近日，中国农业科学院蔬菜花卉研究所白菜课题组在《Horticulture Research》期刊发表了一项突破性研究成果，题为“Single-cell transcriptomic analysis of flowering regulation and vernalization in Chinese cabbage shoot apex”。该研究利用单细胞RNA测序（scRNA-seq）技术，深入解析了白菜不同细胞类型的开花基因表达变化及春化对不同细胞类型开花基因的表达调控。这一研究首次为白菜的茎尖组织细胞提供了高分辨率的转录图谱，对白菜及其他芸薹属作物的分子育种具有重要参考价值。
白菜（Brassica rapa L. ssp. pekinensis）作为全球广泛种植的重要蔬菜，其开花时间受春化的显著影响。春化是指植物在低温条件下促进开花的现象，而这一过程的分子机制长期以来主要在拟南芥等模式植物中进行研究。针对白菜这一非模式植物，白菜课题成员旨在通过创新的单细胞转录组测序技术，揭示其茎尖组织中的关键细胞类型如何在春化过程中调控开花基因表达。
本研究采用了先进的10×Genomics平台进行单细胞RNA测序，并使用伪时间轨迹分析工具Monocle 2，追踪不同细胞类型在茎尖组织中的发育路径。团队不仅生成了白菜春化处理前后的基因表达差异图谱，还通过跨物种对比发现了白菜和拟南芥在开花基因调控上的保守性。
研究团队对白菜茎尖组织19,602个单细胞进行测序，识别并分类为15个细胞群，包括茎尖分生组织细胞（SMC）、伴细胞（CC）、叶肉细胞（MC）等关键类型。团队发现，抑制开花的关键基因BrFLC2主要在伴细胞（CC）中高表达，这一发现与拟南芥中的FLC基因表达模式一致，表明BrFLC2在白菜中的保守功能。在春化后（25天低温处理）与非春化处理之间，白菜不同细胞群中多种基因的表达水平发生显著变化。尤其是 VIN3、VRN1、VRN2 和 FT 等春化调控基因在伴细胞和茎尖分生组织细胞中的表达显著上调，表明这些基因在不同细胞类型中具有特定的调控作用。通过与拟南芥茎尖的单细胞数据对比，研究发现白菜与拟南芥在开花调控基因的细胞特异性表达上存在高度相似性。这一结果为理解不同植物间的花期调控机制提供了新视角。
本研究为非模式植物的单细胞研究开辟了新方向，并为白菜及其他芸薹属作物的分子育种提供了关键数据支持。这一创新性成果展示了春化在多细胞层面如何调控花期，为未来开发适应气候变化的早熟或晚熟白菜品种提供了科学依据。同时，这一研究也验证了单细胞RNA测序技术在非模式作物研究中的广泛应用潜力。
中国农业科学院蔬菜花卉研究所戴昀博士后、章时蕃副研究员、官健涛助理研究员为本论文共同第一作者，张淑江研究员和李菲副研究员为论文的通讯作者。该研究得到国家重点研发计划、国家大宗蔬菜产业技术体系、中国农业科学院科技创新工程项目和国家自然基金等项目的资助。
原文链接： https://academic.oup.com/hr/article/11/10/uhae214/7723780?login=false
日期：2024-10-22
