玉米作为全球主要的谷类作物，不仅是人类重要的营养来源，也是牲畜饲料和生物能源加工的重要原料。近年来，全球变暖和极端天气条件的加剧对玉米产量造成了严峻挑战。植物根系不仅对维管植物的生长发育至关重要，还能帮助植物适应复杂的环境条件。理解植物根系中遗传潜力的调控机制对于耐热育种新策略至关重要。植物对胁迫的响应需要不同细胞的精确协调，而特定细胞类型的差异基因表达有助于揭示玉米根系在应对热胁迫时的异质性。2025年1月2日，中国农业科学院生物技术研究所普莉团队在Nature Communications在线发表了题为“Single-cell transcriptomes reveal spatiotemporal heat stress response in maize roots”的研究论文。该研究首次在单细胞水平解析了玉米根系细胞对热胁迫的特异性响应机制，绘制了一个包含超过35,000个有效细胞的单细胞时空转录图谱，构建了细胞类型特异性响应高温的转录调控网络，揭示了热胁迫下植物根系的细胞异质性、根系类型的差异和分化轨迹，鉴定了单双子叶植物对热胁迫响应的关键核心基因，发现皮层是应对热胁迫最重要的细胞群，并明确了皮层与耐热性的相关性，为培育耐高温作物提供了新的策略和靶点。
研究人员通过单细胞转录组测序技术描绘了玉米根尖在热胁迫下的单细胞时空转录图谱，鉴定了15个细胞簇和9种主要细胞类型，并在这些异质性细胞群中发现了新的细胞类型特异性标记基因。通过对不同细胞类型的基因表达模式进行分析，发现木质部、皮层、中柱和根冠柱细胞等四种细胞类型在应对热胁迫时表现出高度相似的模式，其中皮层细胞在热胁迫下表现出最多的差异表达基因。其他细胞类型中的差异表达基因也展现出明显的细胞特异性，揭示了植物根系在热胁迫下的复杂调控网络。通过单细胞拟时分析，发现皮层细胞和根冠柱细胞的两种亚型，它们在热胁迫下的发育轨迹和基因表达模式存在显著差异。根冠的两个细胞亚群，在此前的玉米单细胞RNA测序研究中尚未被鉴定，其发育轨迹在热胁迫后变化不大。而皮层两个亚群的发育轨迹在热胁迫后发生显著变化，说明皮层细胞在响应热胁迫中发挥着重要作用。通过共表达网络分析，构建了9种细胞类型响应热胁迫的15个关键调节模块。通过对玉米、拟南芥和水稻的单细胞数据的比较分析，鉴定了响应热胁迫的单、双子叶关键核心基因。进一步研究发现根皮层的大小与玉米的热损伤率和耐热性高度相关，该结果通过不同玉米自交系及Max1b基因突变体得到验证，说明特异性的细胞类型可作为玉米早期生长阶段下耐热性的潜在生物标记。
综上所述，研究人员在单细胞分辨率下精细解析了热胁迫响应基因、细胞轨迹和核心标记基因，阐明了玉米根系不同细胞类型应对非生物逆境胁迫的机制，研究结果为研究作物在热胁迫下的细胞发育、分子机制、遗传改良提供了重要的数据支撑和基因资源。中国农科院生物所普莉研究员和乐亮副研究员为本文通讯作者，生物所博士后王婷（现江西上饶师范学院）、王繁华博士及北京格致博雅生物科技邓淑翰博士、王开来博士为共同第一作者，该工作得到生物所谷晓峰研究员和北京格致博雅生物科技李尚桐博士的大力支持，内蒙古大学Hada Wuriyanghan教授和生物所冯丹、徐帆、郭卫军、余佳和武悦也参与了该工作。该工作得到农业生物育种重大专项、国家自然科学基金及中国农业科学院创新工程等项目的资助。
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