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苔蘚植物是植物界最原始的類群之一，它們生長在濕潤和陰暗的環(huán)境中，沒有根、莖和葉等器官，也不能通過維管束進(jìn)行水分和養(yǎng)分的輸送。盡管苔蘚植物在進(jìn)化上具有重要性，并且擁有相對簡單的植株構(gòu)造，但是人們對于其細(xì)胞類型組成以及成熟和衰老的軌跡還知之甚少。近十年來，單細(xì)胞測序技術(shù)的快速發(fā)展為人們回答這些問題帶來了契機(jī)。

(資料圖片僅供參考)

6月14日，《發(fā)育細(xì)胞》（ Developmental Cell ）在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心研究員王佳偉團(tuán)隊(duì)題為 The maturation and aging trajectory of Marchantia polymorpha at single-cell resolution 的研究論文。該研究以苔類植物地錢（ Marchantia polymorpha ）為模式，利用時(shí)間分辨的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)（time-resolved scRNA-seq）描繪了全球首張?zhí)μ\類植物的細(xì)胞圖譜。該圖譜揭示了地錢由休眠孢芽（dormant gemma）發(fā)育成為成熟葉狀體（mature thallus）的細(xì)胞類型動(dòng)態(tài)變化軌跡，并在單細(xì)胞分辨率下確定了葉狀體的兩個(gè)成熟和衰老軌跡：即組織和器官沿中脈頂端（tip）至基部（base）逐漸成熟衰老的空間衰老軸（spatial axis）以及頂端分生組織活性隨時(shí)間逐漸下降的時(shí)間衰老軸（temporal axis）。

以地錢特有的油細(xì)胞（oil body cell）為例，靠近中脈頂端分生組織區(qū)域的幼年期油細(xì)胞主要進(jìn)行次生代謝化合物的合成工作，這些有毒代謝物的積累是地錢抵御昆蟲取食的主要方式。隨著時(shí)間的推移，葉狀體基部的成年期油細(xì)胞則逐漸轉(zhuǎn)向進(jìn)行光合作用，提供葉狀體發(fā)育所需的能量。

此外，研究還觀察到分生組織活性的下降與地錢營養(yǎng)繁殖器官孢芽杯（gemma cup）的形成密切相關(guān)，提示“優(yōu)先把能量分配給繁殖以保證產(chǎn)生后代”這一策略在地錢中同樣存在，是一個(gè)古老且進(jìn)化上保守的發(fā)育機(jī)制。

該研究不僅為其他苔蘚植物單細(xì)胞圖譜的繪制提供了有益參考，而且還為陸地植物細(xì)胞類型演化規(guī)律的研究奠定了良好基礎(chǔ)。此外，研究人員在地錢單細(xì)胞圖譜中發(fā)現(xiàn)了一些細(xì)胞類群特異性基因，這將為人們進(jìn)一步闡明地錢年齡進(jìn)程的調(diào)控機(jī)理提供寶貴的基因資源。

相關(guān)研究工作得到國家自然科學(xué)基金委基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)等的支持。

(A) UMAP展示地錢休眠孢芽（第0天）到成熟葉狀體（第31天）的單細(xì)胞圖譜。圖中每個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)細(xì)胞，同一顏色代表同一細(xì)胞類群。圖譜總計(jì)46136個(gè)細(xì)胞，共21個(gè)細(xì)胞類群。(B) UMAP展示孢芽和葉狀體細(xì)胞類群的時(shí)間變化軌跡。6種顏色標(biāo)識6個(gè)取樣時(shí)間點(diǎn)。圖中可以看到，單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組存在巨變（孢芽萌發(fā)）和漸變（葉狀體發(fā)育過程）的兩種情形。(C) 地錢葉狀體頂端和基部油細(xì)胞沿中脈成熟和衰老示意圖。頂端幼年期油細(xì)胞產(chǎn)生大量有毒次生代謝產(chǎn)物，而基部成年期油細(xì)胞則轉(zhuǎn)向進(jìn)行光合作用。(D) 地錢葉狀體的兩條成熟和衰老軌跡。圖片上部示意圖展示了地錢從休眠孢芽（第0天）到成熟葉狀體（第31天）的發(fā)育過程（注：葉狀體形狀與大小隨發(fā)育進(jìn)程而逐漸改變）。底部堆疊示意圖展示了葉狀體的兩條成熟和衰老軌跡，即沿著中脈逐漸成熟衰老的空間衰老軸以及位于頂端分生組織的時(shí)間衰老軸。孢芽杯的形成可以導(dǎo)致葉狀體頂端分生組織活性的下降。

來源： 中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心

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