背景回顾：In the plant meristem, tissue-wide maturation gradients are coordinated with specialized cell networks to establish various developmental phases required for indeterminate growth. 

主要研究：Here, we used single-cell transcriptomics to reconstruct the protophloem developmental trajectory from the birth of cell progenitors to terminal differentiation in the Arabidopsis thalianaroot. 

结果1-PEAR-ROP GTPase signaling：PHLOEM EARLY DNA-BINDING-WITH-ONE-FINGER (PEAR) transcription factors mediate lineage bifurcation by activating guanosine triphosphatase signalingand prime a transcriptional differentiation program. 

结果2-PLTs抑制分化程序：This program is initially repressed by a meristem-wide gradient of PLETHORA transcription factors. 

结果3-双向抑制：Only the dissipation of PLETHORA gradient permits activation of the differentiation program that involves mutual inhibition of early versus late meristem regulators. 

结论：Thus, for phloem development, broad maturation gradients interface with cell-type-specific transcriptional regulators to stage cellular differentiation.

 摘 要 

在植物分生组织中，组织范围的成熟梯度与特化的细胞网络相互协调，从而建立各种发育阶段，作用于无限生长。本文中，作者通过单细胞转录组重构了拟南芥根组织中，原生韧皮部从祖细胞开始到终末分化为止的发育轨迹。PEAR转录因子通过激活鸟苷三磷酸酶信号转导和启动一个转录分化程序介导细胞谱系的分歧。该程序最初是由PLT转录因子在分生组织范围上的梯度所抑制的。只有在PLT梯度逐渐消散的区域，分化程序被激活，其中涉及了早期和晚期分生调控因子之间的相互抑制。因此，对于韧皮部的发育而言，宽泛的成熟梯度与细胞类型特异性转录调控子一起，组织了细胞的分化。

植物根的生长是无限的。沿着根纵轴，新的细胞不断的出现并成熟，该过程需要组织范围上的细胞分裂和分化之间的协调。在根中，正在发育中的原生韧皮部单层细胞是由其它组织所包裹，其中每种细胞类型都会以其特有的节奏进行分化。尽管原生韧皮部细胞会与周围环境之间存在交流，然而与周边的细胞类型相比，位于植物维管组织内的韧皮部发育程序会被加快。本文中，作者基于高分辨率成像和单细胞组学的方法，利用原生韧皮部分化和细胞变化的快节奏特点，解析了其发育轨迹。

单细胞转录组测序（scRNA-seq）应用于器官发生的研究通常能够绘制出不同组织类型的转录图谱。尽管这些方法能够鉴定某一器官内细胞的基因表达谱，但是重构细胞在成熟过程中的逐步改变仍受到局限。高分辨率的图谱能够取到沿着某一发育轨迹上的每一种细胞发育状态，并且将每一个发育状态对应到导致细胞特化的发育改变。为了理解根组织韧皮部细胞在单细胞水平上与细胞特化相关的发育进程，作者利用了细胞分选来剖析拟南芥根组织并匹配原生韧皮部特异性转录本，利用scRNA-seq来鉴定细胞成熟过程中的分子转变，以及活细胞成像技术来关联分化过程中的分子状态与形态和细胞事件。

 RESULTS 

长时间的活体成像使得作者能够精确定位原生韧皮部筛分子成熟过程中，发育阶段的持续时间以及每个细胞在发育轨迹中在每个位置上的所用时间。接着，作者映射了原生韧皮部从开始到去核这一发育过程中19个细胞位置上的单细胞转录组图谱。结合单细胞转录组和活体成像试验中的细胞行为数据，作者建立了原生韧皮部发育的7个发育阶段，包括早期的细胞谱系分歧，从增殖到分化的转变，以及最终的细胞去核。

利用单细胞转录组数据能够将细胞谱系分歧和去核等细胞发育与分子状态关联起来，这使得作者能够揭示协调细胞成熟的遗传机制。首先，作者的分析揭示了ROP GTPase信号转导在早期韧皮部发育中的重要作用，即韧皮部细胞谱系发育分叉，产生后生韧皮部筛分子和原形成层。作者发现，韧皮部富集的ROP GTPase信号转导组件的表达是由谱系特异性的PEARs转录因子所诱导的。另外，PEARs还能够通过转录激活调控原生韧皮部筛分子去核的APL基因，以促进韧皮部的分化。缺少PEARs的情况下，APL、NAC45/86和NEN4基因的转录不会在原生韧皮部细胞谱系中被激活，并且细胞去核失败。

这种由PEARs到APL基因控制晚期成熟的遗传级联代表了很大程度上自主性的韧皮部特异性调控成熟的回路。但是，作者同样能够将遗传级联的时间与宽泛表达的分生组织成熟主要调控子关联到一起。原生韧皮部筛分子分化程序能够在时间上通过源自于干细胞微环境（stem cell niche）、分布宽泛的PLT转录因子与其余的分生组织关联到一起。作者发现尽管PLT在不同组织均有分布，但是在靠近干细胞微环境的区域，PLT能够拮抗PEARs的作用，直接抑制APL基因的表达。该发育机制的精确时间控制对于正确的韧皮部发育是至关重要的，“自动保险”机制能够保证有序的发育转变。比如，韧皮部分化程序的晚期基因激活总是伴随着早期基因的抑制。在早期分裂的细胞中异位表达特定晚期韧皮部基因会抑制基因的分裂，并促进细胞的扩张，而这恰恰是晚期韧皮部的两个特征。

 CONCLUSION 

利用细胞分选、实时显微镜细胞谱系追踪以及单细胞转录组技术，作者构建了指导原生韧皮部发育的遗传程序的高分辨率蓝图。作者甚至记录到了非常短的发育阶段，比如每次仅持续2个小时的细胞去核。对潜在基因调控网络的深入、高分辨率单细胞测序揭示了一种能够诱导快速发育转变的交互遗传抑制的“拉锯”机制。对于该网络的进一步分析揭示了宽泛分布与组织特异性转录因子之间的相互作用，共同协调筛分子的分化时序。