在寒冷的冬季，植物們也在默默應對嚴寒的挑戰。近日，中國農業科學院鄭州果樹研究所的獼猴桃研究團隊在《HorticultureAdvances》雜志上發表了一項突破性研究，他們利用先進的單細胞測序技術，首次在單細胞水平上，揭開了獼猴桃抵御寒冷的分子秘密。
給獼猴桃細胞分類畫像
研究植物抗寒機制，僅從整體分析是不夠的，需要了解不同細胞的具體情況。過去，科學家們研究植物抗寒機制時，通常是將整株植物或某個器官的所有細胞混在一起分析，難以精準定位關鍵的細胞類型和基因。
而這次研究團隊使用的單細胞RNA測序（scRNA-seq）技術，能夠單獨分析每個細胞的基因表達情況。他們從兩種獼猴桃——普通的“紅陽”獼猴桃（HY，怕冷型）和抗寒品種（HT，耐寒型）的葉片中，分別分離出了5611個和13466個單細胞。通過分析每個細胞的基因表達，最終構建出了獼猴桃葉片的單細胞轉錄圖譜。
研究人員利用UMAP聚類分析技術，將這些細胞分為8個不同的細胞類型，包括葉肉細胞、表皮細胞、保衛細胞、木質部細胞等。每種細胞類型都有其獨特的基因表達特征。
保衛細胞和葉肉細胞的抗寒差異
在這場抗寒研究中，保衛細胞和葉肉細胞這兩種細胞群體引起了科學家的特別關注。保衛細胞控制著氣孔的開合，調節水分蒸發和氣體交換；葉肉細胞負責光合作用制造養分。
通過偽時間軌跡分析技術，研究人員追蹤了這兩種細胞在不同獼猴桃品種中的發育路徑。結果發現，在耐寒型（HT）和怕冷型（HY）獼猴桃中，這兩種細胞的發育軌跡存在明顯不同。
在怕冷的HY獼猴桃中，保衛細胞占比高達40%；而在耐寒的HT獼猴桃中，保衛細胞比例驟降到2%，葉肉細胞比例則顯著增加。這表明獼猴桃可能通過調整不同細胞類型的比例來適應寒冷環境——減少保衛細胞以降低熱量損失，增加葉肉細胞以儲備更多能量和物質。
更重要的是，葉肉細胞在HT獼猴桃中表現出更多與抗氧化和應激反應相關的基因表達，能更好地應對寒冷帶來的損傷；而HY獼猴桃的葉肉細胞則更多表達與脂肪酸代謝相關的基因，主要通過消耗儲備物質來應對寒冷。
圖注：不同抗寒性獼猴桃種質葉片單細胞測序
發現關鍵的抗寒負調控基因
研究人員還發現了一個關鍵的抗寒負調控基因——AaTIFY。這個基因的表達量越高，獼猴桃的抗寒能力就越弱。
為了驗證這一發現，科學家們進行了實驗：他們將AaTIFY基因導入普通獼猴桃中，讓其過量表達。結果顯示，這些“高表達AaTIFY”的獼猴桃在寒冷環境下表現得更差，葉片萎蔫更嚴重，細胞受損更明顯。
進一步研究發現，AaTIFY屬于TIFY基因家族，該家族成員通常參與植物激素茉莉酸的信號傳導。在耐寒的HT獼猴桃中，這個基因的表達被抑制，從而提升了整體的抗寒能力。這一發現為獼猴桃抗寒育種提供了精準的基因靶點，未來通過基因編輯技術抑制這個基因，就能培育出更耐寒的獼猴桃品種。
這項研究的意義不僅在于揭示了獼猴桃的抗寒機制，更重要的是，它首次將單細胞測序技術應用于獼猴桃研究，為植物抗逆性研究提供了全新的視角。
