植物根系能够感知热胁迫（HS）并据此调整其结构，从而影响作物的产量。当前，热胁迫被认为是全球农业生产力面临的最大挑战之一，研究植物根系的异质性及其细胞类型对热胁迫的特定反应，对于提升作物的抗逆性至关重要。

研究概述

2025年1月，中国农科院生物所的普莉研究团队在《Nature Communications》（IF 147）上发表了一项名为“Single-cell transcriptomes reveal spatiotemporal heat stress response in maize roots”的研究，描绘了玉米根尖对热胁迫的单细胞响应图谱，为理解热耐受性的细胞机制提供了全新视角。

研究材料和方法

研究使用了受热胁迫影响的B73玉米幼苗根尖以及正常玉米幼苗根尖，分为以下几个步骤：

1. 构建高温胁迫条件下玉米根系的单细胞图谱，识别出9种细胞类型。
2. 筛选出对热胁迫有特异反应的细胞类型。
3. 对小柱和皮层细胞进行亚群划分及细化的分化轨迹推断。
4. 进行单细胞水平的热反应中差异表达基因（DEGs）的共表达模块分析，挖掘出热胁迫抗性基因。
5. 比较玉米、水稻和拟南芥在热胁迫响应中的保守性。
6. 通过扩大玉米根系皮层以增强其耐热性，提供抗热胁迫育种的新靶点。

研究结果

研究的关键发现包括：

1. 在高温胁迫下成功构建了玉米根系的单细胞转录组图谱，识别出35103个细胞，注释了9种细胞类型。
2. 揭示了不同细胞类型对热胁迫的特异反应，皮层细胞在热胁迫反应中表现出最多的差异表达基因（290 DEGs）。
3. 发现玉米根部小柱细胞的两个亚型在非生物应激反应中起到重要作用，通过伪时间分析揭示了小柱细胞发育过程中基因表达的动态过程。
4. 皮层细胞在热休克中表现出丰富的差异基因，两种亚型表明在应对外部压力方面的不同角色。
5. 通过基因共表达网络分析，识别出了与热胁迫相关的共表达模块，揭示了潜在的耐热性基因。
6. 比较不同植物的根系单细胞热胁迫响应，发现皮层热相关基因表达存在一定的重叠。
7. 皮层的大小与热耐受性之间存在显著相关性，分析表明ZmMAX1b突变体的皮层变小导致其耐热性降低。

结论

综上所述，该研究在单细胞分辨率下深入解析了热胁迫响应的基因、细胞分化轨迹及核心标记基因，为理解玉米根系应对热胁迫的机制提供了重要的数据基础，同时为作物在热胁迫下的细胞发育和遗传改良提供了新的见解和基因资源。

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