植物的根系能够感知热胁迫（HS）并做出相应的结构调整，这对作物的产量产生重要影响。目前，热胁迫已被视为全球农业生产力的主要非生物限制因素。因此，研究植物根系的异质性及其不同细胞类型对热胁迫的特异性反应，对于提升作物的抗逆性显得尤为重要。

2025年1月，中国农科院生物所普莉研究团队在《Nature Communications》期刊上发表了题为“Single-cell transcriptomes reveal spatiotemporal heat stress response in maize roots”的研究，该研究描绘了玉米根尖在热胁迫下的单细胞响应图谱，为理解热耐受性背后的细胞机制提供了新颖视角。

研究材料

本研究所用的材料为受到热胁迫处理的B73玉米幼苗根尖，以及正常生长条件下的玉米幼苗根尖。

研究步骤

步骤1：构建在高温胁迫下的玉米根系单细胞转录组图谱，识别出9种细胞类型；
步骤2：筛选出在热胁迫中存在特异性反应的细胞类型；
步骤3：对小柱细胞和皮层细胞的亚群进行细分及分化轨迹推断；
步骤4：分析单细胞层面的热响应中差异表达基因（DEGs）的共表达模块，以挖掘热胁迫抗性基因；
步骤5：比较玉米、水稻与拟南芥在热胁迫反应中的保守性；
步骤6：探究玉米根系皮层扩大的机制，以增强其耐热性，为抗热胁迫育种提供新靶点。

研究结果

1. 构建玉米根系单细胞转录组图谱

通过高温胁迫处理（42°C，2h），在对照组和热胁迫组中共获得35103个细胞，识别出9种细胞类型。研究结果表明，单细胞转录组测序（scRNA-seq）数据与传统的Bulk-seq结果高度相关。

2. 热胁迫特异性反应的细胞类型

scRNA-seq数据揭示了不同细胞类型对热胁迫的特异性反应，其中某些细胞类型呈现出共同的应激反应途径，而另一些细胞类型则表现出独特的反应。例如，皮层细胞在热应激反应中显示出260个差异表达基因，表明其在胁迫反应中的关键角色。

3. 小柱细胞的亚型差异

研究发现小柱细胞在感知重力和应对非生物应激方面至关重要，不同的亚型展现出独特的基因表达谱，有助于理解小柱细胞在发展过程中的动态变化。

4. 皮层细胞的热休克反应

皮层细胞对热休克的反应尤为显著，分析其亚群显示两种皮层细胞的异质性。皮层细胞1主要参与植物的生理和发育功能，而皮层细胞2则与植物对环境刺激和物理损伤的反应相关。

5. DEGs的共表达模块分析

对9种细胞类型的基因进行了共表达网络分析，发现15个共表达模块，揭示了它们在热胁迫响应中的潜在作用。

6. 根系热响应的保守性

比较了玉米、水稻与拟南芥在理想生长条件下和热胁迫下的单细胞记录，发现皮层热相关基因的表达存在重叠，其动态变化可能对热应激过程产生影响。

7. 扩大皮层以增强热耐性

研究表明，玉米根系皮层的大小与热耐受性密切相关，ZmMAX1b突变体的实验结果强调了皮层大小在抵御热胁迫中的重要作用。

总结

本研究在单细胞分辨率下深入分析了热胁迫响应的基因及其分化轨迹，为深入理解玉米根系应对热胁迫的机制提供了重要数据。同时，这些发现为生物医药领域在热胁迫条件下关于细胞发展和分子机制的研究奠定了基础，为植物遗传改良提供了潜在的指标和目标。

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