2025年4月11日，北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院研究團隊在Genome Biology發(fā)表研究論文。題為”Spatiotemporal transcriptomics reveals key gene regulation for grain yield and quality in wheat”。
該研究將空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)應(yīng)用于小麥籽粒發(fā)育研究，根據(jù)基因表達和位置信息詳細劃分細胞功能亞群，揭示了小麥籽粒發(fā)育過程的空間轉(zhuǎn)錄特征，繪制了小麥籽粒三維基因表達圖譜。
百邁客生物為該研究提供了空間轉(zhuǎn)錄組測序服務(wù)。
小麥（Triticum aestivum L.）是全球三大主糧作物之一，種植面積約2.3億公頃，其產(chǎn)量提升對保障全球糧食安全與營養(yǎng)供給至關(guān)重要。小麥籽粒主要由三部分組成：二倍體胚、三倍體胚乳及果皮（種皮）。這些組織在發(fā)育過程中表現(xiàn)出顯著的基因表達時空特異性，形成功能分化的區(qū)室化結(jié)構(gòu)。盡管這些組織在細胞類型和生理功能上存在明顯差異，但它們通過協(xié)同調(diào)控構(gòu)建了獨特的籽粒發(fā)育微環(huán)境，共同決定籽粒的最終表型。然而，目前對籽粒細胞類型的認知仍主要依賴于形態(tài)學(xué)觀察和少量標記基因的表達分析，常規(guī)轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)因缺乏空間分辨率，極大限制了對籽粒發(fā)育調(diào)控機制的深入解析及關(guān)鍵功能基因的挖掘。
為系統(tǒng)解析小麥籽粒發(fā)育的分子機制，該研究采用時空轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)，構(gòu)建了籽粒在發(fā)育早期4 DAP、8 DAP和12 DAP的高分辨率基因表達圖譜，實現(xiàn)了近8萬個基因的空間表達可視化，并鑒定了10個特征明確的細胞亞群及190個籽粒特異性標記基因。研究發(fā)現(xiàn)，不同組織特異性基因（尤其是轉(zhuǎn)錄因子）呈現(xiàn)動態(tài)表達模式。通過共表達網(wǎng)絡(luò)和順式調(diào)控元件分析，鑒定到一個關(guān)鍵調(diào)控因子——轉(zhuǎn)錄因子TaABI3-B1，其在胚胎及胚乳周圍組織中特異性表達，并負向調(diào)控胚胎和籽粒大小。進一步利用等位基因變異體和轉(zhuǎn)基因材料驗證了TaABI3-B1在胚胎和胚乳發(fā)育中的關(guān)鍵作用。
該研究不僅為小麥籽粒發(fā)育提供了全面的時空轉(zhuǎn)錄組資源，還揭示了調(diào)控籽粒大小的新機制，為小麥分子設(shè)計育種和產(chǎn)量提升提供了重要理論依據(jù)。
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