Plant Communications-课题组研究揭示GA-GASA1-ROS模块调控侧根起始的新机制

近日，课题组在Plant communications发表了题为上发表了题为“Single-Cell Transcriptomics Reveals that A Conserved GA-GASA1-ROS Module Accelerates Lateral Root Founder Cell Specification”的研究论文，利用单细胞转录组绘制了木质部中柱鞘细胞（XPPC）向侧根建成细胞（LRFC）转化的动态转录图谱，成功捕捉到LRFC特化过程中最早发生的分子事件。研究发现GASA1蛋白整合赤霉素（GA）与活性氧（ROS）信号，加速LRFC特化及细胞分裂，从而促进侧根起始。

研究先利用生长素运输抑制剂阻断侧根起始，再用生长素类似物恢复信号，使大量中柱鞘细胞同步进入起始状态。通过原生质体制备和流式细胞荧光分选技术，在起始后0、1、3、6小时四个时间点进行了单细胞转录组测序。聚类和拟时序分析揭示了从起始到特化的五个连续转录阶段，并发现一个名为GASA1的赤霉素响应基因在最早阶段特异性高表达。 

进一步的表型分析表明，外源赤霉素能显著加速起始细胞的核迁移和分裂，而用赤霉素合成抑制剂处理则造成显著延迟。令人意外的是，即使在缺失多个DELLA蛋白的突变体中，赤霉素仍能促进起始进程，这表明赤霉素在该过程中并不依赖经典的DELLA信号通路。与此一致，GASA1功能缺失突变体中起始细胞的分裂和核迁移均显著延迟，且外源赤霉素无法挽救这一缺陷，证明GASA1是赤霉素在该过程发挥功能不可或缺的下游效应因子。

为了探究GASA1的作用机制，团队分析了不同阶段的基因表达变化，发现活性氧相关基因在特化早期显著富集。通过染色和荧光探针检测，发现GASA1突变体中活性氧水平明显降低。进一步施加活性氧或活性氧清除剂分别能促进或抑制侧根起始，而外源活性氧处理可以部分恢复GASA1突变体的起始延迟表型。更关键的是，在缺乏主要活性氧产生酶的双突变体中，赤霉素对起始的促进作用被完全阻断，这确立了活性氧作为赤霉素-GASA1信号下游重要执行者的地位。

最后探讨了此调控模块的进化保守性。系统进化分析表明，GASA1基因最早出现在具有真正根的蕨类植物中，并在被子植物中扩展。在番茄和水稻中，赤霉素和活性氧对侧根起始的促进作用同样存在。在番茄单细胞数据中，GASA1同源基因特异性地在不定根起始细胞中表达。这些证据表明，赤霉素-GASA1-活性氧模块在植物侧生器官起始中具有古老且保守的功能，为理解植物如何实现器官从头发生提供了新的分子框架。

综上所述，本研究利用单细胞转录组测序技术，完整绘制并解析了木质部中柱鞘细胞（XPPCs）向侧根建成细胞（LRFCs）逐步特化的发育轨迹，最终鉴定出一条此前未被发现的GA–GASA1–ROS调控通路。具体而言，GASA1整合赤霉素（GA）与活性氧（ROS）信号，以调控侧根起始过程中的核迁移事件，从而加速LRFC的特化进程。这些发现揭示了激素信号传导与氧化还原调控在器官发生过程中的新联系，为理解植物如何实现持续的器官形成提供了更广阔的视角。

上海交通大学农业与生物学院助理研究员杜心桥为论文第一作者，华南农业大学农学院/上海交通大学农业与生物学院薛红卫教授、荷兰拉德堡大学须健教授、上海交通大学生命科学技术学院林文慧教授为论文共同通讯作者。荷兰拉德堡大学Rahul Shaw、上海交通大学张君、石皓田、张晓凡、林静、王嘉文、白宇轩、姜雨彤参与了研究工作。上海交通大学农业与生物学院陈火英教授和高鸿博副教授、中国科学院分子植物科学卓越研究中心许智宏教授、山东大学丁兆军教授为本研究提供了帮助。该研究得到了国家自然科学基金的资助。