美国冷泉港科学家通过单细胞测序技术揭示了玉米穗发育历程中的基因表达网络学术资讯

来源：植物科学最前沿

2021年1月4日，Developmental Cell发表了以美国冷泉港实验室David Jackson教授为通讯作者的题为“Single-cell RNA sequencing of developing maize ears facilitates functional analysis and trait candidate gene discovery”的研究论文。该论文作者利用单细胞测序技术，构建并验证了玉米穗发育中的基因表达谱，为研究玉米穗发育的遗传网络和玉米育种提供了重要的基础。研究背景

植物体各种器官均来源于分生组织的细胞分裂、生长与分化，发育过程中涉及众多基因活动与生物学过程。在玉米中，玉米穗（雌花序）的发育是一个农艺上十分重要、与玉米产量紧密相关的过程，涉及到小穗原基、小花原基的一系列活动，这些活动包括了一些关键基因特别是转录调控因子的激活与调控。通过以往的突变体与基因功能研究，人们对关键基因在玉米穗发育与进化（驯化）中的生物学功能与作用机制已有较深入的理解。但是，由于基因功能存在多效性与冗余性，发育程序涉及的基因调控网络具有高度复杂性，人们对玉米穗发育过程中的基因网络图谱及其调控的理解仍远远不够。利用新测序技术获取高解析度的、组织与细胞类型特异性的基因表达网络，将有助于解析玉米穗发育的分子基础，助力玉米育种。

主要研究结果

1. 本文的技术路线。

作者选取5-10mm大小的玉米穗（该发育阶段中玉米穗的主要发育事件或过程正在进行中，包括原基起始与分化、器官特化、基本与维管组织分化等），优化原生质体的分离方法以获取高质量的原生质体，用于单细胞测序，获得了12525个单细胞测序数据。

2. 通过表达谱数据分析，作者获得12个细胞类群（下图B-C），通过marker基因初步验证细胞类群的可靠性（下图D-N）；根据获得的结果，作者将这12个细胞类群在玉米穗中的空间分布示意图呈现在下图O。此外，作者从每个细胞类群中选取了最有代表性的marker基因，进行原位杂交验证，获得了预期的验证结果；进一步地，作者通过荧光激活细胞分类（FACS）辅助RNA-seq实验，进一步证明了细胞类群的可靠性。

3. 通过与CHIP-seq与ATAC-seq数据进行联合分析，作者展示了这些单细胞数据在解析遗传调控网络、预测基因功能等方面的用途；进一步地，利用这些单细胞测序数据开展定向GWAS分析，作者鉴定到了调控玉米产量的候选基因。

研究意义

高通量测序技术进展迅速，特别是单细胞测序技术的出现，为理解基因功能及其调控网络、细胞命运决定、器官发育及其调控机理提供了新手段。本文以玉米穗发育为研究主题，通过单细胞测序获得12525个单细胞表达谱数据，并构建了12个细胞类群。通过实验证明，这些数据在构建基因共表达网络、构建转录调控网络、预测基因功能、鉴定调控玉米重要农艺性状的候选基因等方面，均具有很大的用处，为玉米基础研究与育种提供了重要的基础数据。

来源：frontiersin 植物科学最前沿

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