科学家绘制植物单细胞“十二时辰” 昼夜节律图谱

 

近日，南方科技大学生命科学学院生物系教授翟继先团队在《自然—通讯》发表最新研究。他们通过单细胞核转录组测序技术，绘制了单细胞水平的昼夜节律基因表达图谱，揭示了拟南芥细胞类型特异性的昼夜节律基因表达模式，并鉴定出一个新型节律调控因子。

研究示意图。南科大供图

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生物钟作为植物内源的计时机制，能帮助植物感知周期性变化的外界环境，以确保植物在适宜的时间执行关键生理功能。近年来的研究表明，植物生物钟在分子组成和功能调控方面表现出组织和细胞类型的特异性，这种异质性使植物能够更精准地感知并响应环境变化，从而优化生长和生存策略。然而，传统研究方法如整个组织测序或荧光素酶报告基因，难以高效的从单细胞水平的解析节律基因表达的差异。此外，植物细胞壁的存在更增加了单细胞分离的技术难度。

为在单细胞水平对昼夜节律基因表达模式进行全面的分析，研究团队采用单细胞核RNA测序（snRNA- seq）在持续光照下对拟南芥幼苗实施两套时序采样：24小时内每2小时一次的高分辨率“密集”采样，以及延伸至48小时、每4小时一次的“长时”采样。借助10x Genomics平台测定逾20 万个细胞核的转录组，团队构建了拟南芥昼夜节律的单细胞转录图谱，并剖析了核心生物钟基因在不同细胞类型中的表达差异。

结果显示，多数基因仅在特定细胞类型中呈现节律性表达，且地上与地下器官之间差异显著。此外，不同细胞类群的振荡基因比较揭示，四类叶肉细胞（S0、S1、S2、S7）的振荡基因集合高度相似。对这些共享振荡基因进行成对相位分析发现，相较于S2与S7，S0与S1中的大部分基因的表达相位出现延迟，提示叶肉细胞内部存在更为精细的生物钟调控机制。

进一步分析发现，编码昼夜节律调控因子的基因在多种细胞类型中呈同步振荡，其中绝大部分为已知核心钟基因。基于snRNA- seq高时空分辨率数据，还鉴定到 ABF1 为新的节律调控因子，其过量表达显著缩短昼夜节律周期。上述结果进一步完善了植物生物钟的基因调控网络，并为系统解析节律振荡机制提供了新的分子切入点。

据介绍，该研究建立的拟南芥昼夜节律单细胞图谱已整合在数据资源网站中，将为后续昼夜节律领域的相关研究提供数据支撑。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-025-59424-8

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