近日，山東農業大學小麥育種全國重點實驗室/生命科學學院植物細胞全能性研究團隊聯合北京大學現代農業研究院作物分子育種細胞生物學研究團隊，在Molecular Plant在線發表了題為A Single-Cell-Resolution Spatial Transcriptomic Atlas Decodes Wheat Spike Development and Yield Potential的研究論文。該研究利用空間轉錄組技術聯合單細胞測序技術構建了中國春小麥（Chinese Spring） W2.0-W3.5時期穗發育的時空表達圖譜并建立了相關數據庫，系統解析了小麥穗部的細胞類型組成及多種激素、轉錄因子家族的表達特征，通過多組學技術聯合分析，挖掘到了調控小麥穗發育的關鍵細胞群及基因表達模塊，為輔助小麥穗型功能基因挖掘和遺傳改良提供了重要的數據支撐。

小麥穗部結構是決定穗粒數和最終產量的關鍵發育性狀，解析穗分生組織的發育過程對挖掘穗發育的關鍵調控基因有著重要意義。前人通過遺傳學、GWAS及多組學研究鑒定到了多個調控穗發育的重要基因和信號通路，但這些研究多基于基因在整體組織水平上的表達模式，難以解析不同細胞類型的異質性及關鍵基因在空間上的表達模式，從而限制了對穗發育調控機制的深入理解。空間轉錄組技術能夠在保持組織結構和空間位置信息的前提下，繪制高分辨率基因表達圖譜，為同時解析細胞身份、空間分布及其動態變化提供了獨特優勢。將空間轉錄組技術應用于小麥穗早期發育研究，有助于系統揭示關鍵細胞群及其特異的基因調控網絡，能夠彌補傳統組學方法的不足，進一步為解析小麥穗型建成機制及高產分子育種提供重要理論基礎和數據支撐。

該研究聚焦小麥穗型建成的關鍵早期階段，包括二棱早期階段（W2.0）、二棱期階段（W2.5）、穎片原基出現階段（W3.0）、外稃原基出現階段（W3.25）和小花原基出現階段（W3.5），利用單細胞分辨率的空間轉錄組技術對中國春小麥（Chinese Spring）穗發育的過程進行了系統解析。通過對五個連續發育時期穗部切片進行分析，研究人員共獲得53,167個高質量細胞，識別出9類具有明確空間分布特征的細胞類型，系統解析了細胞組成及不同激素、轉錄因子家族的表達特征，構建了小麥穗時空表達數據庫 WSSED，實現了穗發育過程中基因表達時空特征的可視化。

圖1.小麥穗分生組織W2.0-W3.5階段空間轉錄組圖譜

為進一步解析細胞類型特異的穗發育調控機制，研究人員構建了W3.5時期小麥穗的單核轉錄組數據，并與空間轉錄組進行整合分析。通過標簽轉移精細化細胞注釋，并結合WGCNA分析，鑒定出11個共表達模塊，其中多個模塊在小穗原基區域顯著富集。GO富集分析表明，模塊4與花序/花分生組織發育、器官極性及命運決定密切相關，是潛在的核心調控模塊。通過進一步整合多組學調控關系和GWAS數據，研究人員構建了穗發育的時空調控網絡，鑒定出包括FUL2和TaPDF2在內的關鍵調控因子。該結果表明，空間錨定的單核轉錄組聯合分析能夠有效識別小麥早期穗發育的核心調控網絡，并為挖掘產量相關功能基因提供重要候選資源。

圖2多組學挖掘穗發育潛在調控因子

小麥小穗原基基部（spikelet primordium base, SPB）細胞群是穗分生組織中的重要組成部分，是著生穗部側生器官的關鍵位置。為了解析小穗原基基部細胞群的發育命運，研究人員對小穗原基基部進行亞群聚類分析并得到三個亞群，其中特定亞群在W3.25階段顯著富集，恰好對應花原基分化和側生器官命運決定的關鍵時期。通過基因差異表達分析和功能解析，研究人員鑒定出一組與分生組織維持、側生器官形成密切相關的核心調控基因模塊（Group 2），其中包含WFZP、TaQ、TaDUO1及TaLFY等多個已知的調控小麥穗發育的關鍵因子。隨后作者借助轉基因植物進行功能分析，表明TaLFY及其下游轉錄因子TaMADS22在調控穗型結構和產量性狀中發揮重要作用。結合GWAS數據進行深入分析后發現，在小穗原基基部細胞群中高量表達的基因與小穗數和穗粒數等關鍵產量性狀顯著關聯，凸顯了小穗原基基部作為穗發育和產量形成關鍵調控區域的重要性，并為小麥分子育種提供了潛在靶點。

圖3.小麥穗發育過程中小穗原基基部細胞分化的時空特征

本研究由山東農業大學小麥育種全國重點實驗室/生命科學學院植物細胞全能性研究團隊聯合北京大學現代農業研究院作物分子育種細胞生物學研究團隊合作完成。蘇英華教授、李博生研究員、張憲省教授、周良子教授為本文共同通訊作者，山東農業大學生命科學學院博士生張祥、王藝鵬，北京大學現代農業研究院副研究員宋協海為本文共同第一作者。山東農業大學于海霞副教授、研究生楊磊、王延凱、王昕雨、萬芯言，北京大學現代農業研究院科研助理劉永琪、史艷、副研究員岳智亮、研究員侯毅楓也參與了該項研究。本研究在國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金，以及山東省自然科學基金等項目的資助下完成。

編      輯：萬    千 

審      核：賈    波