分裂和分化的基因表达图谱与分子活动轨迹，为树木木材形成的分子过程提供了全面和时序的理解，也为培育速生优质林木提供了新的分子操作蓝图。

上述研究获得了国家自然科学基金，中科院先导计划的资助。

转自：“iPlants”微信公众号

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