近日，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)小麥育種全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/生命科學(xué)學(xué)院植物細(xì)胞全能性研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院作物分子育種細(xì)胞生物學(xué)研究團(tuán)隊(duì)，在Molecular Plant在線發(fā)表了題為A Single-Cell-Resolution Spatial Transcriptomic Atlas Decodes Wheat Spike Development and Yield Potential的研究論文。該研究利用空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)聯(lián)合單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)構(gòu)建了中國春小麥（Chinese Spring） W2.0-W3.5時(shí)期穗發(fā)育的時(shí)空表達(dá)圖譜并建立了相關(guān)數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)解析了小麥穗部的細(xì)胞類型組成及多種激素、轉(zhuǎn)錄因子家族的表達(dá)特征，通過多組學(xué)技術(shù)聯(lián)合分析，挖掘到了調(diào)控小麥穗發(fā)育的關(guān)鍵細(xì)胞群及基因表達(dá)模塊，為輔助小麥穗型功能基因挖掘和遺傳改良提供了重要的數(shù)據(jù)支撐。
小麥穗部結(jié)構(gòu)是決定穗粒數(shù)和最終產(chǎn)量的關(guān)鍵發(fā)育性狀，解析穗分生組織的發(fā)育過程對(duì)挖掘穗發(fā)育的關(guān)鍵調(diào)控基因有著重要意義。前人通過遺傳學(xué)、GWAS及多組學(xué)研究鑒定到了多個(gè)調(diào)控穗發(fā)育的重要基因和信號(hào)通路，但這些研究多基于基因在整體組織水平上的表達(dá)模式，難以解析不同細(xì)胞類型的異質(zhì)性及關(guān)鍵基因在空間上的表達(dá)模式，從而限制了對(duì)穗發(fā)育調(diào)控機(jī)制的深入理解。空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)能夠在保持組織結(jié)構(gòu)和空間位置信息的前提下，繪制高分辨率基因表達(dá)圖譜，為同時(shí)解析細(xì)胞身份、空間分布及其動(dòng)態(tài)變化提供了獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。將空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)應(yīng)用于小麥穗早期發(fā)育研究，有助于系統(tǒng)揭示關(guān)鍵細(xì)胞群及其特異的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)組學(xué)方法的不足，進(jìn)一步為解析小麥穗型建成機(jī)制及高產(chǎn)分子育種提供重要理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐。
該研究聚焦小麥穗型建成的關(guān)鍵早期階段，包括二棱早期階段（W2.0）、二棱期階段（W2.5）、穎片原基出現(xiàn)階段（W3.0）、外稃原基出現(xiàn)階段（W3.25）和小花原基出現(xiàn)階段（W3.5），利用單細(xì)胞分辨率的空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)對(duì)中國春小麥（Chinese Spring）穗發(fā)育的過程進(jìn)行了系統(tǒng)解析。通過對(duì)五個(gè)連續(xù)發(fā)育時(shí)期穗部切片進(jìn)行分析，研究人員共獲得53,167個(gè)高質(zhì)量細(xì)胞，識(shí)別出9類具有明確空間分布特征的細(xì)胞類型，系統(tǒng)解析了細(xì)胞組成及不同激素、轉(zhuǎn)錄因子家族的表達(dá)特征，構(gòu)建了小麥穗時(shí)空表達(dá)數(shù)據(jù)庫 WSSED，實(shí)現(xiàn)了穗發(fā)育過程中基因表達(dá)時(shí)空特征的可視化。
圖1.小麥穗分生組織W2.0-W3.5階段空間轉(zhuǎn)錄組圖譜
為進(jìn)一步解析細(xì)胞類型特異的穗發(fā)育調(diào)控機(jī)制，研究人員構(gòu)建了W3.5時(shí)期小麥穗的單核轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，并與空間轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行整合分析。通過標(biāo)簽轉(zhuǎn)移精細(xì)化細(xì)胞注釋，并結(jié)合WGCNA分析，鑒定出11個(gè)共表達(dá)模塊，其中多個(gè)模塊在小穗原基區(qū)域顯著富集。GO富集分析表明，模塊4與花序/花分生組織發(fā)育、器官極性及命運(yùn)決定密切相關(guān)，是潛在的核心調(diào)控模塊。通過進(jìn)一步整合多組學(xué)調(diào)控關(guān)系和GWAS數(shù)據(jù)，研究人員構(gòu)建了穗發(fā)育的時(shí)空調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，鑒定出包括FUL2和TaPDF2在內(nèi)的關(guān)鍵調(diào)控因子。該結(jié)果表明，空間錨定的單核轉(zhuǎn)錄組聯(lián)合分析能夠有效識(shí)別小麥早期穗發(fā)育的核心調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，并為挖掘產(chǎn)量相關(guān)功能基因提供重要候選資源。
圖2多組學(xué)挖掘穗發(fā)育潛在調(diào)控因子
小麥小穗原基基部（spikelet primordium base, SPB）細(xì)胞群是穗分生組織中的重要組成部分，是著生穗部側(cè)生器官的關(guān)鍵位置。為了解析小穗原基基部細(xì)胞群的發(fā)育命運(yùn)，研究人員對(duì)小穗原基基部進(jìn)行亞群聚類分析并得到三個(gè)亞群，其中特定亞群在W3.25階段顯著富集，恰好對(duì)應(yīng)花原基分化和側(cè)生器官命運(yùn)決定的關(guān)鍵時(shí)期。通過基因差異表達(dá)分析和功能解析，研究人員鑒定出一組與分生組織維持、側(cè)生器官形成密切相關(guān)的核心調(diào)控基因模塊（Group 2），其中包含WFZP、TaQ、TaDUO1及TaLFY等多個(gè)已知的調(diào)控小麥穗發(fā)育的關(guān)鍵因子。隨后作者借助轉(zhuǎn)基因植物進(jìn)行功能分析，表明TaLFY及其下游轉(zhuǎn)錄因子TaMADS22在調(diào)控穗型結(jié)構(gòu)和產(chǎn)量性狀中發(fā)揮重要作用。結(jié)合GWAS數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析后發(fā)現(xiàn)，在小穗原基基部細(xì)胞群中高量表達(dá)的基因與小穗數(shù)和穗粒數(shù)等關(guān)鍵產(chǎn)量性狀顯著關(guān)聯(lián)，凸顯了小穗原基基部作為穗發(fā)育和產(chǎn)量形成關(guān)鍵調(diào)控區(qū)域的重要性，并為小麥分子育種提供了潛在靶點(diǎn)。
圖3.小麥穗發(fā)育過程中小穗原基基部細(xì)胞分化的時(shí)空特征
本研究由山東農(nóng)業(yè)大學(xué)小麥育種全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/生命科學(xué)學(xué)院植物細(xì)胞全能性研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院作物分子育種細(xì)胞生物學(xué)研究團(tuán)隊(duì)合作完成。蘇英華教授、李博生研究員、張憲省教授、周良子教授為本文共同通訊作者，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士生張祥、王藝鵬，北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院副研究員宋協(xié)海為本文共同第一作者。山東農(nóng)業(yè)大學(xué)于海霞副教授、研究生楊磊、王延凱、王昕雨、萬芯言，北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院科研助理劉永琪、史艷、副研究員岳智亮、研究員侯毅楓也參與了該項(xiàng)研究。本研究在國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金，以及山東省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助下完成。
編 輯：萬 千
審 核：賈 波
