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在植物生长中，木质形成至关重要，但其调控机制不明。研究人员开展了独脚金内酯（SL）信号通路对植物导管形成影响的研究。结果发现 SL 信号通路负调控导管形成，影响植物水分利用。这为增强植物抗旱性提供了新视角。
在神奇的植物世界里，植物的生长就像一场精妙的舞蹈，每一个环节都至关重要。木质形成，作为植物生长的关键部分，如同植物的 “运输大动脉”，通过导管分子实现水分和养分的运输。导管分子来源于形成层干细胞（CSCs），CSCs 像一群神奇的 “建筑工人”，能双向产生维管细胞类型。然而，目前对于 CSCs 的调控机制以及细胞命运轨迹，科学家们还知之甚少。
在植物的水分运输过程中，木质部相关的水分运输依赖于蒸腾作用和导管分子中的负压，将根部的水分和矿物质输送到叶片进行光合作用。但一旦水分运输出现问题，比如遭遇干旱或栓塞，植物的 “生命活动” 就会受到严重影响，光合作用效率和代谢速率降低，甚至可能导致植物死亡。而且，水分运输的效率很大程度上取决于导管分子的形态和大小，虽然理论上存在能调节导管分子形成以适应水分变化的途径，但在形成层驱动的木质部形成过程中，这一途径尚未被发现。
为了解开这些谜团，德国海德堡大学发育生理学中心等多个研究机构的研究人员展开了深入研究。他们通过一系列实验，发现独脚金内酯（SL）信号通路在植物导管形成过程中起着关键的调控作用，这一研究成果发表在《Nature Communications》上，为我们理解植物生长和应对环境变化提供了新的视角。
研究人员在此次研究中主要运用了以下几种关键技术方法：一是单细胞核 RNA 测序（snRNA-seq），通过对拟南芥下胚轴细胞核进行提取、过滤、纯化和测序分析，全面揭示细胞状态；二是基于平板的 “通过 dA 加尾进行单细胞转录组分析”（VASA-seq）方法，该方法能捕获更多类型的 RNA，增加分析深度；三是利用荧光标记和显微镜技术，如通过 Strigo-D2 传感器监测 SL 信号活性，以及对植物组织进行染色和成像观察细胞结构。
下面来看看具体的研究结果：
- snRNA-seq 分析径向生长：研究人员建立了基于 snRNA-seq 的拟南芥下胚轴图谱，通过对处理后的细胞核进行分析，检测到大量转录基因，覆盖近 70% 的拟南芥注释基因。经无监督聚类获得 18 个细胞簇，成功注释出多种细胞类型，还鉴定出 CSC 相关簇。此外，运用 VASA-seq 方法进一步分析 CSC，检测到更多基因，再次聚类得到 19 个细胞簇，明确了 CSC 和分裂 CSC 的标记基因，且两种方法结果稳健。
- SL 信号在径向生长中的活性：研究人员通过监测相关基因转录丰度，发现 SL 信号通路相关基因在分裂 CSC 和部分木质部细胞簇中表达较低。利用 Strigo-D2 传感器及相关实验证实，CSC 和发育中的导管元件中 SL 信号活性低于韧皮部和木质部薄壁细胞，且成功鉴定出拟南芥下胚轴中 SL 信号下游的基因。
- SL 信号抑制导管形成：对比 d14 突变体和野生型下胚轴，发现 d14 突变体中发育中导管元件的核丰度增加，组织学分析显示其导管元件密度和大小都有所增加，而 smxl6;smxl7;smxl8 等突变体则相反。这表明 SL 信号通过 SMXL6、SMXL7 和 SMXL8 依赖的方式负调控导管形成，且 SL 信号还影响生长素、脱落酸（ABA）和茉莉酸甲酯（MJ）信号通路。
- 导管发育影响蒸腾作用：研究发现，d14 和 max2 突变体相对含水量降低、水分利用增加、气孔导度升高；smxl6;7;8 突变体则相反。诱导 AUXIN RESPONSE FACTOR（ARF）转录因子 MONOPTEROS（MP）表达增加导管形成的同时，也提高了气孔导度。此外，在缺水条件下，野生型和 d14 突变体的导管形成存在差异，表明 SL 信号在植物缺水时促进导管结构变化。
研究人员通过对拟南芥径向生长的细胞分辨率转录组分析，揭示了 SL 信号通路在形成层依赖的径向生长过程中，对导管元件数量和大小的调控作用。这一发现意义重大，它表明 SL 信号通路在植物适应环境变化、优化水分利用方面扮演着关键角色。而且，SL 信号通路与 ABA 信号通路在导管形成的调控上具有不同功能，这为后续研究植物生长调控机制提供了新的方向。未来，有望基于这些研究成果，通过调控 SL 信号通路来增强植物的抗旱性，提高植物在不同环境中的生存能力，为农业生产和生态保护提供有力的理论支持。
