植物根系能够感知热胁迫（HS）并相应地进行结构调整，这对作物产量具有显著影响。目前，热胁迫被广泛认为是全球农业生产力中最具挑战性的非生物限制因素。因此，研究植物根系的异质性及其细胞类型对热胁迫的特异性反应，对于提高作物抗逆性显得尤为重要。

2025年1月，中国农业科学院生物研究所的普莉研究团队在Nature Communications（IF147）上发表了一项名为“单细胞转录组揭示玉米根尖的时空热胁迫响应”的研究，为理解植物热耐受性的细胞机制提供了新的见解。

研究材料

该研究以受到热胁迫的B73玉米幼苗根尖和正常玉米幼苗根尖为研究对象，深入解析了其在高温环境下的反应机制。

研究步骤

研究的主要步骤包括：

• 构建高温胁迫下的玉米根系单细胞图谱，识别9种细胞类型；
• 筛选出对热胁迫有特异性反应的细胞类型；
• 细化小柱细胞和皮层细胞亚群，并推断其分化轨迹；
• 分析单细胞水平的热响应中差异表达基因（DEGs）共表达模块，以挖掘抗热性基因；
• 比较玉米、水稻与拟南芥在热胁迫下响应的保守性；
• 探讨玉米根系皮层的扩大如何提升耐热性，为抗热育种提供新的靶点。

研究结果

研究的主要发现可以总结如下：

• 高温胁迫下的单细胞转录组图谱构建：研究中共分析了35103个细胞，注释得到了9种细胞类型，显示出显著的相关性，并验证了不同细胞类型的数据。
• 特异性响应细胞类型的识别：结果揭示了不同细胞对热胁迫的特异性反应，皮层细胞在HS中表现出最多的差异表达基因（290 DEGs），强调了其重要性。
• 小柱细胞亚型的分化：小柱细胞对重力和非生物应激的感应至关重要，不同亚型展示了不同的基因表达谱，为细胞发育的动态过程提供了新的视角。
• 皮层细胞在热休克中的关键作用：分析显示皮层细胞在HS反应中有最多的差异基因表达，表明这些细胞在应对外部压力时发挥着重要作用。
• DEGs的共表达模块分析：通过网络分析，识别出了与HS相关的多个基因模块，进一步阐明了其机制。
• 不同植物根系的响应比较：玉米、水稻与拟南芥根系在热胁迫下的响应存在一定的基因表达重叠，显示出热相关基因表达的动态变化。
• 皮层扩大的耐热性机制：研究发现皮层大小与耐热性密切相关，强调了其在抗逆性中的关键作用。

总结

综上所述，研究人员在单细胞分辨率下深入解析了热胁迫响应基因及关键细胞分化轨迹，为理解植物在热胁迫下的机制提供了重要的数据支持和基因资源。通过此研究，提升作物在热胁迫下的表现，为未来的遗传改良提供了宝贵的参考。

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