单细胞组学揭示植物再生与发育中细胞命运调控的新机制

《Journal of Plant Research》：Single-cell technologies illuminate new frontiers in de novo organogenesis of plants

本刊推荐：为解决植物de novo organogenesis过程中细胞异质性高、传统批量分析难以解析细胞状态转变的难题，研究人员聚焦单细胞/单核转录组学技术，开展了跨物种、多器官形成的比较研究。结果表明，该技术能揭示此前被掩盖的细胞群体动态、关键转录网络（如PXY-WOX4-HB15模块）及物种间保守的调控原则，对作物育种、寄生植物防控及林木无性繁殖具有重要指导意义。

　　

在植物王国中，生物体展现出令人惊叹的再生与发育能力。无论是从一片叶子或一段茎秆重新长出完整的植株，还是在正常生长过程中形成新的侧根或不定根，这些过程都依赖于一种被称为“de novo organogenesis”（从头器官发生）的基本机制。更为奇特的是，某些寄生植物能够通过形成一种称为“吸器”（haustorium）的特殊器官，侵入宿主植物并建立维管连接，这堪称一种跨物种的从头器官发生。理解这些多样化的器官发生事件，对于作物育种、林木无性繁殖乃至控制寄生植物危害都具有深远的意义。然而，深入研究这些过程面临着巨大的挑战，因为它们通常发生在高度异质性的组织内部，伴随着复杂的细胞重编程。传统的批量分析方法，如同将多种颜色的颜料混合，最终得到一种平均色，从而掩盖了不同细胞类型之间的细微差异和状态转变，甚至可能完全忽略了那些正在进行活跃器官发生的稀有细胞群体。

正是在这一背景下，单细胞技术，特别是单细胞转录组学（single-cell transcriptomics）和单核RNA测序（single-nucleus RNA sequencing），如同高倍显微镜般照亮了这片未知的领域。这些技术能够逐个分析成千上万个细胞的基因表达谱，从而解析组织的细胞组成多样性，追踪细胞命运决定的动态轨迹，并识别出在器官发生中扮演关键角色的稀有细胞群体。近期发表在《Journal of Plant Research》上的一系列研究，正是利用这些前沿工具，对植物从头器官发生的共享原则和独特途径进行了深入探索。

为了揭示这些复杂过程，研究人员主要运用了几项关键技术。首先是单细胞/单核RNA测序（scRNA-seq/snRNA-seq），用于解析复杂组织（如维管组织、愈伤组织）中的细胞异质性和转录状态。其次，通过整合批量RNA测序（bulk RNA-seq）数据，对特定细胞群体的基因表达模式进行验证和深入分析。此外，跨物种比较分析被用于鉴定在进化上保守的调控模块，例如在拟南芥（Arabidopsis thaliana）和日本松蒿（Phtheirospermum japonicum）中都存在的调控原形成层（procambium）形成和维管模式的基因网络。

Cui等（2025）的研究：揭示寄生植物与宿主间维管连接的分子对话

Cui及其同事将研究焦点投向了寄生植物吸器形成这一独特的跨物种从头器官发生过程。通过整合单核RNA测序和批量RNA-seq数据，他们揭示了寄生植物日本松蒿和其模式宿主拟南芥在吸器侵入位点的细胞异质性和转录调控网络。研究发现，尽管存在物种界限，但寄生植物和宿主植物在建立维管连接时，可能共享一些核心的分子调控通路。例如，他们鉴定了一个在两种植物中都活跃的基因调控模块，即PXY（一种受体激酶）-WOX4（WUSCHEL-RELATED HOMEOBOX 4）-HB15（一类同源框蛋白）模块，该模块已知参与原形成层的维持和木质部（xylem）-韧皮部（phloem）的模式建成。这一发现暗示，寄生植物可能不仅仅是单方面地侵入宿主，它还可能通过分子信号“诱导”或“协调”宿主的维管组织发育，以促进连接双方维管系统的“木质部桥”（xylem bridge）的形成。这项研究不仅深化了我们对极端物种间相互作用的理解，其揭示的保守通路也为开发干扰寄生植物侵染、减轻作物损失的策略提供了潜在的分子靶点。

Liu等（2024）的综述：剖析木本植物不定根形成中的激素网络

Liu等人的综述文章则将视野转向了与林业和园艺实践密切相关的木本植物不定根（Adventitious Root, AR）形成。文章系统梳理了从模式植物拟南芥中获得的知识如何延伸应用到树木研究中。不定根的形成是扦插繁殖（cutting propagation）成败的关键，而扦插繁殖是林木和园艺作物无性繁殖技术的基石。该综述详细阐述了控制不定根形成的复杂激素信号网络，其中生长素（auxin）被确立为主要调控因子。文章进一步详述了茉莉酸（jasmonic acid）、乙烯（ethylene）、独脚金内酯（strigolactones）、细胞分裂素（cytokinins）、赤霉素（gibberellins）和脱落酸（abscisic acid）等多种激素在其中的贡献，突出了激素间错综复杂的交叉对话（crosstalk）以及不同物种间存在的特异性差异。作者强调，理解这些动态变化，特别是在难以生根的木本物种中，对于提高再生效率至关重要。从应用角度，文章探讨了诸如使用生根促进剂（如4-氯苯氧乙酸-L-色氨酸甲酯）等方法来衔接基础生物学知识与植物繁殖实践，并指出组织年龄、发育阶段等因素对生根能力的影响。未来，利用新一代测序、计算模型和改良的遗传转化系统，将有助于更深入地阐明木本植物中不定根形成的分子控制机制。

Morinaka等（2025）的综述：单细胞视角下的多情境器官发生比较

Morinaka等人的文章则提供了一个更为广阔和综合的视角，他们通过单细胞方法比较研究了多种情境下的从头器官发生，包括侧根形成、不定根形成、芽再生和体细胞胚胎发生（somatic embryogenesis）。这篇综述并非局限于单一器官或物种，而是提供了一个多层次的比较性观点，直接呼应了本期特刊探索植物器官发生多样性与共享原则的主题。作者强调了单细胞转录组学的技术影响力，指出该技术揭示了批量分析中难以捕捉的转录状态转变和关键细胞群体，从而使得发现新的调控基因和网络成为可能，将我们对细胞重编程（cellular reprogramming）的理解推向新高度。展望未来，作者认为，将时序单细胞分析与空间转录组学（spatial transcriptomics）相结合，以高分辨率追踪重编程动态，将是推动该领域进一步发展的关键。

综上所述，本期《Journal of Plant Research》特刊通过Cui、Liu和Morinaka等研究者的工作，有力地展示了单细胞和单核技术在植物器官发生研究中的变革性力量。这些研究共同表明，单细胞方法能够捕捉细胞动态、时间进程和空间关系，这些是传统批量方法无法解析的。随着这些分析技术被应用于模式物种、非模式木本植物乃至跨物种相互作用的研究中，它们将更进一步揭示从头器官发生的多样性和共同遵循的规律。这些深刻的见解有望推动作物育种、寄生植物防控以及可持续林业和园艺业的进步。未来，将时序单细胞数据与空间转录组学联系起来，完善计算模型，并将这些工具扩展到主要农作物研究中，将是至关重要的。广阔的、跨学科的视角对于将这些科学进步转化为更深入的生物学理解和实际应用效益，将起到关键性的作用。