2月10日，农业与生物技术学院祝水金教授团队在Molecular Plant发表了题为“Single-cell transcriptomic analysis reveals the developmental trajectory and transcriptional regulatory networks of pigment glands in Gossypium bickii”的研究论文。该研究报道了具有“子叶色素腺体延缓形成”性状的比克氏棉子叶单细胞转录图谱，解析了色素腺体的发育轨迹及转录调控网络。
色素腺体是棉属（Gossypium）特有的防御结构，其主要内含物棉酚在棉花病虫害抗性中起重要作用，但因其对人类和反刍动物的毒性，限制了棉籽中丰富的油分及蛋白质的利用。探究色素腺体的形成与发育，对培育理想色素腺体性状的栽培棉至关重要。比克氏棉（Gossypium bickii）具有优良的“子叶色素腺体延缓形成”性状，其色素腺体在种子萌发过程中形成，是研究色素腺形态建成的理想材料。比克氏棉种子无色素腺体低棉酚，有利于充分利用棉籽资源；植株有色素腺体则有助于保持植株对病虫害的抗性，具有重要的育种价值。
该研究利用萌发48h比克氏棉子叶（色素腺体形态发生的活跃阶段）作为样本制备原生质体，利用10×Genomics单细胞转录组测序技术，共获得了12, 222个单细胞转录组，鉴定出8个主要细胞类群。其中色素腺体细胞类群与其他细胞类群显著分离，并利用RNA原位杂交技术验证了该细胞类型特异性标记基因（图1）。
图1 比克氏棉子叶单细胞转录组图谱的构建
色素腺体细胞群可进一步分为色素腺体薄壁细胞、分泌细胞和凋亡细胞。综合色素腺体细胞发育轨迹分析和转录因子的DAP-Seq结果，该研究构建了色素腺体形成的调控网络，以及提出了一个相对完整的色素腺体形态建成的模型（图2）。基于不同萌发阶段比克氏棉子叶的转录组，通过病毒介导的基因沉默，对调控网络的核心转录因子进行了功能验证，证实了bHLH、NAC和MYB等转录因子在色素腺体发育中的调控作用，同时挖掘了三个与色素腺体形成相关的功能基因GbiERF114、GbiZAT11和GbiNTL9。
图2 棉花色素腺体形态建成模式图
此外，为进一步探究影响棉花色素腺体形成的关键因素，该研究进行了单细胞转录组、bulk转录组数据关联表型分析，结合核心转录因子的启动子鉴定，同时通过不同处理的实验验证，揭示了光和赤霉素在色素腺体形成中的促进作用。
该研究利用单细胞测序技术和比克氏棉色素腺体的独特性状，描绘了首个棉花子叶单细胞转录图谱，揭示了色素腺体的发育模式，构建了其转录调控网络，挖掘了色素腺体相关的重要基因位点，为色素腺体形态发生提供了新的见解。同时，为进一步探索子叶色素腺体延缓形成的机制，培育种子无色素腺体、植株有色素腺体的新型低酚棉栽培种提供了理论基础。
农业与生物技术学院赵天伦特聘副研究员和祝水金教授为该论文通讯作者，农业与生物技术学院博士生孙悦和韩一飞为该论文的共同第一作者，澳大利亚CSIRO的Qianhao Zhu教授对该论文给予了指导和帮助。研究得到了国家转基因生物新品种培育科技重大专项，国家重点研发计划项目，国家棉花产业体系岗位科学家项目，江苏省现代作物生产协同创新中心和国家自然科学基金的资助。
