树干加粗生长 动力来自两个干细胞“工厂”

【新知】

◎洪恒飞 周 炜 本报记者 江 耘

植物的维管组织系统是自然界中尤为精妙的器官，类似于动物的骨骼与血管，能在支撑植物身躯的同时传输营养和水分。在木本植物中，次生维管组织发生与发育的分子调控过程还有大量待解之谜。

5月1日，国际学术期刊《分子植物》以封面论文的形式刊登了浙江大学生命科学学院博士杜娟与合作团队的科研成果。联合团队系统观察并研究了木本植物维管组织系统的发生与发育过程，发现植物次生维管组织中存在两个相互独立的干细胞中心，颠覆了传统认知。

这一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，绘制了维管组织干细胞及其衍生细胞在各个分化阶段的细胞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重要的资源。

两个荧光信号引出全新认知

现有研究认为，大约4亿年前，蕨类植物首先演化出了维管系统，这成为植物由水生向陆生拓展的关键演化性状。维管系统能让植物离开水生环境，从土壤中吸收水分进行长距离运输，参与叶片的光合作用，固定大气中的二氧化碳并释放氧气。

相对于草本植物，多年生木本植物的维管组织系统更为复杂高效。它们在初生维管组织的基础上，进一步演化出了次生分生组织——维管形成层。维管形成层干细胞是树木茎干加粗生长以及逐年积累木材组织的动力中心，在树木的加粗生长中起到了“发动机”的作用。

维管形成层的干细胞通过平周分裂分化形成木质部——木材组织，同时通过光合作用将太阳能和二氧化碳固定并储存在木材组织的细胞壁中，完成生物固碳的过程。因此，林木维管形成层的活性决定了木材的产量、材性以及森林碳汇和森林木材蓄积量的效率。但是目前，在维管形成层的结构组成与活动规律上还有大量未解之谜。

1873年，德国植物学家萨尼奥（Sanio）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。

这个“一层干细胞”的假说，如今仍被教科书普遍采用。但由于技术方法的局限，这一假说一直缺少实验证据的支撑。

对此，2018年，杜娟选择木本模式研究植物——杨树。她设计了一项验证实验，将杨树茎维管组织的原位杂交切片放到激光共聚焦显微镜下观察。她预估，如果顺利，干细胞特征表达的基因探针将显示一个闪亮的荧光信号，它所在的位置就是次生维管组织的“发动机”——干细胞中心。

但奇怪的是，醒目的荧光信号竟然来自于维管组织内的两个不同区域，一个在韧皮部，一个在形成层，并不是学界普遍认为的——维管组织中仅在形成层区域存在一个干细胞中心。

“那两个荧光信号激起了我的好奇心，也指引着我此后5年的研究。”杜娟说，当年她看到的，实际上是人们此前未真正“看清楚”过的区域。那里发生的事，关系到拥有百年寿命之久的树木的茎干怎样变粗以及木材怎样形成。

追踪两类干细胞群生成过程

近5年来，杜娟通过采用3组不同层面的研究策略与实验方法，首次建立起茎维管组织的空间转录组学的研究技术方法，将电子显微镜观察与空间转录组测序相结合，来追踪研究杨树的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。

“解析这一连续发育过程中的细胞形态学与特征基因表达图谱，就能回答一系列问题。”杜娟解释说，空间转录组测序技术能够有效地将细胞的空间位置信息与细胞类型特异表达的特征基因信息同时解析出来，它可以解答研究者观察到的干细胞的特征表达基因。

通过连续电镜切片的观察，杜娟发现杨树茎从初生生长阶段起就出现了分化：茎顶端的原形成层干细胞的衍生细胞在离心方向（韧皮部）和向心方向（木质部）两个组织区域中，分别形成了形态差异显著的两类干细胞群。

“使用空间转录组学方法也再次确定了这一发现。”她介绍说，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。

森林木本植物是陆地生态系统的主体，也是陆地生态系统最重要的贮碳库。木本植物通过光合作用，将太阳能和二氧化碳转化合成有机物储存在木材组织中，完成生物固碳。

杜娟认为，本次研究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了新的研究视角。在此基础上，团队还将进一步解析林木干细胞协同调控林木纵向向高生长与径向加粗生长的机理，希望获得关键的候选功能基因，并应用于培育具有高效碳汇能力的林木新品种，以期获得具有高附加值的林木新产品。