植物的根系能够感知热胁迫（HS）并相应地调整其结构，这一特性对作物的产量有深远影响。目前，热胁迫被认为是全球农业生产的重要非生物限制因素，因此，研究植物根系的异质性及其不同细胞类型对热胁迫的反应，成为提高作物抗逆性的关键所在。

2025年1月，中国农科院生物所的普莉研究团队在《Nature Communications》（影响因子147）上发表了一项关于玉米根尖对热胁迫响应的单细胞转录组研究，题为“Single-cell transcriptomes reveal spatiotemporal heat stress response in maize roots”。该研究为深入理解热耐受性的细胞机制提供了崭新的视角。

研究材料和方法

该研究的材料包括在热胁迫条件下的B73玉米幼苗根尖及正常的玉米幼苗根尖。研究步骤如下：

1. 构建高温胁迫下的玉米根系单细胞图谱，识别到9种细胞类型。
2. 筛选对热胁迫有特异性反应的细胞类型。
3. 分析小柱细胞和皮层细胞的亚群及其分化轨迹。
4. 分析单细胞水平热响应中的差异表达基因（DEGs）共表达模块，以挖掘抗热胁迫的基因。
5. 比较玉米、水稻与拟南芥在热胁迫响应中的保守性。
6. 通过扩展玉米根系皮层，增强其耐热性，为抗热胁迫育种提供新目标。

研究结果

• 单细胞转录组图谱构建：对照组与热胁迫组（42°C，持续2小时）总共获得35103个细胞，标识出9种细胞类型。研究表明，植物根尖的Bulk-seq结果与单细胞数据高度相关。
• 特异性反应细胞类型: 研究发现玉米根尖的不同细胞类型在热胁迫下有特异性响应，皮层细胞在HS中表现出最多的差异表达基因（290 DEGs），显示其在应对热胁迫中的重要性。
• 小柱细胞异质性: 研究识别出两种小柱细胞亚型，提出它们在重力感知和非生物胁迫中的不同作用。
• 皮层细胞在热胁迫中的重要性: 通过亚群分析，表明皮层细胞在植物面对环境压力时的关键作用，以及在热胁迫响应中的分化特性。
• 共表达模块分析: 对9种细胞类型进行基因共表达网络分析，揭示出多个与热胁迫相关的基因模块，为识别抗热胁迫基因奠定基础。
• 不同植物的热胁迫响应: 研究发现玉米、水稻和拟南芥根系在高温胁迫条件下的热相关基因表现出一定程度的重叠。
• 皮层的关键作用: 研究表明皮层大小与热耐受性密切相关，识别出ZmMAX1b突变体在皮层生长和耐热性方面的重要性。

总结

综合上述结果，研究团队在单细胞分辨率上细致解析了热胁迫响应的基因、细胞分化轨迹及核心标记基因。这一研究成果为理解作物在热胁迫下的细胞发育和分子机制提供了宝贵的数据支持和基因资源，推动了生物医学相关领域的发展。

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