近日，复旦大学生命科学学院常芳教授团队在The Plant Cell发表题为 “Cryptic Fate Priming and Lineage Stabilization during Arabidopsis Anther Development”的研究论文。该研究利用高分辨率单细胞转录组技术，获得了66,864 个高质量单细胞转录组，系统重建了拟南芥花药从早期细胞命运建立到花粉成熟的连续发育过程。该研究解析了花药主要细胞类型，并发现了一个此前未被充分认识的早期 L2层来源（Ar-d）过渡状态类群。围绕“共同来源的细胞何时开始走向同命运”这一核心问题，研究提出了花药细胞命运建立的“隐性命运预启动（cryptic fate priming）-谱系稳定（lineage stabilization）”的新模型，并阐释了MADS转录因子 SPL/NZZ参与建立早期 Ar-d过渡程序，受体激酶EMS1则负责稳定绒毡层/体细胞发育轨迹并限制生殖命运过度扩张的功能和分子轨迹。该工作为经典花药形态学谱系模型补充了单细胞分子层面的新解释、鉴定了花药主要细胞类群的新的分子标签，并通过突变体解析了部分细胞类群特异性基因如LBDs的功能。
花药是植物产生雄性生殖细胞的场所，也是研究植物细胞命运决定的经典系统。与动物不同，植物雄性生殖细胞并不是在胚胎早期预先保留下来的，而是需要在发育过程中从特定体细胞背景中重新指定生殖细胞命运。这使花药成为研究“新细胞身份如何产生、如何被偏向、又如何被稳定”的理想系统。
经典解剖学和谱系研究已经描绘了拟南芥花药早期发育的基本框架。花原基外层的 L1细胞形成花药表皮，内部 L3来源细胞主要形成连接组织和维管组织；而 L2来源细胞则尤为关键，因为它们进一步分裂分化产生生殖细胞和周围的绒毡层、中层、药室内壁等体细胞。长期以来，这一过程主要是根据细胞位置、分裂方式和谱系关系来定义的，对于这些细胞在分子层面究竟何时真正分化、如何走向生殖细胞或体细胞命运，长期并不清楚。
基于此，该课题组通过优化单细胞分离和测序条件，共获得66,864个高质量单细胞转录组；在利用雌蕊样品作为器官参考、识别并去除潜在混杂细胞后，构建了包含45,959个高质量花药细胞的单细胞图谱，覆盖了从早期形态建成、细胞命运建立，到减数分裂、花粉成熟和花药后期发育的主要阶段，从而使研究人员第一次能够在同一个连续的单细胞框架中追踪早期L2来源的体细胞，究竟如何一步一步转变为雄性生殖细胞，或者走向周围的体细胞命运。主要有如下核心发现：
核心发现一：细胞命运不是突然“分家”，而是在共同状态中逐步产生偏向
研究首次发现，经典形态学定义的花药早期谱系进程并不等同于细胞整体分子身份的同步切换。即使位于早期发育分叉点两侧、未来将走向同命运的细胞，在全局转录水平上仍然高度相似。表明花药细胞命运的建立并不像一个瞬间切换的“开关”，而是在高度相似的状态中，少量具有方向性的转录程序开始出现偏向。
Figure 1 summarizes the construction of the Arabidopsis anther single-cell atlas. The figure shows the sampling design (A), UMAP-based clustering of 45,959 anther cells (B), stage-specific cell distributions (C), marker-gene expression across clusters (D), and a schematic of classical archesporial-derived anther lineage development (E).
核心发现二： SPL/NZZ不是简单决定某一种命运，而是帮助细胞首先进入“可分化”状态
那么，这个状态是真实存在的发育阶段，还是仅仅由计算分析推断出来的结果？研究团队进一步将野生型图谱与花药早期发育关键调控因子 SPL/NZZ的突变体进行单细胞比较。SPL/NZZ长期以来被认为是花药早期发育和孢子发生的重要调控因子。spl突变体无法正常形成生殖细胞，并表现出严重的花药发育缺陷。单细胞转录组分析显示，在spl-4中，正常的Ar-d过渡态细胞明显减少，其后续产生的生殖细胞、绒毡层和中间层等L2来源细胞也几乎消失。更重要的是，在残余的类Ar-d细胞中，野生型早期Ar-d及分支附近高度表达的Module 1显著降低。因此，SPL/NZZ的作用并不能简单理解为“打开一个生殖细胞基因”。而是首先帮助早期L2来源细胞建立正常的Ar-d过渡程序，使这些细胞进入一种具备进一步产生不同L2来源命运能力的发育状态；在此基础上，生殖和体细胞谱系才得以继续展开。
核心发现三：EMS1负责把已经出现的体细胞倾向稳定下来
如果说SPL/NZZ负责让细胞进入正常的早期过渡状态，那么细胞已经出现命运偏向以后，又是谁帮助它真正“站稳队伍”？为了回答这一问题，课题组获得了一个新的哥伦比亚野生型背景下的 EMS1 基因突变体 ems1-3，并验证了突变体表型与Ler 背景的 ems1-1突变体表型一致。单细胞分析表明，在野生型中，Ar-d细胞可以分别进入生殖细胞和体细胞/绒毡层相关轨迹；而在 ems1-3中，Ar-d细胞向绒毡层方向的发展显著受阻，同时更多细胞表现出向生殖细胞相关状态偏移的趋势且在ems1-3的Ar-d和生殖细胞中，多种与染色质调控、DNA修饰和RNA介导DNA甲基化（RdDM）相关的基因发生改变。表明EMS1不是简单地在SPC 转变为绒毡层时发挥作用，而是在细胞刚刚出现绒毡层偏向时，就帮助稳定这一命运轨迹，并阻止细胞继续滑向生殖命运。
核心发现四：新的可用于可视化标记的启动子与新的功能基因
除了回答早期细胞命运建立的问题，该研究的单细胞图谱还系统描绘了花药多个细胞谱系从产生到成熟的动态过程。包括早期小孢子母细胞发生、到减数分裂、花粉发育和成熟的一系列连续转录程序；绒毡层则从早期命运建立逐渐进入代谢激活、花粉壁形成、脂质合成和运输以及后期功能成熟过程；以及中间层和药室内壁灯细胞类群的动态转录过程。
研究还鉴定了一系列新的细胞类型特异或富集表达基因，并通过RNA原位杂交和启动子荧光报告株验证其空间表达；通过筛选候选调控因子，解析了绒毡层特异表达的LBD2和LBD20、生殖细胞特异表达的LBD28和LBD34 的功能。
研究意义与展望
过去数十年的细胞学观察和的遗传学研究为花药发育建立了空间和谱系框架。本研究并不是要推翻这一经典模型。相反，它为经典模型补充了一个此前缺失的分子维度：形态上的分裂和谱系位置改变，并不意味着细胞整体分子身份已经同步完成分化。细胞命运并不是一次瞬间完成的“开关”。它更像一个逐渐失去不确定性、不断放大早期微弱差异的连续过程。这一发现也暗示了一个更具有普遍意义的发育调控逻辑：在许多细胞分化体系中，未来命运可能早于成熟细胞类型特异表达程序而被“预置”。在细胞整体看起来仍然非常相似的时候，少量调控基因已经悄悄改变了未来发展的概率；随后，信号传导和转录调控网络再将这些初始偏向不断强化并稳定为最终命运。
复旦大学生命科学学院博士研究生王健正、周雪怡为论文共同第一作者，常芳教授为通讯作者，宾夕法尼亚州立大学马红教授、复旦大学博士研究生孙文慧、刘叶乔、李含霁、硕士研究生赵雨晗、谢欣怡、以及已毕业博士研究生张诗婷和雷镇泽参与了该研究。研究工作得到了科技部国家重点研发计划和国家自然科学基金的支持。
论文信息:
Jianzheng Wang, Xueyi Zhou, Wenhui Sun, Yeqiao Liu, Shiting Zhang, Hanji Li, Yuhan Zhao, Xinyi Xie, Zhenze Lei, Hong Ma, Fang Chang, Cryptic Fate Priming and Lineage Stabilization during Arabidopsis Anther Development, The Plant Cell, 2026;, koag262, https://doi.org/10.1093/plcell/koag262.