单核多组学解析干旱胁迫下大豆胚乳发育的分子机制

本研究针对大豆干旱胁迫响应机制不明的关键问题，通过单核多组学技术（snRNA-seq/snATAC-seq）系统解析了干旱胁迫对大豆胚乳发育的影响。研究发现外周胚乳（PEN）是核心响应区域，揭示了GmSOC1c-GmAPA1等转录调控网络通过改变染色质可及性和细胞命运决定来协调干旱适应。该研究为作物抗逆育种提供了细胞水平的新靶点。

　　

在全球气候变暖导致干旱频发的背景下，大豆作为重要粮食作物面临严重减产威胁。研究表明，干旱胁迫会显著影响种子发育，而胚乳作为种子中母体营养储存组织，在干旱响应中扮演关键角色。然而，由于大豆胚乳细胞数量少且发育过程中逐渐退化，其干旱响应机制长期缺乏系统研究。

为解析这一科学问题，Yinghua Sheng等研究人员在《Plant Communications》发表了开创性研究。该工作通过单核多组学技术，首次构建了干旱胁迫下大豆胚乳的高分辨率发育图谱，揭示了外周胚乳（PEN）作为核心响应区域的分子机制。研究不仅鉴定了GmSOC1c-GmAPA1等关键调控通路，还发现干旱通过改变染色质状态和细胞命运决定来重塑胚乳发育轨迹。

研究采用三大关键技术：1）10× Genomics单核多组学测序（snRNA-seq+snATAC-seq）分析三个发育阶段（原胚期、子叶期、早熟期）的54,402个细胞核；2）加权最近邻算法（WNN）整合转录组与表观组数据；3）伪时间分析结合Slingshot算法解析细胞命运转变。样本来自栽培大豆Williams 82（Wm82）在控水条件下的发育种子。

单核多组学揭示大豆种子发育图谱

通过组织学观察和流式细胞术验证，研究明确了大豆胚乳发育的三个阶段：合胞期（原胚期）、细胞化期（子叶期）和退化期（早熟期）。整合分析显示染色质可及性变化（142,749个ACRs）比转录组（51,706个基因）更能反映细胞异质性。

胚乳亚细胞类型的鉴定与功能

研究首次将大豆胚乳分为12个亚群，包括 micropylar endosperm（MCE）、embryo surrounding region（ESR）等。其中PEN亚群（subcluster 5-7）富集endoreduplication（核内复制）相关基因，而aleurone layer（AL）高表达糖转运蛋白GmSWEETs。

干旱重塑胚乳细胞架构

干旱导致PEN比例显著增加（p<0.001），伪时间分析发现其分化轨迹出现新分支。分支2特异性激活DNA损伤修复（如GmEMF2）和程序性细胞死亡（PCD）通路，加速胚乳成熟。

表观调控机制解析

干旱使PEN特异性ACRs长度增加47%，并激活GmDPBF3等17个hub TFs（转录因子）。其中GmSOC1c通过重分布CArG motif（顺式作用元件）的染色质可及性，将靶基因从发育调控转向胁迫响应。

移动转录因子的调控作用

鉴定到27个跨组织移动的TF，如GmDOF5.3从胚胎迁移至胚乳调控GmYLS3表达。干旱增强部分TF的结合活性，但抑制GmWRKY15向内皮层的移动。

该研究建立了首个大豆胚乳干旱响应的单细胞图谱，揭示PEN通过转录-表观协同调控适应胁迫的分子机制。发现GmSOC1c介导的发育-胁迫转换模型和GmCSLA2a（纤维素合成酶）等关键基因，为分子设计育种提供新靶点。研究还创新性地提出移动转录因子在种子组织协同响应中的作用框架，为作物抗逆研究开辟了新视角。