Science：玉米根的单细胞图揭示了细胞多样性的调节因子

一项新的研究使用了新颖的单细胞图谱技术来揭示植物是如何增加新的细胞层来帮助它们抵抗气候压力，如干旱或洪水。这项研究的重点是玉米——一种世界上非常重要的作物——试图创建一幅植物根系细胞逐细胞的地图，该植物根系可以调节干旱胁迫并从土壤中吸收养分和肥料。

“我们发现了玉米是如何扩展其皮层组织的，这是农作物根系的主要组成部分。在皮层组织上增加层次是一个关键的进化特征，它产生了植物耐受干旱和洪水并提高营养吸收的方式。”纽约大学(New York University)生物系、基因组学和系统生物学中心(Center for Genomics and Systems Biology)教授肯尼斯·伯恩鲍姆(Kenneth Birnbaum)说，他是这篇发表在《科学》(Science)杂志上的论文的资深作者。

伯恩鲍姆补充说:“这些特性将成为让植物抵御全球变暖并减少作物碳足迹的关键目标。”伯恩鲍姆在纽约大学的实验室与冷泉港实验室和宾夕法尼亚大学的研究人员合作领导了这个项目。

为了绘制玉米根的单细胞图谱，研究人员首先利用细胞壁消化酶分解根，生成单个的自由漂浮的细胞。新的方法允许他们利用微型液滴单细胞测序技术来分析单个细胞的mRNA含量，这些不同的分子特征导致了特定类型的特殊细胞。

接下来，他们将这些细胞绘制回它们在玉米根中的位置，类似于在没有向导的情况下拼出一幅一万块的拼图。为了解决这个难题，研究人员使用荧光染料在不同的深度渗透到根组织中，标记和隔离不同的层，就像分离洋葱的层，给他们提供基因标记来绘制单个细胞。

“这第二层信息本质上给了我们一个谜盒，让我们能够精确地将细胞定位到适当的位置，从而在整个玉米根中重建一个基因表达的3D模型。”纽约大学基因组学和系统生物学中心以及位于墨西哥的佐治亚大学国家实验室Genómica para la Biodiversidad的Carlos Ortiz Ramirez说，他是这项研究的第一作者。

玉米根的新图谱揭示了以前未描述的根皮层的细胞特化。皮质尤其重要，因为它包含了早期玉米根的大部分，有十多层。此外，皮层细胞亚型对于帮助作物应对环境胁迫的性状至关重要。例如，内层皮层是共生真菌与植物交换营养的地方，加强合作可以帮助减少农业的碳足迹。皮层的中间层形成空气通道，使气体在洪水中交换，而在干旱胁迫下，皮层的按需扩展可以减少水分流失。

Ortiz Ramirez说:“使用我们的玉米根的3D模型，我们绘制了四个不同的皮层层特征，这可以为进一步改善共生、洪水和干旱提供重要的遗传目标。”

此外，研究小组在玉米根的新图谱中发现了玉米如何产生额外皮层的线索。特别是，被称为短根(SHORT ROOT, SHR)的关键基因调节剂，其功能在不同的植物中是相似的，它的位置与其他只有一层皮层的植物不同。

拟南芥是一种小型开花植物，通常被用作植物生物学的模式生物。在拟南芥中，SHR是第一个被证明可以在细胞间移动的转录因子之一，允许内部细胞类型向中间层发出指令，以创建新的组织。这使得SHR成为一种局部组织者，引导根组织围绕一个核心模式聚集。然而，在玉米中，单细胞图谱显示SHR位于紧邻多层皮层的一个新位置，这是扩展多层皮层的一个方便的“起点”。事实上，研究人员跟踪了SHR蛋白的运动，发现它是过度运动的，在大脑皮层中不仅仅是一层而是多层运动。

此外，干扰玉米和玉米相对谷子SHR功能的突变严重减少了皮层层的数量。这表明了SHR如何保持其在扩大组织层和产生新的细胞身份方面的主要作用，但改变了位置，增加了新的细胞类型，最终使玉米能够应对环境压力。

Birnbaum说:“识别SHR具有皮质扩张的关键调节因子是重要的第一步。”“进一步研究，调整这些调节因子可以提供工具来改变皮质层或子类的数量，从而提高它们抵御干旱等气候压力的能力，或改善氮吸收，让植物使用更少的肥料或在营养不良的土壤中生长。”

Ground tissue circuitry regulates organ complexity in maize and Setaria