東北地理所在水稻種子早期發(fā)育單核轉(zhuǎn)錄組圖譜繪制方面取得新進展
水稻種子早期發(fā)育是胚形態(tài)建成、胚乳分化及后續(xù)籽粒形成的關(guān)鍵階段。授粉后3–7天（days after pollination，DAP），胚逐漸建立基本組織結(jié)構(gòu)，胚乳經(jīng)歷細胞化并進一步分化形成不同功能區(qū)域。然而，由于早期種子體積小、組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜且細胞類型多樣，不同細胞群的分子特征及其發(fā)育關(guān)系仍缺乏系統(tǒng)認識。近年來，單細胞和單核轉(zhuǎn)錄組技術(shù)的發(fā)展，為從細胞類型層面解析水稻種子早期發(fā)育提供了新的研究手段。
為系統(tǒng)解析水稻種子早期發(fā)育過程中的細胞組成及分子特征，研究團隊利用單核RNA測序（snRNA-seq）技術(shù)，對授粉后3、5和7天的水稻穎果進行系統(tǒng)分析，構(gòu)建了水稻早期種子高分辨率單核轉(zhuǎn)錄組圖譜。該研究整合胚、胚乳和果皮的組織轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，并結(jié)合RNA原位雜交和啟動子–GUS染色，對不同細胞群進行系統(tǒng)鑒定和驗證。最終鑒定出淀粉胚乳、糊粉層、腹側(cè)糊粉層、胚—胚乳界面、早期胚、胚軸、盾片以及果皮和珠心等細胞群，并獲得一批細胞類型相關(guān)標(biāo)記基因，為后續(xù)精細化功能研究提供了重要基礎(chǔ)（圖1）。該研究進一步整合分析了水稻雌蕊及早期種子單核轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù) (Li et al., 2023)，發(fā)現(xiàn)部分母體來源細胞與受精前雌蕊細胞存在明顯轉(zhuǎn)錄關(guān)聯(lián)，其中子房壁–果皮細胞、珠心–種子期珠心細胞均表現(xiàn)出連續(xù)的轉(zhuǎn)錄變化。同時，部分珠心細胞中富集了程序性細胞死亡及運輸相關(guān)基因，提示母體組織的動態(tài)變化可能參與種子發(fā)育過程中的物質(zhì)運輸與營養(yǎng)供給的調(diào)控。利用共表達網(wǎng)絡(luò)分析（hdWGCNA）發(fā)現(xiàn)，部分基因共表達模塊與特定細胞類型呈現(xiàn)顯著關(guān)聯(lián)，例如淀粉胚乳相關(guān)模塊富集了OsbZIP58、OsNF-YA8和OsPUL3等已報道參與胚乳發(fā)育的重要調(diào)控因子，進一步佐證了單核轉(zhuǎn)錄組圖譜及細胞類型注釋的可靠性。遺傳學(xué)分析進一步顯示，胚軸相關(guān)模塊中的FIB基因功能缺失突變體表現(xiàn)出籽粒灌漿異常和胚發(fā)育缺陷，表明該圖譜具有挖掘種子發(fā)育關(guān)鍵調(diào)控因子的潛力。
尤為值得關(guān)注的是，該研究鑒定出一個轉(zhuǎn)錄特征獨特的胚—胚乳界面（EEI）細胞群。該群富集大量物質(zhì)運輸和種子發(fā)育相關(guān)基因，EEI高表達基因（如OsBZR4、DWT1、MYB73）功能缺失均導(dǎo)致胚發(fā)育異常，提示該群可能含有調(diào)控胚胎發(fā)育的重要分子網(wǎng)絡(luò)。聚焦于EEI富集的調(diào)控因子OsBZR4，發(fā)現(xiàn)OsBZR4缺失后，EEI中多種生長素運輸基因轉(zhuǎn)錄程序受到損害，同時osbzr4突變體中早期胚細胞群Em-1發(fā)育受阻。結(jié)合擬時序分析、RNA-seq及CUT&Tag等多組學(xué)數(shù)據(jù)，研究進一步篩選并驗證了早期胚細胞群標(biāo)記基因OsCDP3.10和RINO1為OsBZR4的潛在下游靶基因。綜上，OsBZR4可能作為EEI調(diào)控網(wǎng)絡(luò)核心組分，通過維持界面轉(zhuǎn)錄狀態(tài)并調(diào)控胚胎發(fā)育基因表達，從而促進水稻正常胚發(fā)育。
本研究構(gòu)建了水稻早期種子高分辨率單核轉(zhuǎn)錄組圖譜，系統(tǒng)解析了胚、胚乳及母體來源細胞群的分子特征，并建立了豐富的細胞類型標(biāo)記資源。特別是該研究所鑒定的胚—胚乳界面細胞群及其調(diào)控特征，為理解胚與胚乳之間的協(xié)調(diào)發(fā)育提供了新的視角。該研究不僅拓展了對水稻種子細胞多樣性和發(fā)育過程的認識，也為揭示種子形成機制及改良重要農(nóng)藝性狀提供了寶貴的資源。
圖1 單核轉(zhuǎn)錄組圖譜解析水稻早期種子細胞多樣性及特征基因
研究成果以“A single-nucleus transcriptomic atlas reveals distinct cell identities and key regulators of cellular differentiation during early rice seed development”為題，在線發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Journal of Integrative Plant Biology。中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所已畢業(yè)博士劉穎湘（現(xiàn)崖州灣國家實驗室博士后）與在讀博士王浩宇為共同第一作者，卜慶云研究員與王臻昱副研究員為共同通訊作者，趙久海研究員與耿宇副研究員提供了重要指導(dǎo)與幫助。許敏博士（現(xiàn)就職于吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)）、研究生洪志鵬和邱梓銘參與部分實驗，田曉杰、李秀峰副研究員及李偉強研究員也參與了該項研究。該研究得到了國家自然科學(xué)基金-黑龍江省聯(lián)合基金項目（U23A20193）和黑龍江省重點研發(fā)計劃創(chuàng)新基地項目（JD24A011）的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1111/jipb.70373
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