时空转录组学揭秘小麦产量与品质关键基因调控机制，助力精准分子育种

为解决当前对小麦籽粒不同细胞层基因表达及相互作用了解不足的问题，研究人员开展了小麦籽粒早期发育时空转录组学研究。他们构建了表达图谱，鉴定出关键基因和转录因子 TaABI3 - B1。该研究为小麦育种提供新见解，助力提高产量和品质。

　　小麦，作为全球三大谷物之一，在保障粮食安全方面扮演着举足轻重的角色。其籽粒的发育过程极为复杂，涉及多个组织和细胞类型的协同作用。然而，当前对小麦籽粒的研究存在诸多不足。一方面，现有的细胞分类大多基于形态学观察，对特定细胞类型中基因的表达情况了解有限；另一方面，以往的研究往往缺乏空间基因信息，难以深入探究不同细胞层之间的相互作用以及紧密调控的分子通路。比如，在小麦籽粒发育的早期阶段，胚、胚乳和果皮各自的基因表达变化以及它们之间的相互影响尚不明确。为了填补这些知识空白，深入了解小麦籽粒发育的分子机制，北京大学先进农业科学研究院等单位的研究人员开展了一项具有重要意义的研究。
这项研究成果发表在《Genome Biology》杂志上。研究人员通过对小麦籽粒早期发育阶段（授粉后 4 天、8 天和 12 天）进行时空转录组学分析，构建了详细的基因表达图谱。他们发现了一系列参与小麦籽粒发育调控的候选基因和突变体，并验证了关键转录因子 TaABI3 - B₁在调控籽粒大小和品质方面的重要作用。这一研究为理解小麦籽粒发育提供了全面的时空转录数据集，为提高小麦产量和品质的精准分子育种提供了新的思路和遗传资源。
研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先，利用空间转录组技术，对不同发育阶段的小麦籽粒进行切片和测序，获取基因在空间上的表达信息；其次，通过构建共表达网络和进行 KEGG 富集分析，挖掘不同细胞类型中基因的功能和参与的生物学过程；此外，借助转基因技术和突变体分析，验证关键基因对小麦籽粒发育的影响。
下面来详细看看研究结果。在生成小麦籽粒早期发育的空间转录组图谱方面，研究人员选取了中国广泛种植的济麦 22 品种，对其授粉后 4 天（原胚期）、8 天（过渡期）和 12 天（分化期）的籽粒进行冷冻切片，制备 cDNA 文库并测序。通过分析，他们确定了 10 个功能细胞类型，包括内外果皮、种皮、胚以及 6 个胚乳区域。同时发现，随着籽粒发育，基因活性在胚和胚乳周围区域逐渐增强，而在果皮和种皮等外层区域减弱。
在空间转录组可视化及标记基因鉴定上，研究人员通过非监督降维和聚类分析，进一步将细胞分为 12 个簇，对应 10 种细胞类型，并确定了各细胞类型的标记基因。例如，α - 淀粉酶（TraesCS2B02G004100）是转移细胞围绕胚乳（TCSE）的标记基因，细胞色素 P450 家族基因（TraesCS6D02G164800）是中央胚乳的标记基因等。通过原位杂交实验，也验证了这些标记基因的特异性表达。
对于籽粒细胞类型间的转录组差异，研究人员将籽粒分为五个关键部分进行分析，构建共表达网络并分组基因模块。结果显示，不同细胞类型的基因表达存在高度异质性。例如，胚细胞中高表达的基因富集在核质运输和氨基酸生物合成途径；糊粉层高表达的基因主要参与内质网中的蛋白质加工；胚乳高表达的基因则富集在淀粉和蔗糖代谢途径。同时，通过对突变体的研究发现，糊粉层突变体 taltl1 - d1 和 TCSE 突变体 ltp - a1 的籽粒大小均显著减小。
在胚乳分化过渡期的转录组动态变化研究中，研究人员分析了胚乳和胚细胞类型的发育轨迹。发现授粉后 4 天，胚乳腔液、糊粉层和 ESR 的细胞大多混合；授粉后 8 天，形成 Y 形轨迹，细胞命运逐渐分化。KEGG 分析表明，早期这些细胞主要进行细胞分裂，基因表达富集在核糖体、DNA 复制和氨基酸合成过程；之后，糊粉层和 ESR 向营养运输方向分化，而胚乳腔液和中央胚乳则向营养储存方向分化。
此外，通过时空转录组学还鉴定出了 B3 结构域转录因子 TaABI3 - B₁，它在胚和胚乳发育中起关键作用。原位杂交显示，TaABI3 - B₁在早期胚胎和 ESR 中特异性表达。突变体和转基因敲低株系均表现出胚和籽粒增大、蛋白质含量升高、总淀粉含量降低和籽粒硬度下降等表型，表明下调 TaABI3 - B₁的表达可提高小麦产量相关性状。
最后在遗传变异分析中，研究人员对 TaABI3 - B₁的多态性进行评估，发现不同单倍型与籽粒相关性状存在关联。例如，TaABI3 - B₁ - Hap1/3 单倍型的小麦具有更高的粒重、粒长和粒宽，属于高产单倍型；而 TaABI3 - B₁ - Hap2 单倍型的小麦籽粒硬度更大。在中国小麦育种过程中，不同单倍型的频率在不同生态区和育种阶段存在差异。
综上所述，本研究构建了小麦籽粒的空间转录组图谱，鉴定出大量具有时空特异性表达模式的基因，揭示了关键转录因子 TaABI3 - B₁对籽粒发育的调控作用。这不仅为深入理解小麦籽粒发育的分子机制提供了重要依据，也为未来小麦精准分子育种提供了有价值的遗传资源。然而，研究也存在一定局限性，如早期胚胎发育中低表达基因的检测仍面临挑战。未来，结合单细胞 RNA 测序或免疫组化等技术，有望更全面地解析小麦籽粒发育过程中的基因表达调控网络。