植物根系能够感知热胁迫并根据环境变化调整自身的结构，从而影响作物产量。热胁迫已经被认定为全球农业生产中最具挑战性的非生物限制因素之一。因此，研究植物根系的异质性及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。

在2025年1月，中国农科院生物所普莉研究团队在《Nature Communications》（影响因子147）上发表了一项名为“单细胞转录组揭示玉米根系对热胁迫的时空响应”的研究，为理解热耐受性的细胞机制提供了新视角。研究材料包括接受热胁迫的B73玉米幼苗根尖及正常玉米幼苗根尖。

研究步骤

该研究包括以下几个步骤：

1. 构建高温胁迫下玉米根系的单细胞图谱，识别9种细胞类型。
2. 筛选玉米根系中对热胁迫具特异性反应的细胞群体。
3. 分析小柱细胞和皮层细胞的亚群及其分化轨迹。
4. 对单细胞热响应中的差异表达基因（DEGs）进行共表达模块分析，以挖掘抗热胁迫基因。
5. 比较玉米、水稻和拟南芥在热胁迫下的应答机制保守性。
6. 探索玉米根系皮层的扩展如何增强热耐受性，为抗热胁迫育种提供新靶标。

研究结果

研究结果显示：

1. 构建了玉米根系在高温胁迫下的单细胞转录组图谱，识别出对照组和热胁迫组（42°C，2h）中的35103个细胞，并注释为9种细胞类型。
2. 不同细胞类型对热胁迫的响应存在显著差异，尤其是皮层细胞展现了最多的差异表达基因，说明其在热胁迫应答中扮演关键角色。
3. 研究发现玉米根部小柱细胞有两种亚型，这些细胞在感知重力和非生物胁迫方面至关重要，并展示了不同的基因表达谱。
4. 皮层细胞在热休克下的反应也是研究的重点，这些细胞的异质性为理解植物体对环境压力的响应提供了依据。
5. 通过基因共表达网络分析，识别了与热胁迫相关的多个共表达模块，特别是显示了scRNA-seq在识别抗热基因方面的潜力。
6. 比较了玉米、水稻和拟南芥在正常生长条件下的根系单细胞图谱，发现植物的热相关基因表达存在一定的保守性。
7. 研究表明，皮层的大小与热耐受性紧密相关，ZmMAX1b突变体的实验验证强调了这一点。

总结

综上所述，研究人员在单细胞分辨率下系统解析了热胁迫应答的基因、细胞分化轨迹及关键标记基因，深入探讨了玉米根系应对热胁迫的机制。这些发现为作物在热胁迫下的细胞发育、分子机制和遗传改良提供了重要的数据支持和基因资源。

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