摘要：小麦 （Triticum aestivumL. ） 是世界上最重要的谷物作物之一，种植面积约为 2.3 亿公顷，提高其产量和营养品质对于全球粮食安全至关重要。小麦籽粒由三个主要组织构成：二倍体胚、三倍体胚乳和母体果皮（种皮），它们在籽粒发育、营养储存和萌发过程

小麦 （ Triticum aestivum L. ） 是世界上最重要的谷物作物之一，种植面积约为 2.3 亿公顷，提高其产量和营养品质对于全球粮食安全至关重要。小麦籽粒由三个主要组织构成：二倍体胚、三倍体胚乳和母体果皮（种皮），它们在籽粒发育、营养储存和萌发过程中各自发挥着独特但又相互协调的作用。尽管以往的研究已经鉴定出调控籽粒大小和品质的关键基因 ——例如转录因子 （ TaNAC019 、 TaPGS1 ） 和代谢酶 （ TaAGPS1 、 TaSuS2 ） ——但大多数研究依赖于批量转录组学或遗传作图，缺乏空间分辨率来精确定位特定细胞类型中的基因活性。

例如，糊粉层、转移细胞 （ TCSE ） 和胚周围区域 （ ESR ） 对于营养物质的运输和储存至关重要，但它们的发育调控机制仍不清楚。传统的研究方法，如激光捕获显微切割 （ LCM ） 和 RNA-seq ，虽然能够提供组织特异性的见解，但无法捕捉到推动籽粒形成的动态、空间有序的基因网络。空间转录组学能够在接近单细胞分辨率的完整组织切片中绘制基因表达图谱，已在玉米（籽粒发育）和大麦（萌发）等植物的发育生物学研究中取得了革命性的进展，但在小麦中的应用却十分有限。

Xiaohui Li 等人于 2025 年 4 月 1 1 日 在 Genome Biology 上发表题为 “Spatiotemporal transcriptomics reveals key gene regulation for grain yield and quality in wheat” 的文章 。 本研究通过在小麦籽粒的三个早期发育阶段（授粉后 4 、 8 和 12 天， dap ）进行高分辨率空间转录组学分析，捕捉了从胚胎发生到胚乳细胞化以及营养物质积累的关键转变。通过整合聚类分析、加权基因共表达网络 （ WGCNA ） 以及利用突变体进行的功能验证，该研究鉴定出了细胞类型特异性的标记基因（例如 TaABI3-B1 ，一种 B3 结构域转录因子）以及影响籽粒大小和组成的调控途径。这些发现不仅提供了小麦籽粒发育的全面时空基因表达图谱，还突出了用于精准育种以提高产量和品质的新的遗传靶点。

这项工作填补了谷物生物学中的一个关键知识空白，为未来关于小麦及相关作物的组织特异性基因调控和分子育种策略的研究提供了基础。

结果

1. 生成小麦籽粒早期发育阶段的空间转录组学图谱

本研究成功构建了首个发育中小麦籽粒的高分辨率空间转录组图谱，揭示了调控籽粒形成的关键机制。通过对授粉后三个关键发育阶段（ 4 、 8 和 12 天）的空间转录组分析，研究人员绘制了包括糊粉层和胚周围细胞等特殊胚乳区域在内的 10 种不同细胞类型中的基因表达模式。最重要的发现包括： (1) 随着发育的进行，转录活性从母体组织向胚胎区域的时空调控转移；(2) 糊粉层细胞在胚乳成熟之前早期分化；(3) 胚乳中存在两条不同的发育轨迹——一条用于营养运输，另一条用于淀粉储存。值得注意的是，研究发现转录因子 TaABI3-B1 通过其在胚胎组织中的特异性表达，作为胚胎和籽粒大小的负调控因子。这些发现为小麦籽粒发育的时空调控提供了重要见解，并为提高产量提供了宝贵的遗传靶点。包含 80,000 个空间解析的基因表达谱的全面数据集，为未来的小麦研究和育种工作奠定了基础资源。

Fig. 1 Spatially resolved transcriptome analysis of wheat grains. A A workflow for sampling and sequencing of wheat grains on a BMKMANU S1000. B Developing grains at dap 4, dap 8, and dap 12. C Spatial visualization of the unbiased spot clustering for dap 4, dap 8, and dap 12 sections. Merged bright field images and spatial clusters of the other three sections. The tissue/cell-type identity of each cluster was assigned based on the location of each cluster. D Heatmap and spatial distribution map of total expression counts in the spot of each sample. E UMAP of spatial spots from dap 4, dap 8, and dap 12 wheat sections. Dots correspond to individual spots on the BMKMANU S1000 chip; colors indicate cell type annotation for each spot.

2. 空间转录组可视化与标记基因鉴定

通过将高分辨率空间转录组学与先进的计算分析相结合的综合方法，本研究生成了发育中小麦籽粒的全面细胞图谱，实现了对籽粒发育前所未有的分子特征描述。利用分辨率高达 27微米的 BMKMANU S1000 平台，研究人员在授粉后三个关键发育时间点（ 4、8和12天）捕获了空间解析的基因表达谱。对高变基因进行均匀流形近似与投影（UMAP）聚类分析，揭示了12个转录上不同的细胞簇，进一步细化了传统的10类解剖分类系统。当这些细胞簇被映射到相应的组织切片上时，它们显示出显著的空间一致性，胚胎、胚乳和母体组织区域之间有着清晰的边界。

本研究实施了严格的验证流程，以确保准确的细胞类型注释。首先，研究人员检查了 72个通过激光显微切割研究确定的胚乳标记基因的空间表达模式，其中68个（94.4%）与它们预期的细胞定位完全一致。值得注意的是，已知标记基因如α-淀粉酶 （ TraesCS2B02G004100 ） 特异性地标记了转移细胞周围胚乳 （ TCSE ） 区域，而细胞色素 P450 （ TraesCS6D02G164800 ） 则标记了中央淀粉胚乳细胞。除了验证现有标记基因外，差异表达分析还鉴定出 192个新的细胞类型特异性标记基因，涵盖了所有主要的籽粒区域。

Fig. 2 Identification and validation of tissue-specific marker genes using in situ hybridization. A UMAP representation of the twelve unsupervised clusters. B Cell identity correspondence between annotated cell types and unsupervised clusters. Y-axis indicated annotation of cell types in grain. X-axis indicated seruat clusters. Color: scaled (overlapped cell proportions). C Bubble plot showing transcript enrichment

(average expression and percentage) of representative cell type-specific marker genes in the ten cell types. Spot colors correspond to the same tissues in the bubble plot. Genes highlighted in red were validated by in situ hybridization. D In situ hybridization of selected marker genes (i) TraesCS5B02G531100; (ii) TraesCS2B02G347200 ; (iii) TraesCS7A02G183600 ; (iv) TraesCS7A02G261100 ; (v) TraesCS7B02G160000 confirmed localization of tissue type-specific transcripts at dap 12. For each in situ hybridization, top panels show spatial visualization and bottom panels with the antisense probes. Scale bar =100 μm. Aleurone layer (AL), sub-aleurone (Sub-AL), cavity fluid (CF)

在筛选标记基因时，研究人员采用了严格的标准，要求： (1) 目标细胞类型中的表达量至少比其他所有细胞类型高2倍；(2) 在目标细胞群体中至少有25%的细胞表达；(3) 与细胞特化功能相关。通过 RNA 原位杂交对选定的标记基因进行广泛的验证，证实了其精确的空间定位模式。例如， GDSL 酯酶 TraesCS5B02G531100 在糊粉层细胞中特异性表达，而脂质转移蛋白 TraesCS7B02G160000 则特异性地标记了胚乳腔液。

标记基因的功能特征揭示了代谢过程的显著区域化。母体组织（果皮和种皮）中富集了与光合作用相关的基因（例如叶绿素 a-b结合蛋白）和细胞壁修饰酶（例如膨胀素、木葡聚糖内转糖基酶）。胚乳区域显示出特殊的表达模式，糊粉层标记基因包括脂质代谢基因，转移细胞表达营养转运蛋白基因，而淀粉胚乳则主要由淀粉合成酶（例如颗粒结合淀粉合成酶）主导。胚胎组织则特异性地表达了调控细胞分裂的基因（例如细胞周期蛋白）和蛋白质折叠分子伴侣。

3. 籽粒细胞类型之间的转录组差异

通过系统的转录组分析和加权基因共表达网络分析（ WGCNA），本研究揭示了发育中小麦籽粒的主要细胞类型之间基因表达模式的基本差异。胚胎显示出独特的转录特征，主要由参与核质运输（例如导入蛋白和导出蛋白）和氨基酸生物合成途径（包括天冬氨酸和支链氨基酸家族的关键酶）的基因主导，反映了其作为未来植株的角色。相比之下，糊粉层特异性地上调了内质网蛋白加工机制，包括蛋白二硫异构酶和分子伴侣，这与其在蛋白质储存和分泌中的功能一致。胚乳区域显示出特殊的代谢程序，淀粉胚乳细胞强烈表达完整的淀粉生物合成途径（从ADP-葡萄糖焦磷酸化酶到淀粉分支酶）和蔗糖合成酶同工酶，而转移细胞则富集了糖转运蛋白和细胞壁转化酶。值得注意的是，胚乳腔液和种皮组织维持了光合作用相关基因的表达（包括叶绿素a-b结合蛋白和卡尔文循环的组分），表明这些母体组织可能在其结构角色之外对籽粒代谢有所贡献。通过对TaGDSL和TaLTP突变体的表征进行功能验证，展示了这些空间表达模式如何直接影响籽粒发育—— tatltl1-d1 糊粉层突变体显示出糊粉层细胞缩小 23%和籽粒重量减少15%，而 taltp1-a1 转移细胞突变体则表现出胚乳腔扩大 30%。时间分析揭示了动态的转录进展，糊粉层细胞在授粉后4天（4 dap）表现出峰值活性，随后是胚胎（在8 dap达到峰值）和胚胎周围区域基因（12 dap）的顺序激活。这些全面的发现建立了空间分区转录程序与其表型后果之间的直接联系，不仅为谷物籽粒发育提供了基本见解，还为旨在优化小麦籽粒产量和营养品质的精准育种策略提供了实用的靶点（例如胚乳中的淀粉生物合成基因或胚胎中的氨基酸代谢基因）。

Fig. 3 Spatiotemporal co-expression networks for ten grain cell types during development. A Model for wheat grain gene expression. B Spatiotemporal co-expression networks for ten grain cell types during grain development. The columns represent different patterns of co-expression modules and the rows represent development times. C KEGG enrichment for co-expression genes. The enriched KEGG categories were determined using the one-sided version of Fisher’s exact test, followed by the Benjamin-Hochberg correction to obtain adjusted p values for multiple testing. D Dynamic expression of spatio-marker during grain development. Relative expression =Number of cells with gene expression/Total number of cells. E The taltl1-d1 mutant and the taltp1-a1 mutant exhibited a significant reduction in grain size. Scale bar =1 cm. F Grain surface of mature seeds from WT, taltl1-d1 mutant, and taltp1-a1 mutant. Scale bar =1 mm. G The top row displays panoramic views of TB staining in mature seeds from WT, taltl1-d1 mutant, and taltp1-a1 mutant. The middle row provides magnified images of the regions outlined by the red solid boxes in the top row. The bottom row displays fractured cross-sections of grains captured via scanning electron microscopy (SEM). Orange dashed boxes highlight aleurone layer cells, while red dashed boxes indicate prismatic cells, orange solid boxes indicate TCSE. Scale bar =100 μm. H Quantification of AL cell number from WT, taltl1-d1 mutant, and taltp1-a1 mutant. Student’s t test was used to determine the significant difference. I Quantification of AL cell area is from WT, taltl1-d1 mutant, and taltp1-a1 mutant. Student’s t test was used to determine the significant difference. *, p≤ 0.05; **, p≤ 0.01. J Quantification of prismatic cells length from WT, taltl1-d1 mutant, and taltp1-a1 mutant. Student’s t‐test was used to determine the significant difference. *, p≤ 0.05; **, p≤ 0.01. K Quantification of prismatic cells width from WT, taltl1-d1 mutant, and taltp1-a1 mutant. Student’s ttest was used to determine the significant difference. *, p≤ 0.05; **, p≤ 0.01

4. 胚乳分化过渡阶段的转录组动态

本研究通过详细分析空间转录组数据的轨迹，揭示了小麦胚乳分化过程中的关键转录转变。研究发现了一个双相发育程序，从 4天授粉后（4 dap）的均匀增殖活动开始，到8天授粉后（8 dap）分化为两条不同的路径。营养运输谱系（上轨迹）产生了糊粉层和胚胎周围细胞，这些细胞强烈富集了碳固定基因（例如 Rubisco 活化酶）和单糖转运蛋白（ SWEET蛋白），以及对营养分配至关重要的氨基酸渗透酶。与此同时，储存积累谱系（下轨迹）产生了以淀粉生物合成机制（颗粒结合淀粉合成酶、分支酶）和蔗糖代谢基因（蔗糖合成酶、UDP-葡萄糖焦磷酸化酶）为主的淀粉胚乳细胞，这些基因在12天授粉后（12 dap）达到峰值。关键代谢调节因子表现出精确的时空表达，例如磷酸甘油酸激酶（中央胚乳，8 dap）和烯醇化酶（棱柱细胞，12 dap）。这些发现提供了：(1) 胚乳特化的分子路线图；(2) 阶段特异性的组织分离标记；以及(3) 修改淀粉含量（例如TaAGPase）或营养分配（例如TaSUT转运蛋白）的潜在靶点。研究表明，小麦胚乳发育遵循一种双潜能分化模型，其中前体细胞通过不同的转录程序承诺执行运输或储存功能，为通过有针对性地培育这些途径来提高产量提供了多个干预点。

Fig. 4 Developmental trajectories of wheat early endosperm. A Visualization of embryo/endosperm cells via UMAP colored by development stages (left) and respective cell types (right). B Visualization of the development trajectory of embryo/endosperm cells colored by development stages (left) and respective cell types (right). C Expression of the top 3000 highly variable genes along pseudotime. D KEGG enrichment for differentially expressed genes. The enriched KEGG categories were determined using the one-sided version of Fisher’s exact test, followed by the Benjamin-Hochberg correction to obtain adjusted p values for multiple testing. E Heatmap of the expression of cluster 1 and cluster 2

5. 通过时空转录组学鉴定的含 B3结构域的转录因子 TaABI3-B1 对小麦籽粒发育有重要贡献

通过全面的时空转录组分析，本研究鉴定出含有 B3结构域的转录因子TaABI3-B1是调控小麦籽粒发育的关键调节因子。该基因表现出严格控制的时空调控表达模式，最初在授粉后4天（4 dap）检测到低水平表达，随后在12 dap期间逐渐增强，特异性地定位于发育中的胚胎和胚胎周围区域（ESR）。利用EMS突变体和人工微RNA敲低系（ amiR-TaABI3 ）进行的功能特征分析揭示了 TaABI3-B1作为籽粒形态建成的负调控因子的角色。转基因品系显示出显著的表型变化，包括胚胎增大15-20%、籽粒重量增加10-12%，以及胚乳组成改变，表现为蛋白质含量提高8-10%，而淀粉积累减少5-7%，与野生型对照相比。对1056份小麦种质的单倍型分析划分出三个主要等位基因变体（Hap1-3），其中有利的Hap1/3基因型与籽粒大小的增加显著相关（p

Fig. 5 TaABI3-B1 regulates the grain size of wheat. A Transcript distribution of TaABI3-B1. Color bar indicates the normalized UMI counts. B Spatiotemporal expression pattern of TaABI3-B1 in dap 12 embryo as indicated by in situ hybridization. Sense probe served as the negative control. Scale bar =100 μm. C Observation of mature embryo. Scale bars =1 mm. D amiR-ABI3 s and taabi3-b1 mutants increase the grain size. Scale bars =Student’s 1 mm. E Quantification of grain agronomic traits related traits between the WT plants and amiR test was used to determine the difference significance between amiR-ABI3 s and WT. *, -ABI3 sp≤ 0.05, **, lines. p≤ 0.01, Data represent mean ±SD (n= 15 biological replicates). F Representative cross sections of mature grains. Scale bars =100 μm. The red box shows the aleurone layer cell. The experiment was independently repeated three times. G amiR-ABI3 s transgenetic lines and taabi3-b1 mutants significantly increased the aleurone layer cell size. *, p≤ 0.05, **, p≤ 0.01. H RT-qPCR assay confirming the relative expression of TaABI3 s in amiR-ABI3 s and WT plants. N= 3.

6. TaABI3-B1 中的遗传变异对籽粒重量和品质有贡献

本研究通过对 1056份多样化小麦种质的全面分析，揭示了 *TaABI3-B1* 中显著的遗传变异，这些变异影响小麦籽粒重量和品质。研究人员在该基因中鉴定出 37个多态性位点，包括14个启动子SNPs、4个外显子变异和19个下游多态性，这些位点定义了三个主要的单倍型 （ Hap1-3 ） 。有利的 Hap1/3变体存在于70%的现代栽培品种中，与提高产量性状强烈相关——与Hap2相比，显示出5-8%更高的籽粒重量、3-5%更大的籽粒大小和10-15%更柔软的质地。地理分析显示，Hap1/3在中国主要小麦种植区占主导地位（频率为60-75%），而Hap2在干旱易发地区更为常见，表明其对环境的适应性。通过转基因研究验证了这些单倍型与性状的关联，其中Hap1品系显示出淀粉代谢基因的表达水平高出20%，但 *TaABI3-B1* 转录本水平降低，这解释了它们在籽粒灌浆上的优势。这些发现提供了： (1) 用于标记辅助选择的分子标记（启动子SNPs chr3B:452,200-452,215），(2) 基因组编辑的靶点（外显子错义变异 A392G ），以及 (3) 对这一关键调节因子介导的籽粒大小与品质性状权衡的见解。这项工作确立了 *TaABI3-B1* 作为一个宝贵的育种靶点，并为理解多倍体小麦中产量与品质关系的遗传结构提供了一个模型。

Fig. 6 Haplotype analysis of TaABI3-B1 and breeding selection of elite allele. A Schematic showing the polymorphism for each haplotype of TaABI3-B1. The coordinate is related to the transcription start site (TSS). B Violin plot indicating the comparison of grain size-related traits among wheat accession with different haplotypes of TaABI3-B1. Turkey’s honestly significant difference (HSD) multiple tests were used to determine the statistical significance between the three groups. C The percentages of accessions carrying different haplotypes of TaABI3-B1 during the different breeding processes in China. D The percentage of accessions carrying different haplotypes of TaABI3-B1 in each ecological zones of China. The size of pie charts in the geographical map shows the number of accessions, with percentages of the three alleles in different colors (Hap1, purple; Hap2, pink; Hap3, green).

总结

本研究构建了小麦籽粒的空间转录组图谱（访问数据库： http://omicsplant.cn/WheatDB ） ，鉴定了大量具有时空特异性表达模式的基因。研究发现，许多基因在胚胎组织中呈现精确的空间与时间表达谱。特定转录因子在不同细胞类型或发育阶段呈现差异表达，表明其参与籽粒分化的关键进程。进一步通过共表达网络分析及细胞分化轨迹建模，作者鉴定出调控籽粒分化的关键转录因子 TaABI3-B1 。该因子在早期胚胎及周边胚乳组织中特异性表达，功能验证证实其作为负向调控因子同时抑制籽粒与胚胎大小。本研究提供的早期籽粒基因表达可视化图谱，为小麦籽粒精准分子育种奠定了重要理论基础。

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翻译： Md Nahibuzzaman Lohani

来源：寂寞的咖啡