楊樹作為重要的模式木本植物，在林業(yè)生產(chǎn)、生物能源和生態(tài)修復(fù)中占據(jù)核心地位。其葉片近遠(yuǎn)軸極性不僅決定形態(tài)平展性，更直接調(diào)控光合效率與環(huán)境適應(yīng)能力；而由角質(zhì)(cutin)和蠟質(zhì)(wax)組成的角質(zhì)層，則是植物抵御干旱、紫外線及病原菌的第一道天然屏障。盡管HD-ZIP III、KANADI等經(jīng)典轉(zhuǎn)錄因子在極性建立中的作用已被廣泛闡明，但不同空間位置細(xì)胞如何實現(xiàn)功能分化以及該分化與轉(zhuǎn)錄代謝途徑的協(xié)同機制，目前在單細(xì)胞分辨率水平仍缺乏系統(tǒng)解析。

近日，Journal of Genetics and Genomics在線發(fā)表四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院馬濤團(tuán)隊與西南大學(xué)、武漢華大生命科學(xué)研究院等單位合作題為“A single-nucleus and spatial transcriptomic atlas of poplar leaves reveals the regulation of leaf polarity, and cuticular wax and cutin deposition” 的研究論文。該研究構(gòu)建了楊樹葉片的高分辨率空間單細(xì)胞圖譜，揭示了近遠(yuǎn)軸極性在轉(zhuǎn)錄和代謝層面的調(diào)控機制，并鑒定關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子MYC2b參與近軸角質(zhì)層沉積的調(diào)控。

研究團(tuán)隊以新疆楊(Populus alba var. pyramidalis)為材料，整合14,624個單細(xì)胞核與8788個空間擬細(xì)胞數(shù)據(jù)，共鑒定包括葉片、表皮、維管、厚角和增殖細(xì)胞五個主要細(xì)胞類群。進(jìn)一步亞型分析顯示，近遠(yuǎn)軸的表皮和葉肉細(xì)胞亞型存在顯著轉(zhuǎn)錄差異：近軸側(cè)細(xì)胞富集苯丙烷/類黃酮生物合成途徑相關(guān)基因，而遠(yuǎn)軸側(cè)細(xì)胞則偏好應(yīng)激與激素信號通路。通過共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)與調(diào)控元件富集分析，研究鑒定到MYC2b作為近軸調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子。功能驗證實驗顯示，MYC2b過表達(dá)植株具有更厚的近軸側(cè)角質(zhì)層、更強的保水能力及更低的水分散失速率，而myc2雙突變體則表現(xiàn)出相反趨勢。MYC2b通過直接激活脂質(zhì)合成與轉(zhuǎn)運相關(guān)基因(如KCS6、CER10、LTPG1等)，促進(jìn)角質(zhì)和蠟質(zhì)的積累，從而增加葉片上表皮角質(zhì)層厚度。CUT&Tag-seq進(jìn)一步證實MYC2b直接結(jié)合CER10、LTPG1等關(guān)鍵基因的啟動子(E-box基序)，激活角質(zhì)和蠟質(zhì)生物合成及轉(zhuǎn)運。

楊樹葉片的單細(xì)胞核與空間轉(zhuǎn)錄組整合圖譜

綜上所述，該研究通過多組學(xué)整合分析，系統(tǒng)解析了楊樹葉片近遠(yuǎn)軸極性下角質(zhì)層的空間異質(zhì)性調(diào)控機制，明確了MYC2b作為茉莉酸信號組分直接參與葉片的極性蠟質(zhì)與角質(zhì)素沉積，為理解木本植物器官極性與環(huán)境適應(yīng)提供了新證據(jù)。

作者簡介

四川大學(xué)博士研究生李依玲、西南大學(xué)博士研究生孔令飛和武漢華大生命科學(xué)研究院郭興博士為該論文共同第一作者。四川大學(xué)馬濤教授、姜淵忠研究員和武漢華大生命科學(xué)研究院魏桐研究員為共同通訊作者。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等項目資助。