单细胞转录组揭示杨树维管组织结构与发育

之前我们有一篇PC的文章，专门介绍了通过单细胞转录组分析杨树茎中初生和次生生长组织中形成层细胞分化的分子轨迹（文章回顾：植物单细胞转录组 | 杨树初生生长和次生生长中形成层细胞分化的分子轨迹）。2023年发表于《Molecular Plant》的文章，通过单细胞空间转录组追踪研究了木本模式植物-杨树茎从顶端原形成层干细胞逐步发育形成次生维管组织干细胞的连续过程，深入探究了植物生理发育的生物学问题。

发布期刊：Molecular Plant

影响因子：27.5

发表时间：2023

DOI：10.1016/j.molp.2023.03.005

研究背景? ? ?

维管组织的发育对于了解树木等维管植物如何进化、生长和调节次生径向生长至关重要。然而，木本植物的茎中分生组织起源，以及从初生分生组织到次生维管组织的发育轨迹的整体分子表征在技术上仍具有一定的挑战性。本研究应用高分辨率解剖学及植物空间转录组技术揭示了杨树茎中次生维管组织的时空动态发生模式及两种次生组织类型的存在。

主要结果? ? ?

作者首先通过对银腺杨（Populus alba × Populus glandulosa）84K的6个不同发育阶段的电镜切片的观察发现，茎从初生到次生生长的连续发育过程中，茎顶端的原形成层干细胞衍生的子细胞在韧皮部和形成层两个组织区域中，分别形成了形态差异显著的两类次生分生组织干细胞群。剖学分析的结果确定了沿发育连续体从初生分生组织到次生分生组织的主要细胞类型。

图1 杨树茎从初生到次生维管组织生长发育动态的解剖学分析。

Pf，韧皮纤维；Ph,韧皮部；CZ,形成层; DX,木质部；Pa，薄壁细胞；Ve，导管分子；F，形成层区纺锤形原始干细胞；R， 形成层区射线原始细胞；PCL，韧皮部类似干细胞群

接着，对发育中的杨树茎进行了空间转录组（spatial transcriptome, ST）和RNA-seq分析。从SA及IN1-3、IN5、IN7共六个代表性切片中获得了4411个高质量的空间数据中，共确定了17个不同的cluster（图2A）。这17个不同的cluster对应了17个不同发育阶段的植物组织（图2C）。结果表明，原形成层干细胞衍生的子细胞分别分化形成韧皮部干细胞，以及维管形成层干细胞的特征表达的基因（图2）。

图2 构建从初生和次生分生组织的空间转录组图谱。

（A）初生和次生分生组织的聚类分析。SA、IN1、IN2、IN3、IN5和IN7的4411个点的二维UMAP表示。（B）初生和次生分生组织的亚群分析。初生维管组织簇（C1）、形成层的次级维管结构域（C11）和韧皮部（C14）的亚簇的UMAP。次生分生的亚簇：PCL结构域（C14.0/PCL）和从韧皮部结构域簇C14分化韧皮部（C14.1/DPh）。

此外，作者进一步对韧皮部的PCL细胞（类原形成层细胞）和CZ中的F分生细胞（形成层区纺锤形细胞）进行了亚群分析。代表韧皮部的C14 cluster分成了C14.0和C14.1（图2B、D）。在C14.0/PCL中高度富集的基因包括：DNA复制和细胞增殖基因、分生识别基因、韧皮部识别基因和功能未定的新基因（图3A、C-D）。同时，在PCL和CZ数据中也分别富集了各自的特异性标记基因：韧皮部身份基因在PCL结构中特异性富集，而形成层和木质部细胞身份基因在CZ结构中富集（图3A）。

图3 初生和次生分生组织中的代表性基因表达。

（A）Violin图显示了标记基因在初生和次生分生组织中的表达模式。PC或MC分生组织特异性表达标记基因；PC、MC、PCL和CZ结构域共富集标记基因，PCL或CZ结构区特异性富集标记基因相应显示。

（B-F）（B）UMAP图显示PC分生组织特异性富集的标记基因；（C）UMAP图显示PC、MC、PCL和CZ结构域共富集标记基因的UMAP图；（D）UMAP图显示PCL结构域富集的韧皮部同一性基因；（E）UMAP图显示了富含CZ分生组织结构域的木质部同一性基因；（F）UMAP图显示MC分生组织结构域富集标记基因。

进一步应用原位杂交技术验证了次生分生组织中marker基因在杨树茎中的空间表达模式（图4）。结果证实了空间转录组的准确性。

图4 次生分生组织中两种分生组织池的验证

接着，作者通过拟时序分析方法，分析了分生组织到韧皮部组织的发育轨迹（图5A-F），结果表明PCL细胞是从PC分生细胞发育而来的，并且最有可能在韧皮部结构中产生韧皮部细胞。

同时对分生组织到木质部组织进行了发育轨迹（图5G-L），结果显示，CZ由PC和MC分生组织发展而来，并且很可能在次生生长期间产生SXy。

图5 韧皮部和木质部的分化轨迹。

（A-F）从原形成层到次生韧皮部的分化轨迹。（G-L）从原形成层到次生木质部的分化轨迹。

最后，作者对这些主要的细胞类型及其发生方式进行了总结，并提出了一种新的假设模型（图6）。该研究为维管组织发育、木材形成机制和陆生维管植物进化等研究提供了数据支撑。

图6 杨树茎从初生维管组织到次生维管组织的发育轨迹综述。

总结?? ? ? ? ?? ? ?

本研究提供了参与木质茎纵向和径向生长的初级和次级分生组织的高分辨率时空细胞分化图谱，并为未来研究维管组织发育和陆地维管植物进化提供了资源。同时也为木材形成的分子育种，调控植物生长发育与抗逆提供新的研究视角。

参考文献

High-resolution anatomical and spatial transcriptome analyses reveal two types of meristematic cell pools within the secondary vascular tissue of poplar stem. Molecular Plant, 2023.