植物的衰老往往伴随着新的生活。在衰老的过程中，叶子并不是简单的枯萎和脱落，而是悄悄地进行资源转移，将积累的碳、氮等营养物质分解，转移到花瓣、水果甚至根部，以“牺牲”自己，以换取水果的健康生长。

在叶子老化的过程中，植物细胞如何协调时间和空间?参与调节的关键基因是什么?4月11日，一项发表在《细胞》上的最新研究为这些问题提供了答案。来自武汉华大生命科学院、华大生命科学院基因组多维分析技术国家重点实验室、南方科技大学等单位的研究人员，利用单细胞组学技术和时空组学技术，构建了植物取样阶段最完整、数据量最大的单细胞地图，揭示了叶衰老的关键分子机制。

中国科学院教授朱玉贤评论说，这项研究不仅加深了人们对植物衰老制度的理解，而且从植物向作物的转变搭建了桥梁。数据和发现有望在未来的作物遗传改良中发挥重要作用。

破解叶子老化的“分子密码”

叶子老化与植物的产量和营养利用效率直接相关。在农作物中，适度减缓叶子老化通常有助于提高产量，但过度延迟可能导致营养物质无法有效地转移到子粒中，影响最终产量。因此，如何准确地控制衰老过程，以平衡产量和质量一直是育种学中的一个主要问题。

为了揭示叶片的老化过程，研究团队自主研发了DNBelababa技术，基于华大单细胞组学技术 Stereo技术C4和时空组学技术-seq，913769个高质量的单细胞核转录组涵盖了拟南芥各组织全生命周期的关键阶段，构建了植物取样阶段最完整、数据量最大的单细胞图(也包括每个组织的单细胞图)，确定了38种细胞类型。

“基于这张地图，我们分析了衰老过程中关键细胞类型和基因的动态变化，并准确量化了植物叶片的衰老状态。”武汉华大生命科学研究院植物多维组学与农业应用重点科学家郭兴介绍。

筛选出1856个核心衰老相关基因和1875个年轻相关基因，创新性地提出了“衰老指数”(SAG-index)与“年轻指数”和“年轻指数”(YAG-index)，通过分析每个阶段叶片中基因转录表达的差异，可以评估每个细胞的衰老水平，完成单细胞分辨率下叶片衰老状态的定量评估。

研究小组发现，即使在绿叶中，一些细胞也显示出较高的衰老指数，这表明叶子的衰老过程可能已经悄然开始。基于衰老指数和年轻指数，研究小组建立了一个表达基因调节网络，选择了几个重要的节点基因，这些基因可能在衰老过程中发挥重要作用。这一创新工具不仅为深入分析植物衰老的分子机制提供了有力的支持，而且为植物衰老过程的监测和调节开辟了新的途径。

“研究所检测到的许多关键基因都提供了隐藏的分子目标。其中一些基因也可能在水稻、小麦和其他作物中发挥同样的作用。未来，如果通过分子育种进行调节，有望培育出叶衰老规律改善、营养再分配效率更高的新作物品种。”朱玉贤评论道。

高效运行的营养成分“运输网”

碳和氮是植物的重要营养物质，主要保存在叶子、茎、根和其他组织中。那么，在叶子老化的过程中，碳和氮是如何运输和分配的呢?

在进一步的研究中，研究小组发现，在叶片老化过程中，其营养物质的转移涉及到一个复杂的碳氮“运输系统”。他们发现一些关键基因作为“搬运工”，如糖转运蛋白SWET、SUC/STP家族中的基因负责将糖从叶子输送到花瓣和果荚，或参与糖的回收;氨基酸转运蛋白Umamit、AAAP家族基因负责将氨基酸从叶子输送到其他部分或回收到叶子中。

有趣的是，类似的碳氮分配机制也出现在植物的其他器官中。研究小组发现，特定的碳和氮转运蛋白组合在根、茎、花和豆荚的运输、回收和重分配中起着重要的作用。这些研究结果揭示了植物如何在叶子老化过程中有效地转移碳和氮营养，为了解植物的营养分配机制提供了重要的分子基础。

长期以来，叶衰老的分子机制一直是植物发育生物学的重要科学问题之一。在从绿色到黄色的过程中，叶子包含了复杂的时空控制网络和资源再分配机制，但受技术手段的限制，人们过去对这个过程的认识主要停留在植物器官上。

“这项研究不仅绘制了第一个拟南芥单细胞的全图，而且将植物叶衰老的研究提高到了单细胞的精度。未来，随着更多植物单细胞图谱的构建和多组学数据的结合，有望对植物叶衰老形成更系统、更准确的理解，为作物育种和栽培管理提供理论支持。”中国科学院分子植物科学优秀创新中心研究员王佳伟对该研究表示评价。

“这项研究不仅提高了我们对植物营养分配策略的理解，而且为提高作物营养利用效率和促进绿色农业发展提供了重要的理论依据，系统地分析了植物发育和环境适应机制，为植物科学领域带来了新的研究范式和应用价值。”郭兴说。