首個棉花纖維起始發(fā)育單細(xì)胞時空組學(xué)圖譜發(fā)布

科技日報北京1月21日電 （記者李禾）記者21日從中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所獲悉，該所馬雄風(fēng)研究員團(tuán)隊成功構(gòu)建了首個結(jié)合單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組、空間轉(zhuǎn)錄組及空間代謝組的棉花纖維起始發(fā)育圖譜，利用該圖譜可識別棉花關(guān)鍵基因的表達(dá)模式及其與代謝途徑的關(guān)系，剖析纖維發(fā)育過程中的核心調(diào)控機(jī)制，為進(jìn)一步改良棉花纖維品質(zhì)、提高纖維產(chǎn)量提供了新思路。相關(guān)研究成果發(fā)表在國際知名期刊《自然·通訊》上。

棉花是紡織工業(yè)的主要原料。棉花纖維是由種子外表皮表面的單細(xì)胞發(fā)育而來，在種子發(fā)育的早期階段，約有25%的胚珠表皮細(xì)胞分化成棉絮纖維，并要經(jīng)歷四個不同的階段，即起始階段、伸長和初生壁形成階段、次生壁增厚階段、纖維成熟階段。前兩個階段決定了每個種子產(chǎn)生的纖維數(shù)量和長度，將直接影響最終棉花纖維產(chǎn)量；后兩個階段與細(xì)胞壁增厚相關(guān)，決定了纖維強(qiáng)度和細(xì)度，并將直接影響最終的棉花纖維品質(zhì)。

然而，決定上述發(fā)育階段的調(diào)控機(jī)制在很大程度上仍然未知。因此，解析決定細(xì)胞發(fā)育命運(yùn)以及調(diào)控棉纖維起始、延伸的機(jī)制，將為提高棉花纖維產(chǎn)量和品質(zhì)提供新途徑。

研究團(tuán)隊以陸地棉標(biāo)準(zhǔn)系TM-1為研究材料，繪制了棉花纖維早期發(fā)育的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜、空間轉(zhuǎn)錄組圖譜以及空間代謝組圖譜，構(gòu)建了一個多層次的棉花纖維起始發(fā)育的動態(tài)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，不僅能以高分辨率捕捉纖維細(xì)胞發(fā)育過程中的基因表達(dá)模式，還能揭示與基因表達(dá)密切相關(guān)的代謝變化，填補(bǔ)了目前在纖維細(xì)胞發(fā)育研究中的技術(shù)空白。

據(jù)介紹，團(tuán)隊通過進(jìn)一步多組學(xué)聯(lián)合分析，鑒定到一批調(diào)控棉花纖維起始發(fā)育的關(guān)鍵基因，并選擇了其中的一些基因進(jìn)行功能驗證，發(fā)現(xiàn)BEE3基因在調(diào)控纖維起始發(fā)育過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，該基因的超表達(dá)可以顯著促進(jìn)胚珠表皮細(xì)胞發(fā)育為纖維細(xì)胞。

目前，團(tuán)隊正在高衣分材料中棉113中，對該基因的功能機(jī)制進(jìn)行遺傳解析，發(fā)掘優(yōu)異等位變異，以期為高衣分棉花品種培育開發(fā)有價值的分子標(biāo)記。而棉花纖維起始發(fā)育過程中的單細(xì)胞組學(xué)數(shù)據(jù)、空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)等都已進(jìn)行了共享。