花药在植物生殖发育过程中具有重要作用。作为重要的夏季经济作物，棉花在开花期经常遭遇的高温胁迫可导致花药不育进而造成产量严重损失。
高温胁迫破坏了棉花花药的代谢过程，既往研究主要集中在高温胁迫下雄性不育的代谢基础，而花药发育过程中的转录表达图谱和调控动态以及对高温胁迫的分子响应机制尚不清楚。
今天小格将分享一篇棉花花药单细胞转录组测序（snRNA-seq）+单细胞染色质开放性测序（snATAC-seq）的多组学文章，我们将一同探索棉花花药发育的奥秘以及它们如何应对高温胁迫的“生存智慧”。
文章题目：Single-Cell Transcriptome Atlas and Regulatory Dynamics in Developing Cotton Anthers
发表时间：2023.11
发表期刊：Advanced Science（IF 14.3）
发表单位：华中农业大学
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文章简介
本文建立了棉花花药单细胞转录组和染色质开放性图谱，揭示了花药细胞对高温胁迫的分子响应机制，为耐热植物品种的培育和遗传改良提供了新的线索。
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研究思路
技术路线
图1 技术路线图
材料与方法
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研究结果
图2 棉花花药细胞表达图谱的生成
棉花花药在第11期中间层降解结束
图3 中间层的发展轨迹
从单细胞重建绒毡层的连续发育轨迹
研究者对绒毡层细胞进行拟时序分析发现，从细胞亚群2逐渐过渡到细胞亚群10（图4 B-C），并且在每个拟时序中发现了许多特异性表达的新基因（图4 D-G），基因功能富集分析显示，绒毡层细胞主要负责花粉壁的形成。
研究者利用线性常微分方程（ODEs）和线性回归（SCODE）结合的方法推断了一个基因调控网络（GRN），揭示了MYB 52可能是绒毡层发育调控的关键因素。
图4 绒毡层细胞的发育轨迹
染色质开放性揭示了棉花花药单细胞调控动力学
研究者利用snATAC-seq对单细胞层面染色质开放性进行分析（图5 A），发现snRNA-seq中的基因表达与snATAC-seq中的基因开放性评分高度一致（图5 A），表明染色质开放性和基因转录活性之间具有强相关性（图5 B）。
图5 棉花花药自然温度下单细胞染色质开放性
负责花粉壁合成的绒毡层细胞在高温下被牺牲
研究者发现各细胞类型在常温和高温之间表现出明显差异，绒毡层细胞负责花粉壁合成，高温下绒毡层细胞和小孢子的数量明显减少直至完全消失（图6 A），表皮细胞和结缔组织细胞数量增加（图6 B）。
研究者对高温下的差异表达基因进行功能富集分析发现，花药各类型细胞会牺牲各自的发育来抵御高温胁迫（图6 C-E）。
图6 棉花花药高温单细胞转录组图谱的构建棉花花药高温单细胞转录组图谱的构建
高温下花粉壁合成基因染色质开放性关闭导致花粉壁发育异常
高温胁迫下的多组学数据结果表明，负责花粉壁合成的绒毡层细胞的染色开放性和基因表达在高温下均受到抑制，这一过程可能导致MYB等转录因子无法正常调控花粉壁合成基因的表达，最终导致花粉壁发育异常。
图7 负责花粉壁合成的绒毡层细胞对高温最为敏感
QRT3和CYP703A2是高温应激下降解绒毡层细胞缺失的关键核心基因
研究者发现QRT3和CYP703A2基因主要在绒毡层细胞中表达（图8 A-B），高温胁迫可以通过抑制CYP703A2和QRT3的表达分别影响果胶代谢和孢粉素合成，导致花粉壁发育异常和雄性不育。
图8 高温（HT）抑制QRT3和CYP703A2的表达，导致雄性不育
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总结
本研究构建了常温和高温胁迫下棉花花药的单细胞转录组和染色质开放性图谱，揭示了不同细胞类型对高温反应的异质性及其调控机制。
该研究结果不仅为植物花药发育的研究提供了思路，也为今后耐热植物品种的培育和遗传改良提供了重要参考。
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参考文献
Li, Y.L., Ma, H.H., Wu, Y.L., et al. Single-Cell Transcriptome Atlas and Regulatory Dynamics in Developing Cotton Anthers[J]. Advanced science (Weinheim, Baden-Wurttemberg, Germany), 2023, 11(3): e2304017.
