2023年3月9日， Molecular Plant 在线发表题为 High-resolution anatomical and spatial tranome analyses reveal two types of meristematic cell pools within the secondary vascular tissue of poplar stem的研究论文。该研究论文回答了植物学领域争论了120年的科学问题：即植物的次生维管组织发育过程中，韧皮部细胞和木质部细胞是来源于一个共同的干细胞中心，还是分别来源于两个干细胞中心？
https://doi.org/10.1016/j.molp.2023.03.005
植物维管组织（Vascular tissue）是植物体内负责物质运输与机械支撑的组织系统，是植物由水生向陆生长期演化过程形成的重要组织类型，相当于动物体内血管与骨骼组织的功能。一年生草本植物的维管组织主要是初生维管组织系统，是由初生分生组织原形成层干细胞与其子细胞分化形成的初生韧皮部与初生木质部组成。而多年生的木本植物在初生原形成层干细胞形成的初生维管组织的基础上，进一步演化形成了次生分生组织——维管形成层。维管形成层是植物茎干持续进行加粗生长的动力中心。由于取材观察及技术研究方法的困难，木本植物次生维管组织干细胞的起源发生过程、细胞形态结构、特征表达基因与干细胞活性调控分子机制，还有很多未知问题。关于维管形成层是由一层还是多层干细胞组成的，也是植物学领域内争论了120年的科学问题。目前有两种主要的观点：德国植物学家Sanio在1873年提出了维管形成层干细胞是由一层干细胞组成的假说：维管形成层区域中有一层具有双向分裂能力的干细胞，即向外侧分裂形成韧皮部母细胞，向内分裂形成木质部母细胞 (Sanio, 1873)，因此形成层区域内是由三种细胞类型组成：韧皮部母细胞，形成层干细胞和木质部母细胞，这个观点目前被教科书普遍采用。植物学家Raatz在1892年提出维管形成层干细胞可能由多层细胞组成的理论猜想(Raatz, 1892) 。由此进一步衍生的科学问题是：1）初生的原形成层干细胞是如何逐步分化产生次生的维管形成层干细胞？2）原形成层是如何与维管形成层协同调控茎的高生长与加粗生长的过程的？3）次生维管组织发育过程中，韧皮部细胞和木质部细胞是来源于一个共同的干细胞中心，还是分别来源于两个干细胞中心？在此之前，对这些科学问题知之甚少。
本研究中，作者通过电子显微镜观察与空间转录组测序相结合的方法，追踪研究了木本模式植物-杨树茎从顶端原形成层干细胞逐步发育形成次生维管组织干细胞的连续过程。首先，作者通过连续电镜切片的观察发现，茎从初生生长到次生生长的连续发育过程中，茎顶端的原形成层干细胞衍生的子细胞在韧皮部（离心方向）和形成层（向心方向）两个组织区域中，分别形成了形态差异显著的两类次生分生组织干细胞群。在韧皮部中的干细胞群，细胞形态特征与原形成层干细胞类似，具有细胞分裂能力，负责韧皮部细胞的形成；在维管形成层区域的干细胞群，由已知的形成层纺锤状原始细胞和射线原始细胞组成，负责木质部细胞的形成（见图1）。
图1 杨树茎次生维管组织中存在两类干细胞群
分别位于韧皮部与形成层组织
（Pf，韧皮纤维；Ph,韧皮部；CZ,形成层; DX,木质部；Pa，薄壁细胞；Ve，导管分子；F，形成层区纺锤形原始干细胞；R， 形成层区射线原始细胞；PCL，韧皮部类似干细胞群）
其次，作者运用空间转录组学方法，同样分析了杨树茎从初生生长到次生生长连续发育过程中，原形成层干细胞衍生的子细胞分别分化形成韧皮部干细胞，以及维管形成层干细胞的特征表达的基因。再次明确了两类次生分生组织干细胞群分别位于韧皮部和维管形成层两个组织区域中（图2A，B）。作者进一步采用原位杂交实验和自身启动子驱动的GFP转基因杨树材料，验证了两类干细胞群表达的特征表达基因在次生维管组织中的表达模式（图2C，D）。
图2 空间转录组分析与原位杂交验证次生维管组织中
存在两个干细胞中心
（PCL，韧皮部干细胞；CZ,形成层干细胞；R， 射线原始细胞）
基于以上三方面实验数据分析的结果，作者进而提出了关于木本植物次生维管系统发育的一个新的理论模型 （见图3）。与目前教科书中普遍采用的模型相比，新的模型认为次生维管组织中可能存在两个干细胞活性中心，分别位于韧皮部和形成层两个组织区域。
图3 杨树茎初生维管组织与次生维管组织发育模式图
作者进一步运用拟时序分析方法，分析了从初生分生组织干细胞到次生分生组织干细胞分化过程中的基因表达规律（图4A）；以及两类次生维管组织干细胞分别分化形成韧皮部细胞与木质部细胞过程中的基因表达规律（图4B）。
图4 从初生到次生分生组织 （A），
及次生分生组织分化过程的基因表达趋势规律（B）
综上所述，本研究首次发现木本模式植物-杨树茎次生维管组织中存在形态结构与特征表达基因不同的两类干细胞，分别位于韧皮部和形成层区域内，负责形成韧皮部与木质部细胞。本研究首次系统解析了植物次生维管组织干细胞的起源发生与发育过程，提供了维管组织干细胞及其衍生细胞在各个分化阶段的形态结构与特征表达基因图谱，为进一步研究陆生植物维管组织系统演化提供了非常重要的资源。同时也为筛选维管组织发育与木材形成的关键调控因子进行分子育种，改良植物株型，调控植物生长发育与抗逆提供新的研究视角。
浙江大学生命科学学院植物生物学研究所的 杜娟博士为该论文的第一作者和通讯作者，浙江大学生命科学学院细胞生物学研究所的 陈军教授为该论文的共同通讯作者，浙江大学生命科学学院植物生物学研究所 寿惠霞教授、计算生物学研究所 周如鸿教授参与该项研究工作。研究工作同时得到了浙江大学 彭金荣教授、浙江农林大学 卢孟柱教授、加州大学戴维斯分校与美国农业部 Andrew Groover教授多年的支持和帮助。同时要感谢马里兰大学 Heven Sze教授、加州大学戴维斯分校的 柳波教授与 Yuh-Ru Julie Lee博士对本研究工作的指导与帮助。该研究得到国家自然科学基金，国家重点研发计划等项目的资助。
第一作者/通讯作者简介
杜娟博士：2000-2005年在北京大学生命科学学院，就读植物发育生物学专业，获理学博士学位。2006-2009在加州大学戴维斯分校与美国农业部森林遗传研究所，进行博士后研究。2009年至今，浙江大学生命科学学院植物生物学研究所工作。研究方向聚焦植物维管系统发育的分子调控机制，以多年生木本模式植物-杨树为研究材料，解析木本植物维管形成层干细胞发育与木材形成的分子调控机制。
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