2023年11月8日，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心巫永睿團隊和上海師范大學(xué)王文琴團隊在Nature Communications在線發(fā)表題為“Spatial transcriptomics uncover sucrose post-phloem transport during maize kernel development”的研究文章。該研究率先利用空間轉(zhuǎn)錄組方法詳細劃分了玉米籽粒灌漿期不同細胞功能亞群，揭示了光合同化產(chǎn)物從進入籽粒到合成淀粉、蛋白和脂類等儲藏物質(zhì)過程的空間轉(zhuǎn)錄特征。

　　玉米是全世界種植最廣泛且最高產(chǎn)的作物之一，年平均產(chǎn)量高達10億噸。玉米籽粒是一個高度復(fù)雜的系統(tǒng)，由多達數(shù)百萬個細胞組成，包括來自母體的二倍體種皮，子代基因型的三倍體胚乳以及二倍體的胚組成。構(gòu)成這三種組織器官的細胞在種類和功能上各不相同，但它們相互協(xié)調(diào)，形成獨特的微環(huán)境，以維持不同類型的細胞數(shù)量，構(gòu)成有時空差異的功能分區(qū)。比如玉米籽粒灌漿開始前，胚乳細胞要經(jīng)歷活躍的有絲分裂和分化，細胞迅速增殖并形成完整的胚乳組織，主要包括四種細胞類型：胚乳基部轉(zhuǎn)移層（basal endosperm transfer layer，BETL）、糊粉層（aleurone layer，AL）、胚周圍區(qū)（embryo surrounding region，ESR）、淀粉胚乳細胞（central starchy endosperm，CSE）。另外，這幾類細胞還能衍生出一些亞細胞類型：亞糊粉層（subaleurone，SA）、傳導(dǎo)區(qū)（conducting zone，CZ）和基部中間區(qū)（basal intermediate zone，BIZ）。然而上述細胞分類主要基于細胞形態(tài)觀察和數(shù)量極少的特異表達基因，一般轉(zhuǎn)錄組研究得到的基因表達譜缺乏空間信息，研究者對每個細胞群體的具體功能了解非常有限，也制約了對籽粒發(fā)育和灌漿調(diào)控的深入了解，以及優(yōu)異基因的挖掘。因此，我們對玉米灌漿期籽粒進行了顯微切片和空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究，不僅實現(xiàn)了高通量可視化所有基因的電子原位雜交圖譜，也鑒定了11個細胞群和332個分子標(biāo)記基因，繪制真正的“玉米籽粒電子原位雜交”和“分子細胞學(xué)”圖譜。此外，我們還系統(tǒng)構(gòu)建了籽粒灌漿時各個組織功能區(qū)發(fā)生的關(guān)鍵事件（信號傳導(dǎo)，營養(yǎng)運輸，蛋白、淀粉、脂類合成和存儲等）和全局基因網(wǎng)絡(luò)調(diào)控圖，全面挖掘知之甚少的在信號傳導(dǎo)和營養(yǎng)運輸上發(fā)揮重要作用的關(guān)鍵基因，通過探索它們的生物學(xué)功能，為提升玉米產(chǎn)量和品質(zhì)提供新的基因資源。

　　四川農(nóng)業(yè)大學(xué)和上海師范大學(xué)的博士生符語昕和碩士生肖文昕為本文的共同第一作者，上海師范大學(xué)王文琴教授和中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心巫永睿研究員為本文共同通訊作者。上海師范大學(xué)碩士生田浪和吳興國；中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心博士生郭亮星、馬光近、冀晨、副研究員王婕琛、研究員王海海；四川農(nóng)業(yè)大學(xué)黃永財教授、楊桃教授、王際睿教授也參與了合作。本研究得到十四五重大研發(fā)計劃2022YFF1003302（巫永睿和王文琴）和國家自然科學(xué)基金（王文琴32072008和32372068，巫永睿31830063和31925030）的資助。

　　文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-43006-7

實驗原位雜交和電子原位雜交對比圖