单细胞多组学揭示不结球白菜根毛对盐胁迫的特异性响应
我们近期的研究论文通过单细胞和空间转录组测序，揭示了不结球白菜盐耐受机制的底层原理。
我们非常高兴地宣布，最新研究成果“Single‐cell multiome reveals root hair‐specific responses to salt stress”（单细胞多组学揭示根毛对盐胁迫的特异性响应）已在《新植物学家》（New Phytologist）正式发表。该研究在细胞和分子水平上深入解析了不结球白菜（NHCC）根系如何适应盐胁迫——这是当前可持续农业面临的一大严峻挑战。
研究背景
土壤盐渍化是由于环境退化和不可持续的耕作模式导致的关键问题。盐胁迫通过以下方式影响植物：
- 抑制种子萌发和根系发育。
- 通过有害的生理影响降低作物产量。
对于不结球白菜（一种重要的叶菜类作物）而言，根系是感知和响应盐分的中心。然而，隐藏在这一响应背后的细胞类型特异性调节机制在很大程度上仍未被探索。为了填补这一空白，本研究利用前沿的单细胞多组学技术，构建了 NHCC 根尖在正常和盐胁迫条件下的首个全面单细胞图谱。
实验方法
我们结合了多种先进技术来解构根系响应的复杂性：
- 单细胞核 RNA 测序 (snRNA-seq) 与 ATAC 测序 (snATAC-seq)：
- 从正常对照组和 150 mM NaCl 处理 12 小时的 NHCC 植株 5mm 根尖中分离细胞核。
- 这种双重方法使我们能够同时分析基因表达和染色质可及性，揭示不同的细胞群体和调控元件。
- 空间转录组 (Stereo-seq)：
- 使用 Stereo-seq 处理根尖截面，以“细胞级”分辨率捕获空间表达数据。
- 让我们能够绘制细胞类型特异性标志物的解剖学分布，并将转录组数据与组织结构相关联。
- RNA 原位杂交与组织化学染色：
- 验证重要基因的亚细胞定位。
- 使用组织化学染色（如 Perls 和 DAB 染色）评估根组织中的铁元素分布。
- 病毒诱导的基因沉默 (VIGS)：
- 沉默铁转运蛋白基因 BcIRT2 以破解其在盐胁迫下的作用。
- BcIRT2 表达降低的植株表现出较低的铁积累和明显的应激症状（如叶片失绿），凸显了其关键作用。
核心发现
1. 根毛分化过程受阻
- 正常 vs 盐胁迫： 在盐胁迫下，根毛细胞的发育轨迹发生了显著改变。许多细胞停滞在未分化状态，阻止了完全成熟所需的转录程序。
- 应激响应基因受抑： 单细胞转录组分析显示，关键的应激响应基因在根毛细胞群中未能被激活，直接损害了其营养吸收和环境感知能力。
2. 与 BcIRT2 相关的铁吸收障碍
- BcIRT2 下调： 我们发现 BcIRT2（拟南芥已知铁转运蛋白在 NHCC 中的同源基因）在盐胁迫下显著下调。
- 生理影响： BcIRT2 水平的降低与根部铁含量的下降相关。VIGS 实验证实，沉默 BcIRT2 会导致叶片失绿并增加盐敏感性，证明了该基因在维持铁稳态中的重要性。
3. 细胞类型特异性调控网络
- 多组学整合分析： 通过结合 snRNA-seq、snATAC-seq 和空间转录组，我们构建了一个高分辨率图谱，描绘了 NHCC 根尖单个细胞类型的不同调控回路。
- 育种启示： 研究鉴定了控制根毛分化和应激反应的关键转录因子及信号通路。这些发现为未来旨在增强耐盐性的育种计划提供了分子靶点。
讨论与影响
我们的研究全面展示了盐胁迫下 NHCC 根部发生的细胞重编程。根毛分化的停滞以及随之而来的铁吸收受损，是解释胁迫导致产量损失的关键因素。这项工作：
- 在单细胞水平上加深了对植物非生物胁迫响应的基础理解。
- 提供了有价值的分子见解，可驱动耐盐品种的开发。
- 提供了一个资源丰富的多组学图谱，将支持未来关于植物胁迫生理学和作物改良的研究。
致谢
这项研究是由多个机构共同协作的结果：
- 河北农业大学华北作物改良与调控国家重点实验室
- 华大生命科学研究院（北京）及 XinLab (www.xgenome.cn)
- 中国科学院大学生命科学学院
- 苏州市农业科学院
- 北京银杏树生物科技有限公司（Glbizzia Biosciences）
共同第一作者： 刘庆、康景敏、杜林、刘照坤。 其他核心成员： 梁浩、王凯莱、何海娇、张晓楠、王启帆、洪益国、程奇、刘心、马卫、赵建军。
结论
在《新植物学家》上发表此项研究是植物基因组学研究的一个重要里程碑。通过揭示 NHCC 根部对盐胁迫响应的单细胞景观，我们不仅扩展了对植物胁迫生理学的理解，还确定了增强盐渍环境下作物韧性的潜在靶点。