摘要：2025年4月11日，北京大学现代农业研究院研究团队在Genome Biology发表题为"Spatiotemporal transcriptomics reveals key gene regulation for grain yield and quali

2025年4月11日，北京大学现代农业研究院研究团队在Genome Biology发表题为"Spatiotemporal transcriptomics reveals key gene regulation for grain yield and quality in wheat"的研究论文。该研究将空间转录组技术应用于小麦籽粒发育研究，根据基因表达和位置信息详细划分细胞功能亚群，揭示了小麦籽粒发育过程的空间转录特征，绘制了首个小麦籽粒三维基因表达图谱。

小麦（Triticum aestivum L.）是全球三大主粮作物之一，种植面积约2.3亿公顷，其产量提升对保障全球粮食安全与营养供给至关重要。小麦籽粒主要由三部分组成：二倍体胚、三倍体胚乳及果皮（种皮）。这些组织在发育过程中表现出显著的基因表达时空特异性，形成功能分化的区室化结构。尽管这些组织在细胞类型和生理功能上存在明显差异，但它们通过协同调控构建了独特的籽粒发育微环境，共同决定籽粒的最终表型。然而，目前对籽粒细胞类型的认知仍主要依赖于形态学观察和少量标记基因的表达分析，常规转录组数据因缺乏空间分辨率，极大限制了对籽粒发育调控机制的深入解析及关键功能基因的挖掘。

为系统解析小麦籽粒发育的分子机制，本研究采用时空转录组学技术，构建了籽粒在发育早期4 DAP、8 DAP和12 DAP的高分辨率基因表达图谱，实现了近8万个基因的空间表达可视化，并鉴定了10个特征明确的细胞亚群及190个籽粒特异性标记基因。研究发现，不同组织特异性基因（尤其是转录因子）呈现动态表达模式。通过共表达网络和顺式调控元件分析，鉴定到一个关键调控因子——转录因子TaABI3-B1，其在胚胎及胚乳周围组织中特异性表达，并负向调控胚胎和籽粒大小。进一步利用等位基因变异体和转基因材料验证了TaABI3-B1在胚胎和胚乳发育中的关键作用。本研究不仅为小麦籽粒发育提供了全面的时空转录组资源，还揭示了调控籽粒大小的新机制，为小麦分子设计育种和产量提升提供了重要理论依据。

图1. 小麦籽粒空间转录组分析流程

北京大学现代农业研究院/潍坊现代农业山东省实验室陈苑研究员和韩雪研究员为本文共同通讯作者，北京大学现代农业研究院和西北农林科技大学的联合培养博士生李晓慧为本文的第一作者。北京大学现代农业研究院和山东农业大学的联培博士生万夷曼，山东农业大学李兴国教授，吴佳杰教授，中国科学院遗传发育所研究员肖军，助理研究员王冬至，西北农林科技大学陈坤明教授也参与了合作。本研究得到山东省重点研发计划ZR202211070163，泰山学者计划tsqn202103162（陈苑）和山东省自然科学基金（陈苑ZR2021MC190，李兴国ZR2021MC041）的资助。北京大学现代农业研究院/潍坊现代农业山东省实验室为论文第一单位。

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来源：农民张湘