文章题目Single-cell transcriptomes reveal spatiotemporal heat stress response in pearl millet leaves

杂志：New Phytologist

文章链接：https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.70232

当前，全球气候变暖已成为生态系统和农业生产面临的重大挑战之一，温度升高及极端气候事件的频繁发生对作物生长发育、农业生产力及粮食安全构成了严峻威胁。美洲狼尾草（Pennisetum glaucum（L.）R. Br., syn.Cenchrus americanus（L.）Morrone）（2n = 2x = 14）是我国西南地区重要牧草杂交狼尾草亲本之一，以其较高的粗蛋白含量（9%-18%）、叶茎比、生物产量以及易消化性，已经成为我国主要的放牧及青贮饲料之一。作为植物能量转换和环境感知的核心器官，叶片是调控耐热性、保障生存与持续生长的关键枢纽。而细胞是构成叶片的基本单位，不同细胞类型在形态、功能和基因表达上存在显著的异质性，尤其在应对高温胁迫时，叶片各个细胞类型可能通过独立或协同的方式参与耐热响应。

该研究在前期构建的美洲狼尾草图形泛基因组（Yan et al., 2023），以及多组学数据库Milletdb（Sun et al., 2023）的工作基础上，对美洲狼尾草叶片单细胞转录组进行分析，系统解析了美洲狼尾草叶片在热胁迫下的细胞类型特异性转录响应，构建了首个美洲狼尾草叶片单细胞图谱，鉴定出5种主要细胞类型，并发现维管组织细胞为响应热胁迫的核心细胞类型。其中，热胁迫显著激活了维管组织细胞中与信号转导、氮素及蛋白质运输相关的通路，增强其应对高温胁迫的能力。同时，鉴定出531个热胁迫记忆基因，这些基因在维管组织细胞中高表达，且与H3K4me3等表观遗传修饰密切关联。采用单细胞WGCNA分析，通过超表达和突变体水稻株系对候选基因UGT73C3功能分析，发现其可能调节ROS来增强植物的耐热性，并可能参与调控维管组织细胞分化。

图1美洲狼尾草叶片热胁迫单细胞图谱构建及关键耐热基因功能分析，a: 美洲狼尾草单细胞图谱；b:UGT73C3基因水稻过表达、突变体材料和野生型材料耐热表型鉴定；c:UGT73C3基因RNA原位杂交分析；d:UGT73C3基因水稻过表达、突变体材料和野生型材料维管组织细胞结构分析

1. Haidong Yan#; Min Sun#; Zhongren Zhang#; Yarong Jin#; Ailing Zhang; Chuang Lin; Bingchao Wu;Min He; Bin Xu; Jing Wang; Peng Qin; John Pablo Mendieta; Gang Nie; Jianping Wang; Chris S.Jones; Guangyan Feng; Rakesh K. Srivastava; Xinquan Zhang; Aureliano Bombarely; Dan Luo; Long Jin; Yuanying Peng; Xiaoshan Wang; Yang Ji; Shilin Tian*; Linkai Huang*; Pangenomic analysis identifies structural variation associated with heat tolerance in pearl millet, Nature Genetics, 2023, 55(3): 507-518

2. Min Sun#; Haidong Yan#; Aling Zhang#; Yarong Jin; Chuang Lin; Lin Luo; Bingchao Wu; Yuhang Fan; Shilin Tian; Xiaofang Cao; Zan Wang; Jinchan Luo; Yuchen Yang; Jiyuan Jia; Puding Zhou;Qianzi Tang; Chris Stephen Jones; Rajeev K. Varshney; Rakesh K. Srivastava; Min He; Zheni Xie; Xiaoshan Wang; Guangyan Feng; Gang Nie; Dejun Huang; Xinquan Zhang; Fangjie Zhu*; Linkai Huang*;Milletdb: a multi‐omics database to accelerate the research of functional genomics and molecular breeding of millets, Plant Biotechnology Journal, 2023, 21(11): 2348-2357