近日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所白菜課題組在《Horticulture Research》期刊發(fā)表了一項突破性研究成果，題為“Single-cell transcriptomic analysis of flowering regulation and vernalization in Chinese cabbage shoot apex”。該研究利用單細(xì)胞RNA測序（scRNA-seq）技術(shù)，深入解析了白菜不同細(xì)胞類型的開花基因表達(dá)變化及春化對不同細(xì)胞類型開花基因的表達(dá)調(diào)控。這一研究首次為白菜的莖尖組織細(xì)胞提供了高分辨率的轉(zhuǎn)錄圖譜，對白菜及其他蕓薹屬作物的分子育種具有重要參考價值。
白菜（Brassica rapa L. ssp. pekinensis）作為全球廣泛種植的重要蔬菜，其開花時間受春化的顯著影響。春化是指植物在低溫條件下促進(jìn)開花的現(xiàn)象，而這一過程的分子機(jī)制長期以來主要在擬南芥等模式植物中進(jìn)行研究。針對白菜這一非模式植物，白菜課題成員旨在通過創(chuàng)新的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)，揭示其莖尖組織中的關(guān)鍵細(xì)胞類型如何在春化過程中調(diào)控開花基因表達(dá)。
本研究采用了先進(jìn)的10×Genomics平臺進(jìn)行單細(xì)胞RNA測序，并使用偽時間軌跡分析工具M(jìn)onocle 2，追蹤不同細(xì)胞類型在莖尖組織中的發(fā)育路徑。團(tuán)隊不僅生成了白菜春化處理前后的基因表達(dá)差異圖譜，還通過跨物種對比發(fā)現(xiàn)了白菜和擬南芥在開花基因調(diào)控上的保守性。
研究團(tuán)隊對白菜莖尖組織19,602個單細(xì)胞進(jìn)行測序，識別并分類為15個細(xì)胞群，包括莖尖分生組織細(xì)胞（SMC）、伴細(xì)胞（CC）、葉肉細(xì)胞（MC）等關(guān)鍵類型。團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，抑制開花的關(guān)鍵基因BrFLC2主要在伴細(xì)胞（CC）中高表達(dá)，這一發(fā)現(xiàn)與擬南芥中的FLC基因表達(dá)模式一致，表明BrFLC2在白菜中的保守功能。在春化后（25天低溫處理）與非春化處理之間，白菜不同細(xì)胞群中多種基因的表達(dá)水平發(fā)生顯著變化。尤其是 VIN3、VRN1、VRN2 和 FT 等春化調(diào)控基因在伴細(xì)胞和莖尖分生組織細(xì)胞中的表達(dá)顯著上調(diào)，表明這些基因在不同細(xì)胞類型中具有特定的調(diào)控作用。通過與擬南芥莖尖的單細(xì)胞數(shù)據(jù)對比，研究發(fā)現(xiàn)白菜與擬南芥在開花調(diào)控基因的細(xì)胞特異性表達(dá)上存在高度相似性。這一結(jié)果為理解不同植物間的花期調(diào)控機(jī)制提供了新視角。
本研究為非模式植物的單細(xì)胞研究開辟了新方向，并為白菜及其他蕓薹屬作物的分子育種提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持。這一創(chuàng)新性成果展示了春化在多細(xì)胞層面如何調(diào)控花期，為未來開發(fā)適應(yīng)氣候變化的早熟或晚熟白菜品種提供了科學(xué)依據(jù)。同時，這一研究也驗證了單細(xì)胞RNA測序技術(shù)在非模式作物研究中的廣泛應(yīng)用潛力。
中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所戴昀博士后、章時蕃副研究員、官健濤助理研究員為本論文共同第一作者，張淑江研究員和李菲副研究員為論文的通訊作者。該研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家大宗蔬菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程項目和國家自然基金等項目的資助。
原文鏈接： https://academic.oup.com/hr/article/11/10/uhae214/7723780?login=false
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