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作物所在花生光暗形態(tài)轉(zhuǎn)變的單細(xì)胞測序研究方面取得新進展
近日，作物所花生研究團隊在花生光暗形態(tài)轉(zhuǎn)變的單細(xì)胞基因表達譜研究中取得進展，相關(guān)研究結(jié)果以論文“ScRNA-seq reveals dark- and light-induced differentially expressed gene atlases of seedling leaves in Arachis hypogaea L.”發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Plant Biotechnology Journal（中科院大類1區(qū)，IF=13.8，Top期刊）。作物所鄧權(quán)清博士、洪彥彬研究員，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)博士生杜普旋，國際熱帶半干旱作物研究所Sunil S. Gangurde博士為論文共同第一作者；澳大利亞莫道克大學(xué)Rajeev K. Varshney教授，作物所梁炫強研究員、陳小平研究員、劉浩副研究員為論文共同通訊作者。
花生屬于雙子葉全出土作物，其光暗形態(tài)建成直接影響頂端彎鉤形成和下胚軸穩(wěn)健生長，從而影響花生成苗壯苗。因此，破譯花生幼苗在光照與黑暗環(huán)境下的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜，能夠為解析花生組織器官與光暗誘導(dǎo)的形態(tài)發(fā)育變化提供科學(xué)線索。
該研究利用酶解法獲得了黑暗與光照條件下花生幼苗（一周齡）葉片的原生質(zhì)體細(xì)胞，結(jié)合10×Genomics微流控平臺捕獲了13409（黑暗黃化苗）和11296（光照綠苗）個單細(xì)胞進行scRNA-seq（Single-cell RNA-seq）測序，并構(gòu)建了黃化苗與綠苗的單細(xì)胞基因表達圖譜。利用細(xì)胞類型Marker基因?qū)⑷康募?xì)胞表征到10個細(xì)胞簇，并在單細(xì)胞層面鑒定到黃化與光照綠苗中存在6104個差異表達基因。隨后的擬時軌跡和細(xì)胞周期分析結(jié)果表明，光照條件促進葉片細(xì)胞分化，而暗生長環(huán)境導(dǎo)致葉片細(xì)胞周期紊亂，絕大多數(shù)的細(xì)胞會處于S期。此外，該研究基于細(xì)胞層面對葉肉細(xì)胞群中的葉綠色合成通路進行解析，并鑒定到葉綠素合成關(guān)鍵酶PORA（protochlorophyllide reductase）在葉肉細(xì)胞中高度富集并抑制葉綠素合成。而表皮細(xì)胞再分群與內(nèi)源激素檢測結(jié)果表明光照可通過抑制生長素、乙烯、細(xì)胞分裂素等合成途徑阻礙表皮細(xì)胞發(fā)育，其中鑒定到21個轉(zhuǎn)錄因子（如AHL17、ERF98、NAC2、WRKY31與ZAT11）參與植物激素通路進而調(diào)控表皮細(xì)胞發(fā)育。最后重點解析了花生AT-hook轉(zhuǎn)錄因子AHL17的功能。AHL17編碼蛋白定位于細(xì)胞核，含有典型的AT-hook與DUF296結(jié)構(gòu)域，DAP-seq結(jié)果表明AHL17傾向于結(jié)合基因組AA(T)AAAATA保守基序。AHL17不論是在單細(xì)胞水平還是組織水平均在黃化的花生幼苗中表達量較高，過量異位表達AHL17能夠促進植株生長，該基因具有調(diào)節(jié)多種激素的能力以促進植株生長發(fā)育。本研究構(gòu)建的花生光暗幼苗的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜，為在單細(xì)胞水平上闡述光暗誘導(dǎo)葉細(xì)胞發(fā)育的分子機制提供了新的生物學(xué)觀點。
花生暗形態(tài)與光形態(tài)的葉片單細(xì)胞基因表達圖譜
本研究得到國家重點研發(fā)計劃、廣東省重點研發(fā)現(xiàn)代種業(yè)項目、“十四五”揭榜掛帥制十大育種主攻方向計劃、國家自然科學(xué)基金、國家花生產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系、廣東省自然科學(xué)基金以及廣東省農(nóng)科院作物所所長基金等項目的資助。
