近日，Plant Biotechnology Journal在線發(fā)表了中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所蔬菜分子設(shè)計育種團隊完成的題為“Single-cell transcriptome reveals differentiation between adaxial and abaxial mesophyll cells in Brassica rapa”（單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序揭示了大白菜背腹面葉肉細(xì)胞的分化）的論文。該研究系統(tǒng)揭示了大白菜葉片單細(xì)胞的異質(zhì)性，并在單細(xì)胞水平區(qū)分了葉片腹面的柵欄組織細(xì)胞和背面的海綿組織細(xì)胞，同時揭示了這兩類細(xì)胞的分化，是大白菜葉球形成機制研究的一個重要進(jìn)展。
白菜類蔬菜屬于十字花科蕓薹屬，是我國重要的葉菜類蔬菜作物，包含了許多葉片形態(tài)多樣的亞種，如結(jié)球的大白菜和非結(jié)球的小白菜、菜心、水菜和烏塌菜等。葉肉細(xì)胞既是葉片中最大的細(xì)胞群，也是光合作用的主要場所，包括了葉片腹面的柵欄組織和背面的海綿組織。柵欄組織和海綿組織細(xì)胞的差異和分化對于維持葉片形態(tài)具有重要意義。近年來隨著單細(xì)胞RNA測序技術(shù)的應(yīng)用，在單細(xì)胞水平探索葉片柵欄組織和海綿組織細(xì)胞之間的分化，并確定其關(guān)鍵的調(diào)控基因，對于揭示白菜類蔬菜作物葉片發(fā)育和葉球形成的機制非常重要。然而，人們對其知之甚少。
該團隊通過單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序構(gòu)建了大白菜葉片的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜，其中包含16,055個高質(zhì)量細(xì)胞，涵蓋8種細(xì)胞類型即葉肉細(xì)胞、表皮細(xì)胞、維管細(xì)胞、維管束鞘、保衛(wèi)細(xì)胞、增殖細(xì)胞、韌皮部和木質(zhì)部。該團隊進(jìn)一步采用改良的tape-sandwich方法分離了葉片柵欄組織和海綿組織，通過轉(zhuǎn)錄組分析和原位雜交，發(fā)現(xiàn)并驗證了一批新的標(biāo)記基因，從而將腹面的柵欄細(xì)胞和背面的海綿細(xì)胞在單細(xì)胞水平上區(qū)分開來。單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)了二者之間存在明顯的功能差異，即柵欄細(xì)胞主要行使光合作用，而海綿細(xì)胞主要響應(yīng)外部環(huán)境刺激。而且還發(fā)現(xiàn)，柵欄細(xì)胞富含大量核糖體蛋白編碼基因，其中部分同源基因在擬南芥中已經(jīng)被證明參與了葉片背腹極性的建成。有趣的是，大多數(shù)已知的背腹極性基因在成熟葉片中幾乎不表達(dá)，而是在葉片發(fā)育的起始或早期階段特異性表達(dá)。
該研究為進(jìn)一步了解白菜類和其他蕓薹屬作物的葉片發(fā)育和形態(tài)發(fā)生的復(fù)雜過程提供了新的見解。此外，本研究還提供了許多細(xì)胞類型特異性標(biāo)記基因，這將促進(jìn)單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)在白菜中的應(yīng)用。研究結(jié)果對解析大白菜葉球形成機制具有重要意義。
蔬菜分子設(shè)計育種團隊已畢業(yè)博士生郭新磊和梁建麗副研究員為共同第一作者，武劍研究員、王曉武研究員為論文通訊作者。本研究得到了國家重點研發(fā)計劃（2021YFF1000101）、基本科研業(yè)務(wù)費（Y2020PT21）和創(chuàng)新工程項目的支持。
