近日，湖北大学生命科学学院、省部共建生物催化与酶工程国家重点实验室刘莉教授团队在Cell子刊《Cell Reports》上发表题为“Single-cell RNA sequencing reveals dynamics of gene expression for 2D elongation and 3D growth in Physcomitrium patens”的研究论文（图1）。湖北大学生命科学学院博士后陈则希和王文博以及中科院昆明植物研究所博士研究生周士钊为本文第一作者，刘莉教授为通讯作者，湖北大学为第一单位。

图1 文章首页

植物在陆地上的定殖促进了它们的适应性进化和形态学创新，包括对非生物胁迫耐受性的增强，以及胚胎发生和维管发育的进步。其中一项创新，即三维（3D）模式生长，可能在促进这种定殖和塑造胚胎植物的陆地景观方面发挥了至关重要的作用。苔藓植物由藓类、角苔类和苔类组成，是大约4.5亿年前开始陆地定殖过程的非维管陆生植物，已进化出2D到3D生长转变的形态特征。在被子植物中，从2D到3D生长转变始于胚胎发育，破坏这一过程可能是致命的。相比之下，苔藓中的模式植物小立碗藓在过渡到3D芽生长之前，经历了由绿丝体和轴丝体组成的2D原丝体阶段，其可以通过尖端生长无限繁殖。因此，小立碗藓是研究植物从2D到3D生长转变分子机制的理想系统。虽然已有多个生长调控因子（如CLAVATA，APB，NOG，DEK1）陆续被报道，然而其异质性尚不清楚。

图2 分析流程

因此，本研究利用单细胞RNA测序技术来分析其形态发生的异质性，包括2D细丝（绿丝体和轴丝体）和3D结构（芽和配子托）。通过伪时间分析模拟了2D到3D生长转变的发育轨迹，并揭示了许多可能决定3D芽细胞分化命运的候选基因。利用WGCNA分析，本研究确定了一个将β型碳酸酐酶（βCA）与生长素连接起来的共表达模块。后续进一步体内验证了βCA的细胞表达模式，并证明了它们在3D配子托发育和生长素途径中的作用。该研究对小立碗藓的细胞异质性提供了见解，并鉴定了单细胞分辨率下2D到3D生长的分子特征，为未来的研究提供了重要资源。

刘莉教授团队长期从事植物适应性进化与分子调控机制的研究，先后在Plant Cell、Cell Reports、Nature Communications、Plant Physiology、The Plant Journal、Journal of Experimental Botany和Journal of Integrative Plant Biology等SCI期刊上发表多篇论文。申请中国专利19项和美国专利1项，14项已获得中国授权。