大豆发育时空转录组图谱：揭示器官形成的分子机制

April 07, 2025
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大豆发育时空转录组图谱：揭示器官形成的分子机制

我们通过整合批量、单细胞及空间转录组数据，构建了大豆发育的全景图谱，深入解析其器官发育的调控机制。

发布日期：2025 年 4 月 7 日

由 XinLab（华大生命科学研究院深圳/北京分院）与中国科学院遗传与发育生物学研究所等机构合作完成的研究成果，已在国际植物学顶尖期刊《分子植物》（Molecular Plant）上发表。研究团队成功构建了大规模、高精度的集成化大豆器官发育转录组图谱，为这一关键作物的生长发育调控提供了前所未有的见解，成为大豆遗传改良研究中的重要里程碑。

💡 为什么这项研究至关重要？

大豆是全球蛋白质和植物油脂的主要来源。为了满足日益增长的需求并增强作物对环境变化的适应力，我们迫切需要深入了解根、叶、花、种子以及共生固氮根瘤等各器官发育背后的复杂遗传网络。这些知识是培育高产、抗逆优质品种的关键。

🔬 前沿的多组学整合方法

为了绘制这份详尽的发育蓝图，研究团队以大豆品种“中黄13”（ZH13）为研究对象，创造性地整合了多项前沿组学技术：

  • 📊 Bulk RNA 测序（批量转录组）： 分析了涵盖大豆全生命周期的 314 个样本，包括 14 个器官在不同发育阶段的表达谱，提供了基因表达的全局视野。
  • 🧬 单细胞核 RNA 测序（snRNA-seq）： 深入细胞核水平，精细解析了根、根瘤、茎尖、叶和茎这 5 个关键器官中的细胞类型多样性和基因表达特征。
  • 🗺️ 空间转录组（Stereo-seq）： 利用华大自主研发的高分辨率时空组学技术，在保持组织空间结构的基础上，原位绘制了上述 5 个器官的基因表达地图，揭示了基因活动的空间组织形式和细胞微环境。

这种多维度的数据整合，使研究人员能够以前所未有的分辨率追踪基因在时间、空间、器官和细胞类型之间的动态变化。

✨ 核心科学发现亮点

依托这一强大的集成图谱，研究团队取得了一系列重要科学发现：

  • 根瘤共生固氮机制：
    • 鉴定了新型糖转运蛋白基因家族（GmPMT），它在根瘤形成过程中的能量供应中起着至关重要的作用。
    • 发现了关键转录因子（HD-ZIP I 家族的 GmHB1a/b、GmHB21），它们在大豆根瘤维管束发育中具有精准的时空调控作用。
  • 叶片发育与形态建成：
    • 揭示了转录因子 MYB94 及其调控网络在未展开幼叶表面角质蜡质生物合成中的核心作用。
  • 细胞命运图谱与发育轨迹：
    • 构建了关键器官的精细细胞图谱。例如，定位了可能参与维持根尖干细胞特性的 GmPLT 基因。
    • 通过对比不同阶段的根瘤，区分了早期和成熟期根瘤的特异细胞群及其功能转换（涉及缺氧反应、结瘤蛋白合成及细胞壁重塑）。
  • 转录后调控：
    • 鉴定了器官特异性的选择性剪接（AS）事件，提示其在器官功能分化中的潜在调控作用。

🌐 惠及全球科研界的开放资源库

这项工作的核心价值之一在于其开放性。 团队不仅发表了研究成果，还建立了一个公共、用户友好的在线数据库。所有数据均已整合至 SoyOmics 平台和专门的 大豆器官转录组图谱 网站。全球研究人员可以自由访问、查询、下载和可视化这些宝贵资源（包括根和根瘤的 3D 结构模型），这将极大地加速大豆功能基因组学研究及育种应用。

🚀 意义与未来展望

该研究由 XinLab（刘心团队） 与 中科学院遗传发育所（田志喜团队） 共同主导。它不仅深化了我们对植物器官建成复杂性的理解，还为精准鉴定决定农艺性状的关键基因铺平了道路，从而加速培育高产、高质、抗逆的大豆新品种。

💡 个人感悟

十五六年前，我初入基因组学领域，接触的第一个项目就是大豆重测序。当时我们对 17 份野生大豆和 14 份栽培大豆进行了全基因组重测序，那是全球首次在全基因组水平开展的大豆群体多样性研究。项目文章发表后，当时还在美国马建新老师实验室工作的田志喜老师联系我们要了数据，他针对大豆基因组重复序列的鉴定分析做了一项研究并发表。

田老师回国加入遗传发育所后，深耕大豆研究，发表了一系列包括大豆泛基因组在内的高质量成果。2021 年前后，随着我们在遗传所的联合研究中心成立，我有幸第一次和田老师本人见面（虽然名字在文章里挂在一起好多次，但之前全是邮件往来）。我们一拍即合，决定利用北京的平台合作开展大豆的时空组学研究。

过去几年里，我们分工明确、协作紧密，高效地完成了这项工作。在整个过程中，我深感田老师团队极其严谨、卓越的科研风范，这让我和陈川都受益匪浅。

📄 出版与数据获取信息