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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境中，沒有根、莖和葉等器官，也不能通過維管束進行水分和養分的輸送。盡管苔蘚植物在進化上具有重要性，并且擁有相對簡單的植株構造，但是人們對于其細胞類型組成以及成熟和衰老的軌跡還知之甚少。近十年來，單細胞測序技術的快速發展為人們回答這些問題帶來了契機。

(資料圖片僅供參考)

6月14日，《發育細胞》（ Developmental Cell ）在線發表了中國科學院分子植物科學卓越創新中心研究員王佳偉團隊題為 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，利用時間分辨的單細胞轉錄組測序技術（time-resolved scRNA-seq）描繪了全球首張苔蘚類植物的細胞圖譜。該圖譜揭示了地錢由休眠孢芽（dormant gemma）發育成為成熟葉狀體（mature thallus）的細胞類型動態變化軌跡，并在單細胞分辨率下確定了葉狀體的兩個成熟和衰老軌跡：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間逐漸下降的時間衰老軸（temporal axis）。

以地錢特有的油細胞（oil body cell）為例，靠近中脈頂端分生組織區域的幼年期油細胞主要進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。隨著時間的推移，葉狀體基部的成年期油細胞則逐漸轉向進行光合作用，提供葉狀體發育所需的能量。

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

該研究不僅為其他苔蘚植物單細胞圖譜的繪制提供了有益參考，而且還為陸地植物細胞類型演化規律的研究奠定了良好基礎。此外，研究人員在地錢單細胞圖譜中發現了一些細胞類群特異性基因，這將為人們進一步闡明地錢年齡進程的調控機理提供寶貴的基因資源。

相關研究工作得到國家自然科學基金委基礎科學中心項目、中國科學院戰略性先導科技專項等的支持。

(A) UMAP展示地錢休眠孢芽（第0天）到成熟葉狀體（第31天）的單細胞圖譜。圖中每個點代表一個細胞，同一顏色代表同一細胞類群。圖譜總計46136個細胞，共21個細胞類群。(B) UMAP展示孢芽和葉狀體細胞類群的時間變化軌跡。6種顏色標識6個取樣時間點。圖中可以看到，單細胞轉錄組存在巨變（孢芽萌發）和漸變（葉狀體發育過程）的兩種情形。(C) 地錢葉狀體頂端和基部油細胞沿中脈成熟和衰老示意圖。頂端幼年期油細胞產生大量有毒次生代謝產物，而基部成年期油細胞則轉向進行光合作用。(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）的發育過程（注：葉狀體形狀與大小隨發育進程而逐漸改變）。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間衰老軸。孢芽杯的形成可以導致葉狀體頂端分生組織活性的下降。

來源： 中國科學院分子植物科學卓越創新中心

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