河南大学运用单细胞多组学技术揭示干旱胁迫下大豆胚乳发育调控机制

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关键词：

来源：

Plant Communications

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//agri.nais.net.cn/topic/downloadFile/0a502d2a-4511-4bb6-b2da-9121160e2f77

来源地址：

https://doi.org/10.1016/j.xplc.2025.101495

资源所属：

农业生物技术专题

类型：

学术文献

语种：

英语

原文发布日期：

2025-08-29

摘要：

2025年8月29日，Plant Communications在线发表了河南大学作物逆境适应与改良国家重点实验室陈敏课题组题为“Single nucleus multi-omics reveals the impact of drought stress on the development of soybean endosperm”的研究论文。该研究系统解析了干旱胁迫影响大豆胚乳发育的分子机制，为作物抗逆育种提供了重要的理论依据和策略支持。大豆是全球重要的粮油作物，是优质蛋白和植物油的主要来源，但其生产极易受到干旱胁迫的影响。尤其在生殖生长阶段，干旱可导致大豆产量损失高达40%–80%。种子作为生殖发育的核心器官，对水分变化高度敏感，而胚乳不仅为胚胎提供营养，也是感知环境信号的关键部位。然而，由于胚乳细胞类型复杂、发育过程动态多变，其在干旱条件下的响应机制仍不够明确。为解决这一问题，研究团队聚焦大豆种子三个关键发育时期——原胚期（合胞期）、子叶期（细胞化期）和成熟早期（退化期），整合单细胞核转录组（snRNA-seq）和染色质可及性（snATAC-seq）等多组学技术，构建了干旱胁迫下大豆胚乳发育的高分辨率细胞图谱。通过对54,402个细胞核的系统分析，研究成功鉴定出25个细胞簇，并进一步将胚乳细胞簇划分为10种类型，包括5类功能不同的胚乳细胞，从而在单细胞层面揭示了胚乳细胞的异质性及其对干旱的响应特征。研究凸显了外周胚乳细胞（peripheral endosperm, PEN）作为干旱应答的关键区域。轨迹分析表明，PEN在干旱胁迫下发育轨迹发生明显偏移，伴随转录因子调控网络、关键基因表达模式以及黄酮代谢通路的显著重编程，最终影响细胞命运决策和干旱响应。此外，通过构建正常与干旱条件下胚乳的基因调控网络，研究者发现干旱显著改变了胚乳区域的染色质可及性和转录因子-基因调控景观。细胞类型特异的转录调控网络分析进一步表明，在胁迫过程中干旱响应转录因子的结合活性明显上升。其中，GmBPCs、GmSOC1s和GmDPBF3分别代表表观遗传调控、转录调控和次生代谢调控，这三类调控因子常协同作用，共同调控下游基因表达。这些调控网络的改变深刻影响胚乳的正常发育进程。该研究通过系统解析大豆种子及胚乳的精细结构和发育图谱，揭示胚乳（特别是PEN）作为干旱应答的主要场所，并挖掘出其中涉及的关键机制与调控网络。这些结果为理解豆科植物种子抗旱反应的分子机制提供了重要依据，为全面解析大豆抗旱遗传调控网络奠定了基础，对抗旱大豆品种的定向选育及田间管理策略的优化具有指导意义。