大豆，這顆被譽(yù)為“綠色黃金”的作物，既是人類重要的蛋白質(zhì)和油脂來(lái)源，更承載著應(yīng)對(duì)全球糧食危機(jī)的希望。借助分子設(shè)計(jì)育種技術(shù)，能夠有效加速大豆育種，然而，其復(fù)雜的器官發(fā)育機(jī)制長(zhǎng)期困擾著科學(xué)家。

近日，中國(guó)科學(xué)院遺傳發(fā)育所攜手華大生命科學(xué)研究院、崖州灣國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和中國(guó)科學(xué)院基因組研究所等單位，成功繪制了首個(gè)國(guó)產(chǎn)大豆的全生命周期器官發(fā)育“時(shí)空?qǐng)D譜”，相關(guān)成果發(fā)表于國(guó)際權(quán)威期刊《分子植物》（Molecular Plant）。該研究首次實(shí)現(xiàn)了大豆基因表達(dá)在發(fā)育階段、細(xì)胞類型和空間定位的精準(zhǔn)解析，為破解大豆器官發(fā)育機(jī)制提供了里程碑式資源。

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Molecular Plant官網(wǎng)截圖

創(chuàng)新整合多種技術(shù)，構(gòu)建“三維基因地圖”

想象一下，如果把大豆的每個(gè)器官當(dāng)成一座精密運(yùn)作的工廠，那么基因就是流水線上的工人，而轉(zhuǎn)錄組圖譜就是工廠的監(jiān)控系統(tǒng)。傳統(tǒng)研究往往只能看到工廠整體產(chǎn)量，而新技術(shù)則可以追蹤每個(gè)工人的動(dòng)態(tài)——哪個(gè)基因在根尖值班？哪些細(xì)胞在葉片中參與合成養(yǎng)分？本次研究不僅解答了這些問題，還為改造工廠提供了“操作手冊(cè)”。

研究團(tuán)隊(duì)以國(guó)產(chǎn)大豆品種“中黃13”為研究對(duì)象，開創(chuàng)性地構(gòu)建了“宏觀-單細(xì)胞-空間”三級(jí)轉(zhuǎn)錄解析體系：首先基于314份全器官樣本的常規(guī)轉(zhuǎn)錄組（bulk RNA-seq）大數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)鎖定器官發(fā)育階段和關(guān)鍵器官的特征基因；繼而運(yùn)用單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組（snRNA-seq）捕獲5大功能器官（根、根瘤、莖尖、葉、莖）的細(xì)胞級(jí)表達(dá)圖譜；最終通過時(shí)空組學(xué)技術(shù)Stereo-seq呈現(xiàn)基因表達(dá)的三維空間位置信息。通過多維技術(shù)融合，首次實(shí)現(xiàn)大豆器官的3D基因表達(dá)可視化，堪稱大豆界的“谷歌地圖”。

大豆器官發(fā)育的時(shí)空?qǐng)D譜

時(shí)空動(dòng)態(tài)圖譜，全新視角發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵基因

通過不同類型轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的整合，本項(xiàng)研究完整呈現(xiàn)了大豆基因表達(dá)的時(shí)空動(dòng)態(tài)信息，為理解大豆發(fā)育提供了前所未有的視角：

（1）鑒定出大豆各器官特異性表達(dá)的基因，并以根瘤特異基因?yàn)槔C實(shí)GmPMTs基因通過基因串聯(lián)重復(fù)擴(kuò)張，調(diào)控根瘤發(fā)育；

（2）構(gòu)建器官發(fā)育全景圖譜，以葉片發(fā)育為例，首次發(fā)現(xiàn)展開期葉片的轉(zhuǎn)錄特異性，并對(duì)其中關(guān)鍵的長(zhǎng)鏈脂肪酸共表達(dá)模塊進(jìn)行了挖掘，為大豆葉片改良提供了新線索；

（3）構(gòu)建了根尖空間3D轉(zhuǎn)錄圖譜，揭示大豆根尖細(xì)胞分化的動(dòng)態(tài)路徑，為豆科根尖發(fā)育提供了發(fā)育藍(lán)圖；

（4）通過根瘤空間3D單細(xì)胞圖譜解析根瘤器官的細(xì)胞異質(zhì)性，揭示了根瘤共生基因的空間定位，為“根系-微生物”互作研究建立了細(xì)胞級(jí)時(shí)空坐標(biāo)系。同時(shí)發(fā)現(xiàn)維管束特異性GmHBs基因在根瘤早期發(fā)育中的決定性作用，為提升大豆共生固氮效率提供了新靶點(diǎn)。

大豆根瘤的3D空間單細(xì)胞圖譜

共享數(shù)據(jù)資源，大豆研究的“基因百寶箱”

相關(guān)轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫(kù)已上線并開放訪問（SoyOmics: https://ngdc.cncb.ac.cn/soyomics/index；SOTA: https://db.cngb.org/stomics/soybean/），提供基因表達(dá)查詢、比較、空間定位可視化和3D器官模型探索等模塊。

用戶可通過交互式界面精準(zhǔn)檢索目標(biāo)基因在發(fā)育階段、特定器官及細(xì)胞類型中的表達(dá)特征，顯著提升功能基因研究效率?？茖W(xué)家可一鍵獲取基因在大豆生命周期中的動(dòng)態(tài)表達(dá)，加速功能驗(yàn)證和育種設(shè)計(jì)，推動(dòng)全球合作。

大豆轉(zhuǎn)錄組開放數(shù)據(jù)庫(kù)

文章共同第一作者、華大生命科學(xué)研究院助理研究員陳釧表示：“本次研究構(gòu)建的時(shí)空?qǐng)D譜完整揭示了大豆生長(zhǎng)發(fā)育過程中基因表達(dá)的動(dòng)態(tài)軌跡，為解析大豆器官形成機(jī)制、挖掘關(guān)鍵發(fā)育調(diào)控基因提供了核心技術(shù)支撐。相信這些成果將推動(dòng)我國(guó)大豆科技向智慧育種新時(shí)代邁進(jìn)，對(duì)保障糧食安全具有重大戰(zhàn)略意義?！?/p>

未來(lái)，通過大豆基因圖譜鎖定關(guān)鍵基因，可定向改良大豆器官發(fā)育，例如增加根瘤固氮能力以減少化肥依賴，或優(yōu)化葉片結(jié)構(gòu)以提升光合產(chǎn)量……正如文章通訊作者田志喜研究員所言：“我們揭開了大豆發(fā)育的黑箱，但探索才剛開始?！?/p>

中國(guó)科學(xué)院遺傳發(fā)育所博士后范敬偉、中國(guó)科學(xué)院遺傳發(fā)育所/崖州灣國(guó)家實(shí)驗(yàn)室青年研究員申妍婷、華大生命科學(xué)研究院助理研究員陳釧和陳希為論文共同第一作者。中國(guó)科學(xué)院遺傳發(fā)育所/崖州灣國(guó)家實(shí)驗(yàn)室田志喜研究員、華大生命科學(xué)研究院資深副院長(zhǎng)劉心研究員、院長(zhǎng)徐訊研究員和中國(guó)科學(xué)院遺傳發(fā)育所/崖州灣國(guó)家實(shí)驗(yàn)室青年研究員申妍婷為論文共同通訊作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、泰山學(xué)者計(jì)劃和科學(xué)探索獎(jiǎng)項(xiàng)目的資助。

文章鏈接：

https://www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052(25)00069-3

編輯：李麗