近日，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所研究員馬雄風(fēng)團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建了首個(gè)結(jié)合單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組、空間轉(zhuǎn)錄組及空間代謝組的棉花纖維起始發(fā)育圖譜。利用該圖譜可以識(shí)別關(guān)鍵基因的表達(dá)模式及其與代謝途徑的關(guān)系，深入剖析纖維發(fā)育過(guò)程中的核心調(diào)控機(jī)制，為進(jìn)一步改良纖維品質(zhì)、提高纖維產(chǎn)量提供了新思路，為高品質(zhì)棉花分子育種提供了重要理論支撐。相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然—通訊》（Nature Communications）上。
棉花。中國(guó)農(nóng)科院棉花所供圖
棉花纖維是由種子外表皮表面的單細(xì)胞發(fā)育而來(lái)，在種子發(fā)育的早期階段大約25%的胚珠表皮細(xì)胞分化成棉絮纖維，并且要經(jīng)歷四個(gè)不同的階段，即起始階段、伸長(zhǎng)和初生壁形成階段、次生壁增厚階段和纖維成熟階段。
前兩個(gè)階段決定了每個(gè)種子產(chǎn)生的纖維數(shù)量和長(zhǎng)度，將直接影響到最終的棉花纖維產(chǎn)量；后兩個(gè)階段與細(xì)胞壁增厚相關(guān)，決定了纖維的強(qiáng)度和細(xì)度，將直接影響到最終的棉花纖維品質(zhì)。然而，決定這些發(fā)育階段的調(diào)控機(jī)制仍然在很大程度上未知。因此，解析決定細(xì)胞發(fā)育命運(yùn)及調(diào)控棉纖維起始和延伸的機(jī)制將為提高棉花纖維產(chǎn)量和品質(zhì)提供新途徑。
該研究以陸地棉標(biāo)準(zhǔn)系TM-1為研究材料，繪制了棉花纖維早期發(fā)育的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜、空間轉(zhuǎn)錄組圖譜及空間代謝組圖譜，構(gòu)建了一個(gè)多層次的棉花纖維起始發(fā)育的動(dòng)態(tài)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。這不僅能夠高分辨率捕捉纖維細(xì)胞發(fā)育過(guò)程中的基因表達(dá)模式，還能揭示與基因表達(dá)密切相關(guān)的代謝變化。該研究填補(bǔ)了目前在纖維細(xì)胞發(fā)育研究中的技術(shù)空白。
進(jìn)一步分析鑒定到一批調(diào)控纖維起始發(fā)育的關(guān)鍵基因，并選擇了其中的一些基因進(jìn)行功能驗(yàn)證。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，BEE3基因在調(diào)控纖維起始發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，超表達(dá)該基因可以顯著促進(jìn)胚珠表皮細(xì)胞發(fā)育為纖維細(xì)胞。
研究結(jié)果從單細(xì)胞水平全面解析了纖維起始發(fā)育過(guò)程中動(dòng)態(tài)的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，為開(kāi)展棉纖維發(fā)育研究提供了重要數(shù)據(jù)資源，為棉花精準(zhǔn)育種提供了理論支撐。棉花纖維起始發(fā)育過(guò)程中的單細(xì)胞組學(xué)數(shù)據(jù)和空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)已進(jìn)行共享（網(wǎng)址https://cotton.cricaas.com.cn/ovule/）。
來(lái)自河南大學(xué)和中棉所的孫旭武、秦愛(ài)知、王星星、葛曉陽(yáng)、劉祉辛、郭晨曦、于曉樂(lè)、張先亮和盧瑤為論文第一作者，馬雄風(fēng)為通訊作者。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-025-55869-z
