单核转录组揭示生长素驱动杨树木材可塑性增强极端干旱耐受性的分子机制

　　本研究针对干旱胁迫限制林木生长与生产力的重大问题，通过单核转录组测序技术解析了杨树茎干在干旱条件下的细胞类型特异性转录重编程。研究发现，干旱诱导的木材解剖结构适应性变化（更多且更窄的导管）由生长素稳态调控网络驱动，其中WAT1-like基因下调及MP-like基因上调是关键分子开关。该工作首次在单细胞分辨率揭示了木材可塑性的激素调控机制，为林木抗旱育种提供了重要靶点。

　　

气候变化导致的极端干旱事件严重威胁森林生态系统和木本作物的生存。干旱不仅限制树木生长，增加病害敏感性，还会显著降低生产力。木材解剖结构的可塑性是树木应对水分可利用性波动的重要适应机制——在严重干旱条件下，树木会形成更多且更窄的导管，以增强水力安全性和减少栓塞风险。然而，导管形成的分子调控机制至今仍不明确。

为解决这一科学问题，Gómez-Soto等研究人员在《Genome Biology》发表了题为"Single-nucleus transcriptomics revealed auxin-driven mechanisms of wood plasticity to enhance severe drought tolerance in poplar"的研究论文。该研究通过单核转录组测序（snRNA-seq）技术，构建了干旱和正常水分条件下杨树成熟茎干的细胞类型特异性基因表达图谱，揭示了生长素（auxin）稳态调控木材解剖结构适应性的关键机制。

研究采用的主要技术方法包括：对杂交杨（Populus tremula×alba）进行20天重度干旱处理（土壤持水量15%）；利用振动切片术和组织化学染色进行木材解剖学分析；通过荧光激活核分选和单核RNA测序获得14,004个高质量核转录组；使用Slingshot和tradeSeq进行伪时间轨迹分析；通过CRISPR/Cas9基因编辑构建mp和wat突变体；结合RNA-seq和hdWGCNA共表达网络分析验证关键基因功能。

研究结果：

严重干旱导致杂交杨茎干木质部模式重构

干旱处理使导管与纤维细胞比例从对照组的6%显著提高到17%，同时导管管腔明显变窄。这种解剖结构变化增强了植株的水力安全性。

建立正常水分与干旱条件下的细胞类型特异性转录组图谱

通过单核转录组分析鉴定出24个细胞簇，包括维管形成层（VC）、增殖细胞（PC）、木质部母细胞/发育中木质部（XMC/DX）、成熟木质部（MX）和木质部薄壁细胞（XP）。标记基因表达分析证实了这些细胞类型的身份。

细胞类型特异性基因表达重编程驱动木材可塑性

干旱条件下，VC、PC、XMC/DX和SCW形成细胞中共有7,386个基因发生差异表达。GO富集分析显示，这些基因参与水分剥夺响应、脱落酸响应、昼夜节律、茉莉酸信号通路、油菜素内酯稳态和生长素输出等生物学过程。

生长素信号通路调控严重干旱下的次级木质部可塑性

研究发现PtoMP基因在早期导管分化细胞中特异性诱导表达，而PtoWAT1-like基因在增殖细胞中显著下调。CRISPR/Cas9突变体验证表明，mp突变体导管/纤维比率显著降低，而wat1wat2双突变体则出现异常增高的导管比率和空间分布紊乱。

次级木质部解剖结构改变驱动生理响应

wat2单突变体在严重干旱条件下表现出更好的适应性：CO₂同化速率显著高于野生型，株高和茎粗的生长受限程度也明显减轻。

研究结论与讨论：

该研究首次在单细胞分辨率揭示了杨树茎干在严重干旱条件下的转录组重编程机制，发现生长素驱动的激素网络是调控木质部可塑性和增强干旱耐受性的核心因素。研究表明，干旱条件下MP-like基因在发育中木质部细胞的上调和WAT1-like基因在增殖细胞中的下调，共同促进了更窄、更多导管的形成，从而增强植株的水力安全性。

这项工作的重要意义在于：1）提供了首个林木干旱响应的单细胞转录组图谱资源；2）阐明了生长素稳态调控木材解剖结构可塑性的分子机制；3）发现WAT1-like基因在维管形成层细胞分裂和导管空间模式建立中的新功能；4）证实了通过调控WAT1和MP基因可以改良林木干旱耐受性，为分子设计育种提供了重要靶点。该研究不仅深化了对林木干旱适应机制的理解，也为培育抗旱树种提供了理论依据和技术途径。