近日，77779193永利官网林学院杉木研究团队的帅鹏副教授联合多名台湾高校学者在《The Plant Cell》（植物细胞）期刊发表重要成果，标题为:《Single-cell and spatial omics reveal progressive loss of xylem developmental complexity across seed plants》（单细胞与空间组学揭示种子植物木质部发育复杂性的渐进性丧失）。此研究结合跨领域团队的专业与技术，通过单细胞转录组与空间多组学等平台，率先揭示出裸子植物中更为复杂的祖先木质部结构，提出从裸子植物到被子植物的轴向发育程序存在渐进式简化，这一发现阐明了种子植物维管发育遵循简化进化的轨迹，为理解木质部发育提供崭新视角。
木质部作为地球上最庞大的生物量，其形成依赖于种子植物特有的次生生长。种子植物中的次生木质部由两个系统组成：径向系统（向内和向外生长）和轴向系统（向上和向下生长）。裸子植物和被子植物是种子植物中两个演化支系。它们的径向系统均由射线薄壁组织细胞（ray parenchyma cell）构成。在轴向系统中，被子植物轴向系统由导管分子（vessel element）和韧型纤维（libriform fiber）组成分别执行水分运输和机械支撑的功能，而裸子植物仅含有的管胞（tracheid）能够同时执行这两种功能。近期在被子植物中的两项研究，通过单细胞RNA测序发现被子植物中轴向系统中的发育谱系存在两种变异（真双子叶类和木兰类），而射线薄壁组织细胞的径向发育谱系则是保守的。而裸子植物木质部的发育仍有待破解，它的发育程序是否与被子植物一致还是不一样？这些是植物学家对于木质部发育致力探索的未知谜团。
图1.裸子植物与被子植物的系统发育关系及茎分化木质部细胞谱系特征
本研究成功获得裸子植物杉木的木质部原生质体细胞并建立了单细胞的转录组(scRNA-seq)图谱。通过单细胞分析软件（Seurat和scVI）与团队先前发表的四个被子植物的木质部scRNA-seq结果比较，包括鹅掌楸（木兰类）、昆栏树（基部真双子叶类）、毛果杨与桉树（核心真双子叶类），研究揭示了径向系统在种子植物中是保守的，而杉木的轴向系统则展现出复合谱系结构，兼具真双子叶植物和木兰类植物的特征。为验证这些轨迹，团队建立了一个整合空间转录组学、空间蛋白质组学和空间代谢组学的多模态空间框架。这三个空间层面提供了正交证据，共同证实了细胞类型身份和轨迹推断的可靠性。
图2. 整合单细胞与空间多组学揭示种子植物木质部发育的演化轨迹及杉木特有细胞群
除此之外，研究还发现杉木木质部存在特有的细胞群体（见图红色细胞群体）。通过转录组相似性分析木质部细胞发育谱系显示，这些杉木特有的细胞类型主要源自代表导管分子的细胞群体，但分化程度高于导管分子。进一步通过分析杉木特有细胞的基因表达模式，发现杉木特有细胞群体由直系同源基因的差异表达模式产生，它们表现出木质部发育晚期的保守功能特征。
永利官网林学院帅鹏副教授和台湾大学谢若微博士、高仲霆博士为论文共同第一作者，台湾大学林盈仲教授、麦德伦助理教授和台湾成功大学陈盈岚副教授为论文共同通讯作者。林学院已毕业硕士生黄铄添、刘娇、张丽霞为本研究作出重要贡献。该研究得到国家自然科学基金（31971626和31600481）等项目的资助。
据悉，林学院杉木团队与台湾高校师生的科研合作基础扎实。2014年共同申请的国家自然科学基金(海峡联合基金项目)“磷高效利用杉木基因型适应间歇脉冲供P环境的阶段性响应机制”获得资助；团队的帅鹏老师与台湾大学、台湾中兴大学等高校师生以共同作者分别于2017年在PNAS杂志发表论文Reciprocal cross-regulation of VND and SND multigene TF families for wood formation in Populus trichocarpa和2023年在Genome Biology杂志发表论文Single-cell transcriptomics unveils xylem cell development and evolution，积极推进了闽台林学学科建设的合作与交流。
论文共同第一作者
帅鹏，77779193永利官网林学院副教授、硕士生导师，中国林学会杉木专业委员会委员，长期从事杉木低磷胁迫响应分子机制和杉木人工林高效培育研究，主持杉木领域国家自然科学基金2项，以第一作者或通讯作者在The Plant Cell、Journal of Experimental Botany、BMC Genomics、东北林业大学学报、森林与环境学报、福建农业学报等期刊发表论文10余篇。
原文连接：https://doi.org/10.1093/plcell/koaf253