第一个棉纤维开始发育单细胞时空组学图谱发布

近日，中国农业科学院棉花研究所研究员马雄风团队成功构建了第一个棉花纤维起始发育图谱，结合单细胞转录组、空间转录组和空间代谢组。利用该图谱，可以识别关键基因的表达方式及其与代谢途径的关系，深入分析纤维发育过程中的关键调控机制，为进一步提高纤维质量和产量提供新思路，为优质棉花分子育种提供重要理论支撑。《自然-通信》发表了相关研究成果(Nature Communications)上。

棉纤维是由种子外表皮的单细胞发育而来的。在种子发育初期，约25%的胚珠表皮细胞被分化为棉纤维，需要经历四个不同的阶段，即起始阶段、伸展阶段和初生壁形成阶段、次生壁厚度阶段和纤维成熟阶段。

前两个阶段决定了每种种子产生的纤维的数量和长度，直接影响棉花纤维的最终产量。后两个阶段与细胞壁厚度有关，决定了纤维的强度和粒度，直接影响棉花纤维的最终质量。然而，这些发展阶段的控制机制在一定程度上仍然不得而知。因此，分析决定细胞发育命运和控制棉纤维起始和延伸的机制，将为提高棉纤维的产量和质量提供新的途径。

本研究以陆地棉标准系TM-1为研究材料，绘制了棉纤维初期发育单细胞转录组图谱、空间转录组图谱和空间代谢组图谱，构建了棉纤维初期发育动态调节网络的多层次。这不仅可以在胶原纤维发育过程中高分辨率捕获基因表达，还可以揭示与基因表达密切相关的代谢变化。这项研究弥补了胶原纤维发育研究中的技术空白。

对调节纤维起始发育的关键基因进行了进一步的分析和鉴定，并选择了一些基因进行功能验证。结果表明，BEE3基因在调节纤维起始发育过程中起着关键作用，超表达基因可以显著促进胚珠表皮细胞发育成胶原纤维。

研究结果从单细胞水平全面分析了纤维开始发育过程中的动态控制网络，为棉纤维的发育研究提供了重要的数据，为棉花的精确繁殖提供了理论支撑。棉纤维开始发育过程中的单细胞组数据和空间转录组数据已经共享(网站https://cotton.cricaas.com.cn/ovule/)。

孙旭武、秦爱知、王星星、葛晓阳、刘祉辛、郭晨曦、于晓乐、张先亮和卢瑶是河南大学和中棉研究所的第一作者，马雄风是通讯作者。