中国科学院分子植物科学卓越创新中心王佳伟团队，于2025年8月18日在 Cell 在线发表题为"A unified cell atlas of vascular plants reveals cell-type foundational genes and accelerates gene discovery"的研究长文。

该研究利用单细胞转录组测序技术，首次构建了跨越6大维管植物门类（石松、蕨、裸子、双子叶、单子叶）的“统一细胞图谱”，发现了一批在4亿年进化中高度保守的“细胞类型底层基因”，并开发了全球首个维管植物自动化细胞注释工具XSpeciesSpanner，为破解植物细胞身份与功能的演化密码提供了里程碑式资源！诺禾致源为该研究提供植物单细胞测序服务。

研究背景

传统植物单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）研究受限于参考基因组的可用性，尤其对裸子植物、蕨类等基因组庞大或未测序的类群难以开展；同时，地上组织原生质体制备困难、单细胞细胞核测序（snRNA-seq）基因捕获效率低等问题，也限制了跨物种单细胞研究的范围，大多仅局限于近缘物种或根部组织。

技术突破

为突破这些瓶颈，研究团队开发了无参考基因组的 scRNA-seq 数据分析流程：借鉴批量转录组分析思路，以转录组数据作为参考构建计算流程，确保组装的转录组能全面覆盖 scRNA-seq 检测到的基因，实现精准细胞聚类；同时结合自主研发的高温固定消化原生质体制备方法，解决了地上组织原生质体获取难的问题。通过拟南芥茎尖 scRNA-seq 数据验证，该转录组参考方法（WRT）与基因组参考方法（WRG）在细胞聚类、标记基因识别等方面高度一致，证明了其可靠性，为后续跨物种研究奠定技术基础。

研究流程

关键结果

1.核心数据基础：构建多类维管植物的单细胞参考图谱

覆盖维管植物主要类群，构建代表性物种单细胞图谱：

· 裸子植物（油松）：14369 个高质量细胞，鉴定 11 种细胞类型，明确树脂道分泌细胞 MEP 途径基因富集及调控转录因子。（图1）

· 蕨类（肾蕨）：14955 个细胞，注释表皮、维管等细胞，揭示排水器独特结构与鳞片细胞防御特征。（图2）

· 石松类（马氏卷柏、日本石松）：马氏卷柏图谱含 12739 个细胞，发现横隔细胞富集保守调控基因；日本石松图谱含 13307 个细胞。（图2）

· 被子植物（水稻）：22356 个细胞的茎尖图谱，补充现有研究空白。

图1 油松茎尖细胞图谱

通过 UMAP 可视化（图 1A）直接呈现油松 14396 个细胞的集群与注释结果，明确 4 大细胞群 11 种细胞类型的分布；小提琴图（图 1B）、RISH 结果（图 1C）、共表达网络（图 1D）则针对性验证树脂道分泌细胞的 MEP 途径基因富集特征及调控转录因子，直观佐证了裸子植物细胞类型注释及功能分析结论。

图2 肾蕨和马氏卷柏茎尖细胞图谱

图2 左侧（2A、2B）展示肾蕨细胞图谱的 UMAP 聚类（14955个细胞）及解剖结构示意图，右侧（2C、2D）呈现马氏卷柏的细胞图谱（12739个细胞）与解剖结构。图2E、2F 分别聚焦肾蕨排水器、马氏卷柏横隔的特征分析，用 UMAP 图佐证两类植物的细胞类型注释结果，通过排水器、横隔的特写图强化其特殊细胞类型的分子与结构特征，实现两类植物数据的过渡。

2.跨物种整合：揭示细胞演化保守性与“隐藏”细胞

在宏观演化尺度进行单细胞图谱整合，结合 6 种维管植物（石松类、蕨类、裸子、被子），用 SAMap 和 SATURN 算法识别 8 个泛细胞群，证明 4 亿年分化后细胞仍具显著相似性。更发现蕨类和裸子植物的伴胞样细胞，颠覆了“伴胞仅存于被子植物”的认知，最后通过分子与空间定位进行验证。

图3 维管植物茎尖细胞图谱的单细胞水平整合

图3 A呈现6种维管植物的系统发育树，明确物种进化关系；图 3B 展示6个物种各自的细胞图谱（相同细胞群统一颜色）；图 3C、D 则通过 SAMap、SATURN 两种算法的 UMAP 整合结果，直观呈现 “泛细胞群” 的分布（按细胞类型 / 物种着色）。揭示了维管植物虽分化已久但仍存在显著细胞相似性。

图4 肾蕨和油松中伴胞样细胞的鉴定

通过跨物种集群相似性网络（图 4A）、拟南芥-肾蕨集群相似性热力图（图 4B），证明肾蕨/油松特定细胞与被子植物伴胞的关联性；图4C-E通过UMAP图、RISH结果验证肾蕨伴胞样细胞的标记基因表达；图4F则用smFISH直观展示伴胞样细胞在韧皮部的空间位置（靠近筛管分子）。完整呈现 “伴胞样细胞” 的发现流程。

3.理论突破：鉴定底层基因并加速基因发现

提出 “细胞类型底层基因” 概念（维管植物保守、支撑特定细胞功能），筛选出表皮（289 个）、木质部（234 个）、韧皮部（274 个）等底层基因。以韧皮部 SECB 基因为例验证：构建多突变体发现其调控筛管孔径与韧皮部功能，证明底层基因可突破传统筛选瓶颈，加速关键基因发现。

图5 维管植物细胞类型基础基因的鉴定

图5 A-C用upset图展示表皮、木质部、韧皮部底层基因的跨物种保守性（绿色 / 紫色 / 品红色为 “至少 4 个物种保守” 的基础基因），并标注已知关键基因；图 5D 通过 GO 分析明确各底层基因关联的生物学过程；图 5E 则构建基因调控网络，展示底层基因（如 MYB94）的调控作用。

图6 拟南芥中 SECB 基因作为筛管孔径形成和韧皮部功能调控因子的鉴定

从 SECB1 基因的表达模式（图 6A，UMAP图）、启动子特异性（图 6B-C，共聚焦图）、蛋白定位（图 6D-E），到突变体表型（图 6F-G）、物质积累（图 6H-L）、韧皮部运输效率（图 6M）、筛管孔径与胼胝质沉积（图 6N-S），形成完整的 “基因表达 - 蛋白功能 - 突变体表型 - 生理机制” 证据链，直接验证 SECB 基因（韧皮部底层基因）对韧皮部功能的调控作用。

4.工具开发：自动化细胞类型注释工具XSpeciesSpanner

针对植物细胞注释难题，开发了首个维管植物自动化注释工具，整合底层基因、宏基因等构建核心评分基因集，设置全自动（基因列表 + 蛋白序列→概率矩阵注释）与半自动（蛋白序列 + AUCell 评分辅助注释）模式。经毛果杨、豌豆验证，注释结果精准，还能细化细胞集群，工具已公开供研究使用。

图7 维管植物自动化细胞类型注释工具的开发

图7 A清晰展示了XSpeciesSpanner 的工作流程（全自动 / 半自动两种模式的输入、分析步骤、输出结果），图 7B-D 通过毛果杨、豌豆的验证结果证明工具准确性，图 7E展示了掌叶铁线蕨的从头注释案例。

总结

该研究以单细胞测序技术为核心，通过技术突破解决传统研究瓶颈，构建多类维管植物单细胞图谱，实现跨物种整合分析并发现 “隐藏” 细胞类型，提出细胞类型底层基因概念并加速关键基因发现，同时开发自动化注释工具。整体研究构建了维管植物单细胞研究的完整框架，不仅为理解植物细胞进化与功能提供全新视角，也为后续植物基因研究与应用提供重要数据和工具支撑，对植物科学领域具有重要的理论与实践意义。