一项新研究使用新颖的单细胞分析技术来揭示植物如何添加新的细胞层来帮助它们抵御干旱或洪水等气候压力因素。该研究的重点是玉米——一种在世界范围内极为重要的作物——旨在创建植物根系的逐细胞图，该植物根系可调节干旱压力并从土壤中吸收养分和肥料。

“我们发现了玉米如何扩张其皮质组织，这构成了作物根系的大部分。向皮层组织添加层是一个关键的进化特征，它为植物创造了耐受干旱和洪水并提高营养吸收的方法，”纽约大学生物学系和基因组学和系统生物学中心教授肯尼斯·伯恩鲍姆 (Kenneth Birnbaum) 说。该论文的作者发表在《科学》杂志上。

“这些特性将成为让植物抵御全球变暖和减少作物碳足迹的关键目标，”伯恩鲍姆补充说，他在纽约大学的实验室与冷泉港实验室和宾夕法尼亚大学的研究人员合作领导了该项目。

为了创建玉米根的单细胞图谱，研究人员首先使用细胞壁消化酶分解根以产生单个自由漂浮的细胞。然后，新方法使他们能够使用基于微型液滴的单细胞测序技术分析单个细胞的 mRNA 含量——区分导致特定类型特化细胞的分子特征。

接下来，他们将细胞映射回它们在玉米根中的位置，类似于在没有向导的情况下组装 10,000 块拼图。为了解决这个难题，研究人员使用以不同深度渗透到根组织中的荧光染料来标记和隔离不同的层，例如将洋葱的层分开，为它们提供基因标志以绘制单个细胞的图谱。

纽约大学基因组学中心的卡洛斯·奥尔蒂斯·拉米雷斯 (Carlos Ortiz Ramirez) 说：“第二层信息本质上为我们提供了一个拼图盒，使我们能够将细胞精确地映射到它们的适当位置，以便在整个玉米根部重建基因表达的 3D 模型。”和系统生物学和墨西哥的 UGA Laboratorio Nacional de Genómica para la Biodiversidad，他是该研究的第一作者。

玉米根的新图谱揭示了以前未描述的根皮层细胞特化。皮质特别重要，因为它包含了早期玉米根的大部分，并且有 10 层以上。此外，皮质细胞亚型对于帮助作物应对环境压力的性状至关重要。例如，内皮层是共生真菌与植物交换营养的地方，增加合作有助于减少农业的碳足迹。皮质的中间层创建了空气通道，可以在洪水期间进行气体交换，而皮质的按需扩张可以减少干旱胁迫期间的水分流失。