单细胞核测序揭示十字花科C3-C4中间型植物Moricandia arvensis维管束鞘细胞在光呼吸穿梭中的功能特化

本研究通过单细胞核RNA测序技术解析了十字花科C3-C4中间型植物Moricandia arvensis叶片细胞的转录组特征，发现其维管束鞘细胞(BSC)特异性表达光呼吸关键酶GDC复合体（甘氨酸脱羧酶复合体）及关联代谢通路，包括铵同化、氧化还原调控等模块。该研究首次在单细胞层面揭示了C2光合作用中多途径协同重编程的分子机制，为理解C4光合进化提供了新视角。

　　

光合作用的进化历程中，植物发展出多种碳浓缩机制以提高Rubisco（核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶）的羧化效率。其中C₃-C₄中间型植物通过"甘氨酸穿梭"机制实现光呼吸产物的细胞区室化，但其分子调控网络仍不明确。德国杜塞尔多夫大学Andreas P.M. Weber团队在《Journal of Experimental Botany》发表的研究，利用前沿单细胞技术揭示了十字花科代表物种Moricandia arvensis中维管束鞘细胞(BSC)的功能重塑机制。

研究采用单细胞核RNA测序(snRNA-seq)技术分析M. arvensis第五、六叶片的11,013个细胞核，并与拟南芥(Arabidopsis thaliana)公开单细胞数据集比较。通过免疫金标记验证关键蛋白定位，结合生物信息学分析启动子顺式元件。

"细胞类型鉴定"部分显示，M. arvensis叶片可清晰区分两个叶肉细胞(MC)集群、一个BSC集群及韧皮部、表皮细胞群。BSC特异性表达GDC的P、T、H亚基(GLDP1/GLDT/GDC-H1)和丝氨酸羟甲基转移酶(SHM)，免疫电镜证实这些蛋白在BSC线粒体的富集。与C₃拟南芥相比，M. arvensis有110个基因获得BSC特异性表达模式，其中83个在拟南芥中无BSC偏好性。

"代谢通路重编程"部分揭示，除GDC/SHM系统外，M. arvensis BSC还特异性表达谷氨酸:乙醛酸转氨酶(GGT)、乙醇酸氧化酶(GOX)等光呼吸酶，以及谷氨酰胺合成酶(GS2)、铁氧还蛋白依赖的谷氨酸合酶(Fd-GOGAT)等铵同化相关基因。这种多酶系统共定位可能通过减少氮代谢失衡来稳定C₂循环。比较分析还发现BSC中替代氧化酶(AOX1A)等氧化还原平衡基因的上调，以及质体NADP-苹果酸脱氢酶(NADP-MDH)旁系同源基因的差异化表达。

"顺式调控基础"分析鉴定出NAC083和TGA4转录因子可能通过结合BSC标记基因启动子调控其表达。与C₄禾本科中报道的DOF家族调控不同，这暗示十字花科C₃-C₄进化可能采用独特的转录调控模块。

该研究首次在单细胞层面解析了C₃-C₄中间型植物的代谢区室化特征，发现光呼吸通路的多组件协同转移可能降低了对额外氮穿梭系统的依赖。与禾本科C₄进化路径相比，十字花科C₃-C₄中间型展现出更"经济"的适应策略，仅通过核心光呼吸酶系的重新分布即可建立碳浓缩机制。这些发现为作物光合效率的定向改良提供了新靶点，特别提示C₂工程可能比完整C₄通路更易在双子叶植物中实现。研究建立的跨物种单细胞比较方法也为植物进化发育生物学研究提供了范式。