近日，山东农业大学小麦育种全国重点实验室/生命科学学院植物细胞全能性研究团队联合北京大学现代农业研究院作物分子育种细胞生物学研究团队，在Molecular Plant在线发表了题为A Single-Cell-Resolution Spatial Transcriptomic Atlas Decodes Wheat Spike Development and Yield Potential的研究论文。该研究利用空间转录组技术联合单细胞测序技术构建了中国春小麦（Chinese Spring） W2.0-W3.5时期穗发育的时空表达图谱并建立了相关数据库，系统解析了小麦穗部的细胞类型组成及多种激素、转录因子家族的表达特征，通过多组学技术联合分析，挖掘到了调控小麦穗发育的关键细胞群及基因表达模块，为辅助小麦穗型功能基因挖掘和遗传改良提供了重要的数据支撑。
小麦穗部结构是决定穗粒数和最终产量的关键发育性状，解析穗分生组织的发育过程对挖掘穗发育的关键调控基因有着重要意义。前人通过遗传学、GWAS及多组学研究鉴定到了多个调控穗发育的重要基因和信号通路，但这些研究多基于基因在整体组织水平上的表达模式，难以解析不同细胞类型的异质性及关键基因在空间上的表达模式，从而限制了对穗发育调控机制的深入理解。空间转录组技术能够在保持组织结构和空间位置信息的前提下，绘制高分辨率基因表达图谱，为同时解析细胞身份、空间分布及其动态变化提供了独特优势。将空间转录组技术应用于小麦穗早期发育研究，有助于系统揭示关键细胞群及其特异的基因调控网络，能够弥补传统组学方法的不足，进一步为解析小麦穗型建成机制及高产分子育种提供重要理论基础和数据支撑。
该研究聚焦小麦穗型建成的关键早期阶段，包括二棱早期阶段（W2.0）、二棱期阶段（W2.5）、颖片原基出现阶段（W3.0）、外稃原基出现阶段（W3.25）和小花原基出现阶段（W3.5），利用单细胞分辨率的空间转录组技术对中国春小麦（Chinese Spring）穗发育的过程进行了系统解析。通过对五个连续发育时期穗部切片进行分析，研究人员共获得53,167个高质量细胞，识别出9类具有明确空间分布特征的细胞类型，系统解析了细胞组成及不同激素、转录因子家族的表达特征，构建了小麦穗时空表达数据库 WSSED，实现了穗发育过程中基因表达时空特征的可视化。
图1.小麦穗分生组织W2.0-W3.5阶段空间转录组图谱
为进一步解析细胞类型特异的穗发育调控机制，研究人员构建了W3.5时期小麦穗的单核转录组数据，并与空间转录组进行整合分析。通过标签转移精细化细胞注释，并结合WGCNA分析，鉴定出11个共表达模块，其中多个模块在小穗原基区域显著富集。GO富集分析表明，模块4与花序/花分生组织发育、器官极性及命运决定密切相关，是潜在的核心调控模块。通过进一步整合多组学调控关系和GWAS数据，研究人员构建了穗发育的时空调控网络，鉴定出包括FUL2和TaPDF2在内的关键调控因子。该结果表明，空间锚定的单核转录组联合分析能够有效识别小麦早期穗发育的核心调控网络，并为挖掘产量相关功能基因提供重要候选资源。
图2多组学挖掘穗发育潜在调控因子
小麦小穗原基基部（spikelet primordium base, SPB）细胞群是穗分生组织中的重要组成部分，是着生穗部侧生器官的关键位置。为了解析小穗原基基部细胞群的发育命运，研究人员对小穗原基基部进行亚群聚类分析并得到三个亚群，其中特定亚群在W3.25阶段显著富集，恰好对应花原基分化和侧生器官命运决定的关键时期。通过基因差异表达分析和功能解析，研究人员鉴定出一组与分生组织维持、侧生器官形成密切相关的核心调控基因模块（Group 2），其中包含WFZP、TaQ、TaDUO1及TaLFY等多个已知的调控小麦穗发育的关键因子。随后作者借助转基因植物进行功能分析，表明TaLFY及其下游转录因子TaMADS22在调控穗型结构和产量性状中发挥重要作用。结合GWAS数据进行深入分析后发现，在小穗原基基部细胞群中高量表达的基因与小穗数和穗粒数等关键产量性状显著关联，凸显了小穗原基基部作为穗发育和产量形成关键调控区域的重要性，并为小麦分子育种提供了潜在靶点。
图3.小麦穗发育过程中小穗原基基部细胞分化的时空特征
本研究由山东农业大学小麦育种全国重点实验室/生命科学学院植物细胞全能性研究团队联合北京大学现代农业研究院作物分子育种细胞生物学研究团队合作完成。苏英华教授、李博生研究员、张宪省教授、周良子教授为本文共同通讯作者，山东农业大学生命科学学院博士生张祥、王艺鹏，北京大学现代农业研究院副研究员宋协海为本文共同第一作者。山东农业大学于海霞副教授、研究生杨磊、王延凯、王昕雨、万芯言，北京大学现代农业研究院科研助理刘永琪、史艳、副研究员岳智亮、研究员侯毅枫也参与了该项研究。本研究在国家重点研发计划项目、国家自然科学基金，以及山东省自然科学基金等项目的资助下完成。
编 辑：万 千
审 核：贾 波
