記者從中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所獲悉，馬雄風(fēng)研究員團隊成功構(gòu)建了首個結(jié)合單細胞轉(zhuǎn)錄組、空間轉(zhuǎn)錄組及空間代謝組的棉花纖維起始發(fā)育圖譜。利用該圖譜可以識別關(guān)鍵基因的表達模式及其與代謝途徑的關(guān)系，深入剖析纖維發(fā)育過程中的核心調(diào)控機制，為進一步改良纖維品質(zhì)、提高纖維產(chǎn)量提供了新思路，為高品質(zhì)棉花分子育種提供了重要理論支撐。相關(guān)研究成果以“The spatiotemporal transcriptome and metabolome landscapes of cotton fiber during initiation and early development ”為題于1月20日在國際期刊《自然通訊（Nature Communications）》上發(fā)表。
棉花是紡織工業(yè)的主要原料。棉花纖維是由種子外表皮表面的單細胞發(fā)育而來，在種子發(fā)育的早期階段大約25%的胚珠表皮細胞分化成棉絮纖維，并且要經(jīng)歷四個不同的階段，即起始階段（開花后2至5天），伸長和初生壁形成階段（開花后3至20天），次生壁增厚階段（開花后16至40天）和纖維成熟階段（開花后40至50天）。前兩個階段決定了每個種子產(chǎn)生的纖維數(shù)量和長度，將直接影響到最終的棉花纖維產(chǎn)量；后兩個階段與細胞壁增厚相關(guān)，決定了纖維的強度和細度，將直接影響到最終的棉花纖維品質(zhì)。然而，決定這些發(fā)育階段的調(diào)控機制仍然在很大程度上未知。因此，解析決定細胞發(fā)育命運及調(diào)控棉纖維起始和延伸的機制將為提高棉花纖維產(chǎn)量和品質(zhì)提供新途徑。
該研究以陸地棉標準系TM-1為研究材料，繪制了棉花纖維早期發(fā)育的單細胞轉(zhuǎn)錄組圖譜、空間轉(zhuǎn)錄組圖譜及空間代謝組圖譜，構(gòu)建了一個多層次的棉花纖維起始發(fā)育的動態(tài)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，不僅能夠高分辨率捕捉纖維細胞發(fā)育過程中的基因表達模式，還能揭示與基因表達密切相關(guān)的代謝變化，填補了目前在纖維細胞發(fā)育研究中的技術(shù)空白。該研究進一步通過多組學(xué)聯(lián)合分析，鑒定到一批調(diào)控纖維起始發(fā)育的關(guān)鍵基因，并選擇了其中的一些基因進行了功能驗證，發(fā)現(xiàn)BEE3基因在調(diào)控纖維起始發(fā)育過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，超表達該基因可以顯著促進胚珠表皮細胞發(fā)育為纖維細胞；目前正在高衣分材料中棉113中對該基因的功能機制進行遺傳解析，發(fā)掘優(yōu)異等位變異，以期為高衣分棉花品種培育開發(fā)具有育種價值的分子標記。研究結(jié)果從單細胞水平全面解析了纖維起始發(fā)育過程中動態(tài)的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，為開展棉纖維發(fā)育研究提供了重要數(shù)據(jù)資源，為棉花精準育種提供了理論支撐。棉花纖維起始發(fā)育過程中的單細胞組學(xué)數(shù)據(jù)和空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)已進行共享。
該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、棉花生物育種與綜合利用國家重點實驗室自主項目等項目的資助。
