一项新研究使用新颖的单细胞分析技术来揭示植物如何添加新的细胞层来帮助它们抵御干旱或洪水等气候压力因素。该研究的重点是玉米——一种在世界范围内至关重要的作物——试图创建植物根系的逐细胞图谱，该图可调节干旱压力并从土壤中吸收养分和肥料。

“我们发现了玉米如何扩展其皮质组织，该组织构成了作物根系的大部分。向皮质组织添加层是一个关键的进化特征，它为植物创造了耐受干旱和洪水并改善养分吸收的方法，”肯尼思·伯恩鲍姆说，纽约大学生物学系和基因组学与系统生物学中心教授，该论文的资深作者，该论文发表在《科学》杂志上。

“这些特性将成为让植物抵御全球变暖和减少作物碳足迹的关键目标，”伯恩鲍姆补充说，他在纽约大学的实验室与冷泉港实验室和宾夕法尼亚大学的研究人员合作领导了该项目。

为了创建玉米根的单细胞图谱，研究人员首先使用细胞壁消化酶分解根以产生单个自由漂浮的细胞。然后，新方法使他们能够使用基于液滴的小型化单细胞测序技术来分析单个细胞的 mRNA 含量——区分导致特定类型特化细胞的分子特征。

接下来，他们将细胞映射回它们在玉米根中的位置，类似于在没有向导的情况下组装 10,000 块拼图。为了解决这个难题，研究人员使用以不同深度渗透到根组织中的荧光染料来标记和隔离不同的层，例如将洋葱的层分开，为它们提供基因标志以绘制单个细胞的图谱。

纽约大学基因组学中心的卡洛斯·奥尔蒂斯·拉米雷斯 (Carlos Ortiz Ramirez) 说：“第二层信息本质上为我们提供了一个拼图盒，使我们能够将细胞精确地映射到它们的适当位置，以便在整个玉米根部重建基因表达的 3D 模型。”和系统生物学和墨西哥的 UGA Laboratorio Nacional de Genómica para la Biodiversidad，他是该研究的第一作者。

玉米根的新图谱揭示了以前未描述的根皮层细胞特化。皮质特别重要，因为它包含了早期玉米根的大部分，并且有 10 层以上。此外，皮质细胞亚型对于帮助作物应对环境压力的性状至关重要。例如，内皮层是共生真菌与植物交换营养的地方，增加合作有助于减少农业的碳足迹。皮质的中间层创建了空气通道，可以在洪水期间进行气体交换，而皮质的按需扩张可以减少干旱胁迫期间的水分流失。

“使用我们的玉米根的 3D 模型，我们绘制了四个不同的皮质层特征，这些特征可以为进一步改善共生、洪水和干旱提供重要的遗传目标，”奥尔蒂斯拉米雷斯说。

此外，该小组在根的新地图中发现了关于玉米如何产生额外皮层层的线索。特别是，被称为短根(SHR)的关键基因调节器，其功能在不同植物中相似，处于一个有趣的位置，与其他只有一层皮层的植物不同。

在拟南芥(一种通常用作植物生物学模式生物的小型开花植物)中，SHR是第一个被证明可以在细胞间移动的转录因子之一，允许内部细胞类型向中间层发出指令以创建新组织。这使SHR成为一种局部组织器，指导根组织围绕核心模式组装。然而，在玉米中，单细胞图显示SHR处于紧邻多层皮层的新位置，这是一个方便的“跳跃”点，可以扩展多个皮层层。事实上，研究人员跟踪了 SHR 蛋白的运动，发现它是超移动的，不仅在皮层中移动了一层，而且还移动了多层。

此外，扰乱玉米和玉米相对粟的SHR功能的突变的皮质层数量严重减少。这表明SHR如何保持其在扩大组织层和产生新细胞身份方面的主要作用，但改变其位置以添加新的细胞类型，最终使玉米能够应对环境压力。

“确定SHR具有皮层扩张的关键调节因子是重要的第一步，”伯恩鲍姆说。“展望未来，调整这些调节器可以提供工具来改变皮质层或亚型的数量，从而增强它们抵御干旱等气候压力因素的能力，或改善氮的吸收，使植物使用更少的肥料或在营养贫乏的土壤中生长。 ”