小麦根系盐胁迫响应的单细胞转录组图谱研究

作者及机构
本研究由来自中国科学院大学生命科学学院的Lin Du、西北农林科技大学农学院与小麦研究所的Wenqiu Pan、BGI Research的Yali Song等共同完成，通讯作者为Xiaojun Nie、Hai-xi Sun和Jingmin Kang。研究成果于2025年发表在Plant Biotechnology Journal期刊（DOI: 10.1111/pbi.70422）。

学术背景
土壤盐渍化是全球农业面临的重大挑战，约20%的耕地受其影响，每年造成超过270亿美元的经济损失。小麦（*Triticum aestivum L.*）作为主要粮食作物，虽比水稻和玉米更具耐盐性，但其根系在盐胁迫下的细胞类型特异性响应机制尚不明确。传统转录组分析掩盖了细胞异质性，而单核RNA测序（snRNA-seq, single-nucleus RNA sequencing）技术能解析细胞类型特异性反应。本研究首次构建了盐敏感（Chinese Spring, CS）和耐盐（Dekang 961, DK）小麦品种根系在盐胁迫下的单细胞转录组图谱，旨在揭示小麦耐盐的细胞分子机制。

研究流程
1. 实验设计与样本制备
- 选取三叶期小麦幼苗，设置200 mM NaCl处理0 h、3 h、8 h三个时间点，采集根尖组织。
- 通过优化核分离方法（甲醇固定+NIBTA缓冲液 Percoll梯度离心），获得201,273个单核转录组，经质控保留188,270个高质量核，每个核平均检测4,766个基因。

1. 单细胞数据分析

   • 使用Seurat v4.3.2进行数据整合（CCA算法消除批次效应），UMAP降维后鉴定24个细胞簇。
     
   • 通过标记基因（如根毛细胞的*EXPANSIN*、木质部的*IRX*）和参考图谱比对，注释为17种细胞类型，包括根毛细胞、表皮/皮层、原生木质部等。
     
   • 创新性应用伪时间分析（Monocle2）解析根毛细胞分化轨迹。

2. 功能验证

   • 从差异表达基因中筛选候选基因*TaGSTU1-5B*，构建过表达载体转化小麦，测定转基因株系的生理指标（ROS清除酶活性、渗透调节物质含量等）。

主要结果
1. 细胞类型特异性响应
- 根毛细胞在盐胁迫下转录变化最显著（DK中上调基因978个，CS中873个），其差异基因富集于谷胱甘肽代谢（ko00480）和水分剥夺响应（GO:0009414）。
- HKT家族基因（如*TaHKT1-D*）在根毛细胞中特异性高表达，表明其参与离子稳态调控。

1. 品种特异性策略

   • CS：优先激活应激信号（如ABA响应）和渗透调节（脯氨酸合成）。
     
   • DK：侧重代谢重编程（糖酵解途径）和细胞修复（DNA复制调控），且伪时间分析显示其根毛细胞发育更稳定（盐胁迫后77.7%细胞维持状态3，而CS仅6.4%）。

2. 关键基因功能验证

   • *TaGSTU1-5B*过表达株系在盐胁迫下表现出：
     
     • 生物量增加（根长提高42%，干重增加35%）
       
     • ROS清除能力增强（GST酶活性提升2.1倍，H₂O₂含量降低58%）
       
     • 渗透调节物质积累（脯氨酸含量升高67%）。

3. 多倍体亚基因组不对称表达

   • 盐胁迫增强A/D亚基因组主导基因的表达（如D主导基因富集于根冠发育和离子转运），DK中该现象更显著（A/D主导基因比例比CS高15%）。

结论与价值
本研究首次绘制了小麦根系盐胁迫的单细胞转录组图谱，揭示了根毛细胞的核心响应角色和品种特异性适应策略。发现*TaGSTU1-5B*通过增强ROS清除能力提高耐盐性，为分子育种提供新靶点。此外，亚基因组表达不对称性的发现为多倍体作物胁迫适应机制提供了新视角。

研究亮点
1. 技术层面：建立小麦根尖单核转录组实验流程，解决植物组织解离难题。
2. 发现层面：
- 解析根毛细胞的“代谢重编程”耐盐新机制
- 揭示多倍体小麦亚基因组协同响应盐胁迫的规律
3. 应用层面：*TaGSTU1-5B*基因的转化验证为耐盐小麦设计育种提供直接依据。

其他价值
本研究构建的数据集已公开（GSE编号待补充），可作为小麦逆境生物学研究的重要参考。伪时间分析方法的创新应用为植物细胞分化研究提供了新思路。