11月8日，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心巫永睿團隊和上海師范大學(xué)王文琴團隊，在《自然-通訊》（Nature Communications）上，在線發(fā)表了題為Spatial transcriptomics uncover sucrose post-phloem transport during maize kernel development的研究文章。該研究利用空間轉(zhuǎn)錄組方法，劃分了玉米籽粒灌漿期不同細胞功能亞群，揭示了光合同化產(chǎn)物從進入籽粒到合成淀粉、蛋白和脂類等儲藏物質(zhì)過程的空間轉(zhuǎn)錄特征。

 

　　玉米是種植廣泛且高產(chǎn)的作物。玉米籽粒是高度復(fù)雜的系統(tǒng)，由數(shù)百萬個細胞組成，包括來自母體的二倍體種皮、子代基因型的三倍體胚乳以及二倍體的胚組成。構(gòu)成這三種組織器官的細胞在種類和功能上各不相同，但相互協(xié)調(diào)，進而形成獨特的微環(huán)境，以維持不同類型的細胞數(shù)量，構(gòu)成有時空差異的功能分區(qū)。例如，玉米籽粒灌漿開始前，胚乳細胞要經(jīng)歷活躍的有絲分裂和分化，細胞迅速增殖并形成完整的胚乳組織，主要包括四種細胞類型——胚乳基部轉(zhuǎn)移層（basal endosperm transfer layer，BETL）、糊粉層（aleurone layer，AL）、胚周圍區(qū)（embryo surrounding region，ESR）、淀粉胚乳細胞（central starchy endosperm，CSE）。此外，這幾類細胞還能夠衍生出一些亞細胞類型——亞糊粉層（subaleurone，SA）、傳導(dǎo)區(qū)（conducting zone，CZ）和基部中間區(qū)（basal intermediate zone，BIZ）。然而，上述細胞分類主要基于細胞形態(tài)觀察和數(shù)量極少的特異表達基因，一般轉(zhuǎn)錄組研究得到的基因表達譜缺乏空間信息，且關(guān)于每個細胞群體的具體功能的認知有限，制約了對籽粒發(fā)育和灌漿調(diào)控的研究以及優(yōu)異基因的挖掘。因此，該團隊對玉米灌漿期籽粒進行了顯微切片和空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究，實現(xiàn)了高通量可視化所有基因的電子原位雜交圖譜，鑒定了11個細胞群和332個分子標記基因，繪制了“玉米籽粒電子原位雜交”和“分子細胞學(xué)”圖譜。此外，該研究系統(tǒng)構(gòu)建了籽粒灌漿時各個組織功能區(qū)發(fā)生的關(guān)鍵事件（信號傳導(dǎo)、營養(yǎng)運輸，蛋白、淀粉、脂類合成和存儲等）和全局基因網(wǎng)絡(luò)調(diào)控圖，全面挖掘在信號傳導(dǎo)和營養(yǎng)運輸上發(fā)揮重要作用的關(guān)鍵基因，通過探索它們的生物學(xué)功能，為提升玉米產(chǎn)量和品質(zhì)提供新的基因資源。

 

　　研究工作得到“十四五”重點研發(fā)計劃和國家自然科學(xué)基金的支持。四川農(nóng)業(yè)大學(xué)的科研人員參與研究。