科学家们开发出了成熟植物外部保护层的第一部全面基因组图谱，称为外皮层，以及其能够吸收碳的皮层细胞。这项研究旨在帮助创造出能够抵御气候变化的更强壮植物。
植物在土壤中深深扎根，向阳光伸展，但它们固定在一个地方，必须忍受温度变化、干旱和微生物感染等各种环境挑战。为了抵御这些危险，许多植物通过改造结构形成称为外皮层的保护层，包裹住其身体和根部。然而，由于植物生物学的许多研究专注于年轻植物，外皮层发展的后期阶段尚未得到充分探索。
索克研究所的研究人员首次揭示了单细胞层面上植物外皮层的详细基因表达图谱。该图谱揭示了外皮层内众多类型的细胞，并识别了调节其发展的特定基因和生物过程。值得注意的是，该图谱提供了关于皮层细胞的重要见解，这些细胞含有木栓素——一种帮助长期吸收和储存空气中过量碳的分子。科学家们可以利用这些知识促进植物在气候引起的压力下生长保护性外皮层。此外，他们可能还会增强负责皮层细胞生长的基因，以培育碳捕获和储存能力更强的植物，符合索克的“利用植物计划”的目标。
研究结果于2025年1月9日发表在发展细胞期刊上。
研究的资深作者、“利用植物计划”主任以及索克植物科学的赫斯讲座教授沃尔夫冈·布希教授表示：“植物在捕获大气中的碳并将其储存于土壤中起着不可或缺的作用。” “植物根部的外保护层，称为外皮层，由各种能够以持久形式保留碳的细胞组成。通过创建这些根细胞发展的详细图谱，我们更好地理解如何增强这一过程，以帮助植物以稳定形式保留更多碳。这可能导致开发更具弹性的植物，拥有更强的根部，进而有助于应对气候变化。”
最初，当植物扎根时，它优先进行初级生长，集中于延长新的根。随着成熟，重点转向次生生长，即已有根的增厚，以及外皮层保护盔甲的形成。这个保护性外皮层由不同类型的细胞组成——皮层、外皮生成细胞和外皮层细胞——每种细胞都有独特的功能和遗传特征，而以前的研究尚未充分探讨。
研究团队对皮层细胞特别感兴趣，因为其含有较高的木栓素水平。木栓素对索克的“利用植物计划”至关重要，该计划旨在提升植物作为自然和可持续的碳捕获方法的能力。与储存在叶片和茎中的碳相比，后者可以迅速降解并重新进入大气，植物根部的木栓素可以在土壤中安全地长期保留碳。此外，木栓素已被证明能提高植物对根腐的抵抗力，表明它具有保护和碳存储的双重作用。
早期对外皮层的研究主要依赖于大规模分析。尽管这些提供了有用的信息，但在不同细胞类型方面缺乏特异性。为了克服这一问题，索克团队利用尖端的单细胞测序技术捕获外皮层内每种细胞类型的独特遗传特征。他们还监测了每种细胞类型在阿拉伯芥根中的发育过程中的基因表达变化，这是一种常见的植物研究模型生物。
该研究的第一作者、布希实验室的研究科学家夏洛特·米勒表示：“在成熟植物中达到这种细节水平是前所未有的。” “以前的研究通常将整个根部研磨进行分析，但这种单细胞的方法允许我们更深入地理解外皮层每种细胞类型的遗传发展。这种增强的精确性将使我们有能力工程出更强大、更具弹性的植物，能够抵御气候变化。”
通过单细胞时间序列测序，研究人员发现皮层细胞的发展在多个基因上相互关联但又彼此独立的阶段中进行。这种渐进的发展由关键基因如MYB67突出，该团队发现它在这一过程中的作用显著。
通过分析发展各阶段的遗传特征，研究人员旨在确定那些能够刺激更多皮层细胞产生、提高木栓素水平和增强持久碳捕获能力的特定基因。
外皮层图谱还提供了对其他非皮层细胞的重要见解，帮助阐明外皮层发展中的过渡阶段——例如，外皮生成细胞如何发展为皮层细胞。米勒对进一步研究这些外皮生成细胞充满热情，因为它们在植物生命周期后期分化为多种细胞类型的能力令人着迷。
布希期待着观察富含木栓素的细胞如何填补新侧根生长造成的空隙——这一破坏性过程是新根刺破植物表面的过程。尽管这些反应性富含木栓素的细胞可能不会直接成为外皮层的一部分，但进一步了解外皮层细胞类型和木栓素含量可能增强对该根分支过程及其抵御感染能力的理解。
布希总结道：“我们的研究不仅推进了植物科学的边界，还为开发更强壮的作物和通过植物根改善碳封存铺平了道路，解决农业和气候相关的挑战，这是索克‘利用植物计划’的主要目标。”
研究的其他合作者包括索克的肖恩·贾雷尔-乌尔塔多、马尼莎·哈格、Y.萨拉·叶、马修·西门斯、帕洛玛·阿尔瓦雷斯-马尔多纳多、萨拉·贝哈米、凌·张、约瑟夫·斯威夫特、阿肖特·帕皮基安、京亭·余、凯利·科尔特、约瑟夫·埃克、托德·迈克尔和朱莉·劳。
这项研究得到了贝佐斯地球基金会、赫斯公司和TED大胆计划的资助。
