大豆是人類與家畜植物性蛋白質(zhì)和油的重要來源。目前，利用分子設(shè)計育種策略加速大豆育種頗為重要，而揭示關(guān)鍵基因和大豆器官發(fā)育的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)則對分子設(shè)計育種至關(guān)重要。
中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所田志喜研究團隊與合作者，開創(chuàng)性地構(gòu)建了宏觀-單細胞-空間三級轉(zhuǎn)錄解析體系。研究基于314份全器官樣本的Bulk RNA-seq大數(shù)據(jù)，鎖定器官發(fā)育階段和關(guān)鍵器官的特征基因；繼而運用snRNA-seq捕獲根、根瘤、莖尖、葉、莖五大功能器官的細胞級表達圖譜；最終通過Stereo-seq呈現(xiàn)基因表達的3D空間位置信息，實現(xiàn)大豆器官的3D基因表達可視化。
該研究整合了不同類型轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，完整呈現(xiàn)了大豆基因表達的時空動態(tài)信息，為探討大豆發(fā)育提供了新視角。研究鑒定出大豆各器官特異性表達的基因，并以根瘤特異基因為例，證實GmPMTs通過基因串聯(lián)重復(fù)擴張，調(diào)控根瘤發(fā)育；構(gòu)建器官發(fā)育全景圖譜，以葉片發(fā)育為例，發(fā)現(xiàn)展開期葉片的轉(zhuǎn)錄特異性，并挖掘關(guān)鍵的長鏈脂肪酸共表達模塊，為大豆葉片改良提供新線索；構(gòu)建根尖空間3D轉(zhuǎn)錄圖譜，揭示大豆根尖細胞分化的動態(tài)路徑，為豆科根尖發(fā)育提供發(fā)育藍圖；通過根瘤空間3D單細胞圖譜解析根瘤器官的細胞異質(zhì)性，揭示根瘤共生基因的空間定位，為根系-微生物互作研究建立細胞級時空坐標(biāo)系。同時，研究發(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。
該研究相關(guān)的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫SoyOmics Transcriptome Atlas（https://ngdc.cncb.ac.cn/soyomics/index）和SOTA（https://db.cngb.org/stomics/soybean/）已上線并開放訪問，可以提供基因表達查詢、比較、空間定位可視化等模塊。用戶可通過交互式界面檢索目標(biāo)基因在發(fā)育階段、特定器官和細胞類型中的表達特征，以提升功能基因研究效率。
這一研究構(gòu)建的“時空圖譜”揭示了大豆生長發(fā)育過程中基因表達的動態(tài)軌跡，為解析大豆器官形成機制、挖掘關(guān)鍵發(fā)育調(diào)控基因提供了技術(shù)支撐。
2月18日，相關(guān)研究成果以A large-scale integrated transcriptomic atlas for soybean organ development為題，發(fā)表在《分子植物》（Molecular Plant）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金和國家重點研發(fā)計劃等的支持。該工作由遺傳發(fā)育所、崖州灣國家實驗室、中國科學(xué)院北京基因組研究所等單位合作完成。
