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在植物发育研究中，为探究气孔谱系基础细胞（SLGC）分化或继续分裂的决定因素，研究人员结合长期活体成像、统计建模和计算模拟开展研究。结果发现细胞大小强烈预测 SLGC 行为，且在多尺度与分裂行为相关。该研究揭示了细胞命运决定机制，意义重大。
在植物的生长发育过程中，细胞命运的抉择就像一场精心编排的演出，每个细胞都面临着 “分化” 与 “继续分裂” 的重要抉择。其中，气孔谱系基础细胞（SLGC）的行为一直是植物学家们关注的焦点。以往的研究中，尽管对 SLGC 有一定了解，但仍存在诸多问题。例如，传统的遗传方法难以确定调控 SLGC 行为的因素，缺乏细胞类型特异性标记使得分离 SLGC 进行转录组学研究困难重重，并且 SLGC 行为的微妙表型也让正向遗传筛选难以开展。为了解开这些谜团，来自斯坦福大学等机构的研究人员开展了一项深入的研究。
这项研究意义非凡，其成果发表在《Nature Communications》上。研究人员通过结合长期活体成像、统计建模和计算模拟等方法，对拟南芥叶片中 SLGC 的发育灵活性进行了探究。研究发现，细胞大小是 SLGC 行为的有力预测指标，且细胞大小在多个空间尺度上与分裂行为紧密相连。在细胞邻域尺度，细胞大小与细胞间信号传导强度相关，进而影响促进分裂的转录因子 SPEECHLESS（SPCH）的降解速率；在亚细胞尺度，细胞大小与核大小相关，从而调节细胞核中 SPCH 的浓度。这一发现揭示了初始 SPCH 水平的差异如何通过核大小和细胞间信号传导来决定 SLGC 这一灵活细胞类型的行为，为理解植物细胞命运决定机制提供了新的视角。
研究人员为开展此项研究，运用了多种关键技术方法。首先是成像技术，利用共聚焦显微镜对拟南芥幼苗进行成像，获取不同时间点的细胞图像，以追踪 SLGC 的发育过程；其次是细胞特征量化技术，借助 ilastik 软件对细胞轮廓进行分割，实现对细胞大小、形状等 15 种特征的半自动化量化；最后是统计分析和建模技术，运用分类回归树、随机森林分类器等方法分析数据，构建基于规则的谱系决策树模型进行模拟，探究影响 SLGC 行为的因素。
下面来看具体的研究结果：
- 出生大小是 SLGC 行为的最强预测指标：研究人员开发了一种成像流程，对 3 天龄拟南芥子叶中 SLGC 从出生到最终发育结果进行多尺度细胞特征测量。通过分类回归树分析发现，SLGC 出生大小是其行为的最强预测指标，其次是出生时间。在不同野生型品系中，较小的 SLGC 更倾向于再次分裂，而较大的则倾向于分化，这与分生组织细胞的情况相反。
- 较大细胞出生时 SPCH 浓度较低：研究聚焦于转录因子 SPCH，通过对表达 SPCH 翻译报告基因的幼苗进行时间序列成像，发现分裂细胞出生时的 SPCH 强度显著高于分化细胞。虽然 SPCH 强度与细胞大小在出生时无显著相关性，但较大细胞出生时的 SPCH 核浓度较低，这表明 SPCH 在较大细胞中被稀释，可能是其分裂频率较低的原因。
- 提高 SPCH 水平可使大 SLGC 更频繁分裂：实验表明，表达 CYCLIN D7;1（CYCD7;1）能诱导大小 SLGC 均发生分裂，说明大 SLGC 具有分裂能力。在过表达 SPCH 的实验中，发现 SPCH 过表达能增加 SLGC 分裂的比例，尤其是在较大细胞中，证实了提高 SPCH 浓度可促进大 SLGC 分裂。
- 信号邻居数量影响 SPCH 降解速率：研究发现 SPCH 强度在所有 SLGC 出生后均下降，且在分化细胞中下降更快。通过分析，发现具有更多信号邻居（分生组织细胞、保卫母细胞或气孔）的 SLGC 更大、分裂更少，且 SPCH 降解速率更高，其中分生组织细胞对邻居效应影响最大。而当 SPCH 响应 MAPK 信号的能力被破坏时，大 SLGC 的分裂潜力不再受大小限制，许多大 SLGC 能够分裂。
- 模型模拟与评估：研究人员构建了基于规则的谱系决策树模型，以探究 [SPCH] 在 SLGC 命运决定中的作用。模拟结果表明，仅考虑 [SPCH] 不足以重现观察到的模式，综合考虑细胞大小、[SPCH] 和信号邻居的模型表现最佳，这意味着存在 SPCH 非依赖途径影响 SLGC 行为。
综合来看，该研究通过定量研究方法，明确了拟南芥叶表皮中 SLGC 的特性和行为。研究表明，SLGC 的分裂潜能受其邻域和核大小的影响，较大细胞因信号邻居更多、核更大导致 [SPCH] 较低，从而分裂较少。同时，研究还发现了 SPCH 非依赖途径，为后续研究指明了方向。这项研究不仅扩展了对细胞大小和行为关系的理解，还揭示了细胞间信号传导在细胞命运决定中的重要作用，为植物发育生物学领域的研究提供了重要的理论依据 。
