一個氣體分子如何讓整片葉子“統(tǒng)一行動”？不同細胞如何“聽懂”同一個信號？近日，山西大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院金竹萍教授/裴雁曦教授團隊與南方科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院龍艷萍研究副教授/翟繼先教授團隊合作，在國際知名期刊Science China Life Sciences發(fā)表題為Single-nucleus RNA sequencing reveals a spatiotemporal pattern of H2S signaling in Chinese cabbage的研究論文。用單細胞核測序技術(shù)給出了答案——從單細胞視角破譯H2S的“細胞語言”，在大白菜中打通了基礎(chǔ)研究與抗旱育種的新路徑。

為什么是大白菜？

大白菜（Brassica rapa L. ssp. pekinensis）是我國乃至亞洲蔬菜供應(yīng)中的“主力軍”。然而，隨著氣候變化加劇，干旱等極端環(huán)境頻發(fā)，嚴重威脅其產(chǎn)量和品質(zhì)。植物如何感知并響應(yīng)環(huán)境脅迫，一直是科學(xué)家關(guān)注的核心問題。硫化氫（H2S）作為繼NO和CO之后的第三種氣體信號分子，已被證實能幫助植物應(yīng)對干旱、鹽脅迫、重金屬等多種逆境。但一個關(guān)鍵問題始終未解：H2S信號如何在復(fù)雜的葉片組織中，實現(xiàn)從局部到整體的精確協(xié)調(diào)？

單細胞視角下的H2S “指揮圖譜”

研究團隊以21天齡大白菜為材料，在生理濃度H2S熏蒸0、0.5、6、24小時后取葉片，利用10× Genomics平臺進行snRNA-seq分析。共鑒定出18個轉(zhuǎn)錄不同的細胞簇，對應(yīng)表皮細胞、葉肉細胞等9種主要葉細胞類型。其中，一個名為Cluster 4的細胞群被H2S顯著誘導(dǎo)，高表達植物免疫相關(guān)基因（如WRKY33、MKK4）。經(jīng)原位雜交驗證，這是一個應(yīng)激響應(yīng)型葉肉細胞亞群，說明H2S信號在防御響應(yīng)中有明確的“前線部隊”。

圖1 H2S熏蒸大白菜葉片的單細胞轉(zhuǎn)錄組圖譜

時間×空間：H2S的雙維度調(diào)控

差異表達分析顯示，外源H2S顯著誘導(dǎo)基因上調(diào)，在6小時達到峰值。更有趣的是時序特征：H2S處理0.5小時時茉莉酸生物合成相關(guān)基因快速響應(yīng)，而24小時時水楊酸通路相關(guān)基因才廣泛激活。這說明H2S信號具有精細的時序調(diào)控能力。從空間上看，葉肉細胞和表皮細胞對H2S的響應(yīng)最強，超過40%的上調(diào)基因在至少兩種細胞類型中被共同誘導(dǎo)。更令人興奮的是，一些原本只在特定細胞中表達的基因，經(jīng)H2S處理后表達范圍顯著擴展。換句話說，H2S信號從時間和空間兩個維度共同指揮基因的轉(zhuǎn)錄重編程，幫助植物實現(xiàn)快速、協(xié)調(diào)的防御應(yīng)答。

圖2 H2S誘導(dǎo)基因的全局轉(zhuǎn)錄重編程

兩個關(guān)鍵基因，兩條抗旱通路

研究團隊進一步驗證了兩個具有典型時空動態(tài)表達模式的H2S響應(yīng)基因。第一個是BrHSP23.6，編碼熱激蛋白。正常條件下，該基因僅在保衛(wèi)細胞中高表達；H2S處理后，其表達擴展至所有細胞類型。它通過維持光合系統(tǒng)穩(wěn)定性等非氣孔因素增強大白菜抗旱性。更有意思的是分子機制：H2S能誘導(dǎo)BrHSP23.6發(fā)生過硫化修飾。但該蛋白不含經(jīng)典的修飾位點——半胱氨酸，而是含有6個甲硫氨酸。這提示甲硫氨酸可能是H2S過硫化修飾的新潛在位點，為長期懸而未決的科學(xué)問題提供了初步實驗依據(jù)。

圖3 H2S增強植物抗旱性部分依賴于BrHSP23.6

第二個基因是BrNTF2，編碼核轉(zhuǎn)運因子2。該基因原本僅存在于應(yīng)激響應(yīng)型葉肉細胞亞群（Cluster 4），H2S處理后其表達擴展至幾乎所有細胞類型，尤其在6小時和24小時極為明顯。與BrHSP23.6不同，BrNTF2主要通過調(diào)控氣孔運動影響抗旱性。沉默該基因后，H2S誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉效應(yīng)顯著減弱，證明它是H2S信號增強抗旱性的必要參與者。一個通過非氣孔途徑，一個通過氣孔途徑——兩個基因協(xié)同作用，反映了H2S信號增強植物抗旱性的雙重調(diào)控機制。

圖4 H2S通過BrNTF2增強植物抗旱性

更廣的意義：從大白菜到整個植物界

研究還發(fā)現(xiàn)，H2S信號特異調(diào)控富硫化合物的合成與硫代謝通路，為后續(xù)機理研究提供了新方向。更重要的是，該研究創(chuàng)造性地提出：H2S信號以時空特異性方式，通過“全局協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)錄重編程”模式介導(dǎo)植物快速協(xié)調(diào)防御。鑒于H2S生物合成和信號組分的保守性，這一調(diào)控模式可能在植物界具有普遍意義。研究團隊已將數(shù)據(jù)上傳至國家生物信息中心（項目編號：PRJCA039764），并開發(fā)了在線數(shù)據(jù)瀏覽器（https://zhailab.bio.sustech.edu.cn/H2S_brassica），為全球研究者提供寶貴的單細胞轉(zhuǎn)錄組資源。

該研究依托特色植物資源研究與利用山西省重點實驗室和南方科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院共同完成。山西大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院金竹萍教授和裴雁曦教授、以及南方科技大學(xué)研究副教授龍艷萍為論文的共同通訊作者。山西大學(xué)已畢業(yè)博士研究生張嬌和南方科技大學(xué)已出站博士后陳陽為論文共同第一作者。翟繼先教授和陳麗梅教授為本研究提供了指導(dǎo)，南方科技大學(xué)已畢業(yè)博士研究生劉波、秦雨薇，山西大學(xué)碩士研究生欒玥以及本科生尹禾、劉紋琪參與了該項研究工作。該研究獲得了國家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金和中國博士后科學(xué)基金等項目的資助。

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https://doi.org/10.1007/s11427-025-3306-6