两栖植物水蓑衣单细胞转录组图谱揭示异形叶性调控新机制

《Scientific Data》：Single-cell transcriptomic datasets of the amphibious plant Water wisteria

　　本刊推荐：为揭示植物应对气候变化的适应性机制，研究人员针对典型两栖植物水蓑衣（Hygrophila difformis）开展单细胞RNA测序（scRNA-seq）研究，成功构建了首个小蓑衣陆地与水下茎尖单细胞转录组图谱。通过识别11个细胞簇并分析差异表达基因（DEGs），发现中胚层细胞中富集了与光合作用、植物激素信号转导等相关的环境适应通路，为从单细胞层面解析异形叶性（heterophylly）分子机制提供了重要数据资源。该研究发表于《Scientific Data》，为作物抗逆育种提供了新思路。

　　

随着全球气候变化加剧，洪涝灾害频发成为制约植物生长发育的重要环境压力。在漫长的进化过程中，部分植物演化出独特的生存策略——异形叶性（heterophylly），即同一植株能根据水域环境变化发育出形态结构截然不同的叶片。这种神奇的现象在两栖植物中尤为常见：在陆地环境中它们生长出简单锯齿状叶片，而 submerged（水下）环境中则形成复杂羽状叶片。这种形态可塑性被学者称为继低氧休眠策略（LOQS）和低氧逃避策略（LOES）之后的第三大水生适应策略。然而，由于缺乏理想的研究模型，异形叶性的分子调控机制至今仍是未解之谜。

水蓑衣（Hygrophila difformis）作为新兴模式植物，其叶片在陆地条件下呈简单锯齿形，水下条件下则转变为复杂羽裂形，加之其易于营养繁殖和遗传转化，成为解析异形叶性机制的理想材料。值得注意的是，叶片形态建成的关键阶段发生于茎尖分生组织（SAM）的细胞分化期，这意味着在单细胞分辨率下解析茎尖组织的基因表达图谱至关重要。尽管单细胞RNA测序（scRNA-seq）技术已在拟南芥、大豆等陆生植物中广泛应用，但针对水生及两栖植物的单细胞转录组数据仍属空白。

本研究首次对水蓑衣陆地与水下条件下的茎尖原生质体进行scRNA-seq分析，构建了首个两栖植物单细胞转录组图谱。研究人员通过10X Genomics平台分别对水下和陆地茎尖样本进行测序，获得约3.76亿和3.69亿读长对，映射至参考基因组的比例分别为91.5%和72.6%。经过严格质控筛选后，最终获得8,929个水下细胞和724个陆地细胞用于后续分析。

关键技术方法包括：使用纤维素R-10和 macerozyme 酶解法制备茎尖原生质体；通过10X Genomics Chromium单细胞3′平台构建文库；利用Cell Ranger流程进行序列比对和基因表达定量；采用Seurat软件进行细胞聚类分析；通过OrthoFinder进行水蓑衣与拟南芥同源基因比对；使用Wilcoxon秩和检验识别差异表达基因（DEGs）；借助ClusterProfiler进行KEGG通路富集分析。

数据质量验证

质控数据显示，水下样本细胞中位数基因数（nGene）为1,114，中位数唯一分子标识符数（nUMI）为3,472；陆地样本相应值分别为452和682。小提琴图展示过滤前后nGene和nUMI分布，证明获得高质量单细胞数据。

细胞簇鉴定与注释

通过统一流形近似与投影（UMAP）将细胞划分为11个簇，基于拟南芥同源标记基因鉴定出6个中胚层细胞簇（簇0、1、3、5、6、7）、4个表皮细胞簇（簇2、4、9、10）和1个维管细胞簇（簇8）。特异性标记基因表达模式验证了细胞注释的准确性。

差异表达基因通路分析

在中胚层细胞簇中，水下样本相较于陆地样本显著富集了与植物环境适应相关的KEGG通路，包括光合作用、碳固定、植物激素信号转导、类黄酮生物合成以及淀粉和蔗糖代谢等关键生物学过程。

本研究通过构建水蓑衣单细胞转录组图谱，首次在单细胞分辨率揭示了两栖植物异形叶性调控的细胞类型特异性分子网络。研究发现中胚层细胞是环境应答的关键细胞类型，其差异表达基因显著富集于光合作用调控和植物激素信号转导等通路，提示这些细胞在形态可塑性调控中发挥核心作用。该数据集为阐明植物应对水域环境变化的适应机制提供了宝贵资源，不仅推动异形叶性分子机理研究，也为作物抗逆育种提供了潜在靶点。所有数据已公开于NCBI SRA（SRP603557）和GEO（GSE309844）数据库，为植物单细胞生物学研究社区提供重要数据支撑。