绘制大豆器官发育 “蓝图”：综合转录组图谱解锁关键基因密码

为解决大豆产量提升及器官发育调控机制不明等问题，中国科学院遗传与发育生物学研究所等单位研究人员构建大豆综合转录组图谱。他们发现关键基因，搭建数据库。该研究对大豆功能研究和育种意义重大，推荐一读。

　　

大豆器官发育的 “导航图”：大规模综合转录组图谱研究

在农业的大舞台上，大豆可是一位举足轻重的 “明星选手”。它不仅是人类和牲畜获取植物蛋白与油脂的重要来源，更是全球粮食体系中的关键一环。随着世界人口的不断增长，对大豆的需求也在持续攀升。据相关预测，到 2050 年，大豆的产量需要在 2015 年的基础上翻一番，才能满足日益增长的需求。这可给大豆育种工作带来了巨大的挑战，就像是给育种专家们出了一道超级难题。

为了攻克这道难题，科学家们深知，搞清楚大豆各个器官发育背后的遗传调控网络至关重要，这就好比是找到了控制大豆生长的 “密码”。虽然之前已经有一些控制大豆器官发育的基因被发现，但大豆器官发育的调控机制仍然充满了谜团。比如说，大豆作为典型的豆科植物，拥有独特的固氮能力，根瘤（一种生长在大豆根部，与固氮菌共生，能将空气中的氮气转化为植物可利用形式的特殊结构 ）的形成和功能对于大豆的生长和产量提升至关重要，可它的调控机制却大多不为人知。再比如，和水稻、小麦、玉米这些 “小伙伴” 相比，大豆的产量相对较低。叶片作为光合作用的 “主力军”，对大豆产量有着重要影响，然而目前已知的控制大豆叶片发育的基因少之又少。

面对这些问题，中国科学院遗传与发育生物学研究所等单位的研究人员决心 “披荆斩棘”，找出答案。他们在《MOLECULAR PLANT》期刊上发表了一篇名为 “A large-scale integrated transcriptomic atlas for soybean organ development” 的论文。经过不懈努力，他们成功构建了大豆基因表达图谱，这就像是为大豆发育绘制了一张精确的 “导航图”，为后续的研究和育种工作照亮了前行的道路。这项研究成果意义非凡，它为探索大豆器官发育的关键基因提供了有力支持，还搭建了一个方便易用的数据库，极大地推动了大豆功能研究的发展，为大豆育种的突破带来了新的希望。

在这项研究中，研究人员运用了多种先进的技术方法。他们整合了大量的转录组数据，包括 bulk RNA-seq（一种能从整体水平研究基因表达的高通量测序技术 ）、snRNA-seq（可以在单个细胞核水平分析基因表达情况的技术 ）和 Stereo-seq（能实现基因表达空间定位的测序技术 ）。同时，通过对基因注释的更新、构建共表达网络以及进行基因功能验证实验等，从多个角度深入研究大豆器官的发育机制。

下面我们来详细看看他们都有哪些重要的研究成果。

基于 314 个样本的大豆发育转录组图谱

研究人员精心挑选了 314 个来自大豆品种中黄 13（ZH13）的样本，涵盖了大豆整个生命周期中 14 个器官的代表性阶段，还对叶片、花和种子进行了更细致的解剖取样。通过 bulk RNA-seq 技术，他们获得了海量的数据，就像收集到了一大箱珍贵的宝藏。为了让这些数据更准确、更有用，他们又整合了 Iso-Seq 数据，对参考基因组的基因注释进行了更新。这一更新可不得了，注释出了 54,807 个蛋白质编码基因，其中还有 55,828 个是新发现的转录本，而且评估显示注释质量超高。

接着，研究人员对这些数据进行深入分析。他们发现不同基因的表达情况差异很大，有些基因在所有样本中都表达，这些基因就像是大豆发育的 “基础保障部队”，主要参与维持细胞的基本功能；而有些基因则只在特定器官或特定阶段表达，这些基因更像是 “特种部队”，执行着特殊的发育任务。通过对样本进行聚类分析，他们还发现来自同一器官的样本大多会聚集在一起，而且样本的分布和大豆器官的发育过程十分契合，就好像它们都按照 “剧本” 在有序排列。

探索负责器官发育和特化的基因

植物组织特异性基因在植物生长发育中起着关键作用，就像是植物生长的 “指挥官”。研究人员为了找到大豆中这些重要的 “指挥官”，仔细研究了那些只在特定样本或器官中表达的基因。这一研究发现了不少有趣的事情，比如在种子、花和叶片这些器官中，特异性表达的基因数量较多；而 shoot apical（植物的茎尖分生组织，具有分化成各种组织和器官的潜能 ）由于其高度的多能性，竟然没有单一样本或单一器官特异性基因。

研究人员对这些特异性表达基因的功能进行深入挖掘时，发现它们大多与器官发育密切相关。拿根瘤特异性基因来说，研究人员发现根瘤和根瘤相关样本中，“葡萄糖跨膜运输” 相关的基因被显著富集。经过进一步研究，他们锁定了 5 个多醇 / 单糖转运蛋白（GmPMT1, 3, 4, 5, 6），这些转运蛋白可能在根瘤发育中发挥着重要作用。通过实验验证，研究人员发现当敲低这些基因的表达时，根瘤的数量明显减少，这就像是给根瘤发育踩了 “刹车”，表明它们确实对根瘤发育至关重要。

除此之外，研究人员还发现一些基因存在器官特异性的可变剪接（一种基因表达调控方式，同一基因可以通过不同的剪接方式产生多种转录本 ）现象。比如说，SoyZH13_20G185800 基因的不同转录本在花和种子中高度表达，这暗示着这些转录本可能在不同器官的发育中扮演着不同的角色。叶片、花、种子和茎中的器官特异性可变剪接基因相对较多，它们主要参与调控气孔发育、细胞壁结构和 DNA 解旋等过程，这些过程就像是为器官发育 “添砖加瓦”，对器官的正常发育意义重大。

研究人员还以叶片发育为例，通过分析不同发育阶段叶片的基因表达差异，找到了一些可能在叶片发育中起关键作用的基因。这些基因主要与脂肪酸延长相关，它们就像是叶片发育的 “小助手”，可能通过形成共表达模块来影响叶片的发育。

整合 Stereo-seq 和 snRNA-seq 构建转录组图谱

为了更深入地了解大豆器官发育的奥秘，研究人员还对根、茎尖、叶、茎和根瘤这五个器官进行了 Stereo-seq 和 snRNA-seq 分析。这两种技术就像是给研究人员提供了特殊的 “显微镜”，让他们能够从空间和细胞层面观察基因表达的情况。

通过 Stereo-seq，研究人员把根的空间表达谱划分为 10 个簇，并根据根的组织结构对其中 7 个簇进行了注释。同时，通过 snRNA-seq，他们把根中的高质量细胞核分为 25 个细胞簇，并成功将部分细胞簇定位到 Stereo-seq 提供的空间位置上。这一操作就像是给细胞找到了它们在器官中的 “精确住址”。通过分析不同细胞簇之间的关系，研究人员发现 AP2 转录因子在维持大豆干细胞中发挥着重要作用，它们就像是干细胞的 “守护者”。

类似地，研究人员对茎尖、茎和叶的空间表达谱和细胞簇也进行了分析，并发现了这些器官中的共同细胞类型，比如韧皮部、木质部和形成层细胞，它们都是维管束的主要组成部分。通过进一步研究，研究人员发现生长素信号通路在维管束形成层干细胞组织的形成中起着关键作用，这为理解植物维管束发育提供了新的线索。

在对根瘤的研究中，研究人员利用空间单细胞图谱分析了已知的共生固氮基因的表达和定位，发现它们主要在五个细胞簇中表达。通过构建共表达网络，研究人员找到了与根瘤发育相关的关键基因，比如 GmHB1a、GmHB1b 和 GmHB21。实验表明，这些基因对根瘤的发育至关重要，它们的表达变化会影响根瘤的形成和发育进程。

细胞类型和基因协同调控根瘤发育

根瘤的发育是一个复杂的过程，涉及多个细胞类型和基因的协同作用。研究人员为了搞清楚这个过程，对根瘤发育不同阶段的样本进行了 snRNA-seq 分析。通过整合根、根瘤起始阶段（nodule_S1）和根瘤发育阶段（nodule_S2）的数据，他们识别出了 27 个细胞簇。

研究人员发现，不同细胞簇在根瘤发育中的作用各不相同。比如说，nodule_S2 中特有的细胞簇 2 和 6，富集了许多与结瘤相关的基因，包括一些已知的 nodulin 基因，这表明它们在根瘤的功能形成中发挥着重要作用。而 nodule_S1 中特有的细胞簇 9，则与缺氧响应和糖酵解过程密切相关，研究人员还发现了 22 个在根瘤原基阶段高表达的关键基因，这些基因就像是根瘤发育的 “启动按钮”，对根瘤原基阶段的缺氧环境响应至关重要。

此外，研究人员还发现茉莉酸（JA）信号通路相关的基因在根瘤发育早期可能被抑制，从而促进大豆与根瘤菌的共生。这一发现为理解大豆与根瘤菌的共生机制提供了新的视角，就像是打开了一扇通往新认知的大门。

解锁大豆综合转录组：便捷的访问和使用

为了让其他科研人员也能方便地使用这些研究成果，研究人员搭建了一个数据库，并将其整合到 SoyOmics 平台。这个数据库功能十分强大，就像是一个装满大豆发育知识的 “百宝箱”，科研人员可以在里面查询基因在不同样本、发育阶段以及不同分辨率下的表达情况，还能进行个性化的分析和比较。此外，研究人员还构建了根和根瘤的 3D 模型，让大家能够更直观地探索细胞簇组成和基因表达模式，就像是为科研人员提供了一个 “虚拟实验室”，方便他们深入研究大豆发育的奥秘。

总的来说，这项研究通过整合多种转录组数据，成功构建了大豆综合转录组图谱，为大豆器官发育的研究提供了丰富的资源和重要的线索。研究人员不仅发现了许多与器官发育相关的关键基因，还深入探讨了它们的调控机制。这一成果就像是为大豆研究领域点亮了一盏明灯，为未来大豆的功能研究和育种工作提供了坚实的基础。不过，研究人员也清楚地认识到，目前的研究只是揭开了大豆发育奥秘的冰山一角，还有很多未知等待着大家去探索。比如，虽然目前的技术已经取得了很大的进展，但大规模测序仍然面临着挑战，Stereo-seq 和 snRNA-seq 数据集相对较小。而且，大豆有众多的品种，它们之间存在着丰富的遗传多样性，构建不同品种的综合转录组图谱将是未来研究的重要方向。相信在科研人员的不断努力下，大豆发育的神秘面纱将会被逐步揭开，为大豆产业的发展带来更多的惊喜和突破。