植物的維管組織系統(tǒng)是自然界中尤為精妙的器官，類似于動(dòng)物的骨骼與血管，能在支撐植物身軀的同時(shí)傳輸營養(yǎng)和水分。在木本植物中，次生維管組織發(fā)生與發(fā)育的分子調(diào)控過程還有大量待解之謎。
5月1日，國際學(xué)術(shù)期刊《分子植物》以封面論文的形式刊登了浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士杜娟與合作團(tuán)隊(duì)的科研成果。聯(lián)合團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)觀察并研究了木本植物維管組織系統(tǒng)的發(fā)生與發(fā)育過程，發(fā)現(xiàn)植物次生維管組織中存在兩個(gè)相互獨(dú)立的干細(xì)胞中心，顛覆了傳統(tǒng)認(rèn)知。
這一研究系統(tǒng)解析了植物次生維管組織干細(xì)胞的起源發(fā)生與發(fā)育過程，繪制了維管組織干細(xì)胞及其衍生細(xì)胞在各個(gè)分化階段的細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)與特征表達(dá)基因圖譜，為進(jìn)一步研究陸生植物維管組織系統(tǒng)演化提供了重要的資源。
兩個(gè)熒光信號(hào)引出全新認(rèn)知
現(xiàn)有研究認(rèn)為，大約4億年前，蕨類植物首先演化出了維管系統(tǒng)，這成為植物由水生向陸生拓展的關(guān)鍵演化性狀。維管系統(tǒng)能讓植物離開水生環(huán)境，從土壤中吸收水分進(jìn)行長距離運(yùn)輸，參與葉片的光合作用，固定大氣中的二氧化碳并釋放氧氣。
相對(duì)于草本植物，多年生木本植物的維管組織系統(tǒng)更為復(fù)雜高效。它們?cè)诔跎S管組織的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步演化出了次生分生組織——維管形成層。維管形成層干細(xì)胞是樹木莖干加粗生長以及逐年積累木材組織的動(dòng)力中心，在樹木的加粗生長中起到了“發(fā)動(dòng)機(jī)”的作用。
維管形成層的干細(xì)胞通過平周分裂分化形成木質(zhì)部——木材組織，同時(shí)通過光合作用將太陽能和二氧化碳固定并儲(chǔ)存在木材組織的細(xì)胞壁中，完成生物固碳的過程。因此，林木維管形成層的活性決定了木材的產(chǎn)量、材性以及森林碳匯和森林木材蓄積量的效率。但是目前，在維管形成層的結(jié)構(gòu)組成與活動(dòng)規(guī)律上還有大量未解之謎。
1873年，德國植物學(xué)家薩尼奧（Sanio）提出了維管形成層干細(xì)胞是由一層干細(xì)胞組成的假說：維管形成層區(qū)域中有一層具有雙向分裂能力的干細(xì)胞，即向外側(cè)分裂形成韌皮部母細(xì)胞，向內(nèi)分裂形成木質(zhì)部母細(xì)胞。
這個(gè)“一層干細(xì)胞”的假說，如今仍被教科書普遍采用。但由于技術(shù)方法的局限，這一假說一直缺少實(shí)驗(yàn)證據(jù)的支撐。
對(duì)此，2018年，杜娟選擇木本模式研究植物——楊樹。她設(shè)計(jì)了一項(xiàng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，將楊樹莖維管組織的原位雜交切片放到激光共聚焦顯微鏡下觀察。她預(yù)估，如果順利，干細(xì)胞特征表達(dá)的基因探針將顯示一個(gè)閃亮的熒光信號(hào)，它所在的位置就是次生維管組織的“發(fā)動(dòng)機(jī)”——干細(xì)胞中心。
但奇怪的是，醒目的熒光信號(hào)竟然來自于維管組織內(nèi)的兩個(gè)不同區(qū)域，一個(gè)在韌皮部，一個(gè)在形成層，并不是學(xué)界普遍認(rèn)為的——維管組織中僅在形成層區(qū)域存在一個(gè)干細(xì)胞中心。
“那兩個(gè)熒光信號(hào)激起了我的好奇心，也指引著我此后5年的研究。”杜娟說，當(dāng)年她看到的，實(shí)際上是人們此前未真正“看清楚”過的區(qū)域。那里發(fā)生的事，關(guān)系到擁有百年壽命之久的樹木的莖干怎樣變粗以及木材怎樣形成。
追蹤兩類干細(xì)胞群生成過程
近5年來，杜娟通過采用3組不同層面的研究策略與實(shí)驗(yàn)方法，建立起莖維管組織的空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)的研究技術(shù)方法，將電子顯微鏡觀察與空間轉(zhuǎn)錄組測(cè)序相結(jié)合，來追蹤研究楊樹的莖從頂端原形成層干細(xì)胞逐步發(fā)育形成次生維管組織干細(xì)胞的連續(xù)過程。
“解析這一連續(xù)發(fā)育過程中的細(xì)胞形態(tài)學(xué)與特征基因表達(dá)圖譜，就能回答一系列問題?！倍啪杲忉屨f，空間轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)能夠有效地將細(xì)胞的空間位置信息與細(xì)胞類型特異表達(dá)的特征基因信息同時(shí)解析出來，它可以解答研究者觀察到的干細(xì)胞的特征表達(dá)基因。
通過連續(xù)電鏡切片的觀察，杜娟發(fā)現(xiàn)楊樹莖從初生生長階段起就出現(xiàn)了分化：莖頂端的原形成層干細(xì)胞的衍生細(xì)胞在離心方向（韌皮部）和向心方向（木質(zhì)部）兩個(gè)組織區(qū)域中，分別形成了形態(tài)差異的兩類干細(xì)胞群。
“使用空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)方法也再次確定了這一發(fā)現(xiàn)?！彼榻B說，在韌皮部中的干細(xì)胞群，細(xì)胞形態(tài)特征與原形成層干細(xì)胞類似，具有細(xì)胞分裂能力，負(fù)責(zé)韌皮部細(xì)胞的形成；在維管形成層區(qū)域的干細(xì)胞群，由已知的形成層紡錘狀原始細(xì)胞和射線原始細(xì)胞組成，負(fù)責(zé)木質(zhì)部細(xì)胞的形成。
森林木本植物是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，也是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的貯碳庫。木本植物通過光合作用，將太陽能和二氧化碳轉(zhuǎn)化合成有機(jī)物儲(chǔ)存在木材組織中，完成生物固碳。
杜娟認(rèn)為，本次研究為篩選維管組織發(fā)育與木材形成的關(guān)鍵調(diào)控因子進(jìn)行分子育種、改良植物株型、調(diào)控植物生長發(fā)育與抗逆提供了新的研究視角。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)還將進(jìn)一步解析林木干細(xì)胞協(xié)同調(diào)控林木縱向向高生長與徑向加粗生長的機(jī)理，希望獲得關(guān)鍵的候選功能基因，并應(yīng)用于培育具有高效碳匯能力的林木新品種，以期獲得具有高附加值的林木新產(chǎn)品。
