Nature Communications|单细胞转录组揭秘玉米根系对热胁迫的时空响应

2025-01-06 17:24   湖北  

玉米 / 单细胞 / 转录组 / 热胁迫

玉米 (Zea mays)以其遗传多样性和高效的C4光合作用途径,在全世界的粮食、饲料和生物燃料生产中发挥着重要作用,其独特的根系有助于其在多样化环境中的适应性。
在非生物胁迫因素中,热胁迫被认为是全球农业生产面临的最大挑战之一。热胁迫会导致根系结构的变化,阻碍了植物对水分和养分的吸收。
培育具有优良根系特性的品种,是非生物胁迫条件下提升作物产量的关键策略。然而,由于之前的技术限制,我们尚不清楚玉米根系在细胞水平上响应热胁迫的转录调控网络。
幸运的是,单细胞RNA测序技术(scRNA-seq)的出现,使得我们能够获得细胞类型特异性的高分辨率表达图谱,揭示新细胞类型和细胞系的发育路径。在单个细胞或特定细胞类型中精确量化基因表达,对于我们深入理解调控根发育的复杂基因网络至关重要。
2025年1月2日Nature Communications上线了一篇关于玉米根尖响应热胁迫的研究论文,“Single-cell transcriptomes reveal spatiotemporal heat stress response in maize roots”。该研究描绘了玉米根尖对热胁迫响应的单细胞水平图谱,为理解热耐受性的细胞机制提供了新的见解。
图1. Cluster annotation and differences for cell types in scRNA-Seq of maize primary root tips under HS.
首先,该研究分别对正常生长和热激(42°C,2小时)处理的玉米根尖进行scRNA-seq,成功构建了一个包含超过35000个有效细胞的单细胞转录图谱。通过对scRNA-seq数据的分析,鉴定到了对应于9种主要细胞类型的15个细胞簇,并在这些异质细胞群体中鉴定了一组细胞类型特异性标记基因。
图2. Single-cell RNA-Seq highlights canonical and additional aspects of the HS response.

通过对不同细胞类型的基因表达模式进行分析,发现皮层细胞在热胁迫下表现出最多的差异表达基因,这表明皮层细胞在响应热胁迫中扮演着关键角色。此外,不同细胞类型的响应模式存在相似性和异质性,揭示了植物根系在热胁迫下的复杂调控网络。

图3. 热胁迫下柱细胞的重新聚类和拟时间轨迹
随后,又构建了由一组初始细胞分化而来的柱细胞和皮层细胞系的连续发育轨迹,这些细胞沿着自己的发育轨迹具有连续的拟时间序列。通过拟时序分析,发现了皮层细胞和柱细胞的两种亚型(cortex1和cortex2;Columella 1和Columella 2),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。
这一发现扩展了我们对根细胞异质性的理解,并为进一步研究柱细胞在热胁迫响应中的功能提供了新的视角。

4. 热胁迫下皮层细胞的重新聚类和伪时间轨迹

通过共表达网络分析,我们鉴定了在九种细胞类型中对热胁迫响应激活或抑制的15个调节模块。

图5. 与九种玉米根细胞类型中响应热胁迫的关键DEGs共表达的相关模块

特别是,对玉米、拟南芥和水稻的单细胞表达数据的比较分析,使我们能够检查根细胞类型转录组的保守特征,并鉴定对热胁迫响应的关键同源基因。
图6. 玉米、水稻和根尖单细胞转录组之间的比较

此外,该研究还鉴定了皮层细胞类型的特异性基因,并证实了它们调节与热耐受性密切相关的玉米主根顶端皮层的功能。结果表明,皮层大小与热耐受性强烈相关,这一发现通过使用自交系和玉米中一个候选基因的遗传突变分析得到了实验验证,为作物改良提供了潜在的HS耐受性指标和目标。

图7. zmmax1b突变体在热胁迫下的功能验证
总之,该研究通过单细胞转录组学技术,揭示了玉米根系在热胁迫下的时空响应,特别是在细胞类型特异性水平上。这些发现不仅增进了我们对植物根系热胁迫响应机制的理解,也为培育耐高温作物提供了新的策略和靶点。


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