单细胞转录组学揭示根组织如何适应土壤胁迫

Zhu, M., Hsu, CW., Peralta Ogorek, L.L. et al. Single-cell transcriptomics reveal how root tissues adapt to soil stress. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08941-z

研究发现，植物根部通过单细胞层面的基因调控适应不同土壤环境。利用单细胞 RNA 测序和空间转录组技术，分析水稻根系发现，在凝胶与土壤中生长时，外层根细胞在养分吸收、细胞壁结构和抗逆机制上差异显著。土壤紧实压力下，韧皮部释放的脱落酸（ABA）会触发根内外组织的细胞壁重塑及屏障形成，增强抗压能力。该研究首次在单细胞精度揭示根部各组织如何协同响应土壤异质性，为作物抗逆育种提供新思路。

实验设计，两个基因型（ Xkitaake is a transgenic line containing the XA21 gene），三种土壤条件，共测单细胞18个样本：

scRNA-seq of 10 wild type (X.kitaake) grown in gel conditions, 2 wilde type grown in non-compacted soil conditions and 2 wild type grown in compacted soil conditions. 
scRNA-seq of 2 kitaake grown in gel conditions, 2 Kitaake grown in non-compacted soil conditions.

单细胞转录组揭示玉米根的热胁迫反应机制

Wang, T., Wang, F., Deng, S. et al. Single-cell transcriptomes reveal spatiotemporal heat stress response in maize roots. Nat Commun 16, 177 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-024-55485-3

单细胞转录组揭示橡胶树对白粉病早期侵染的细胞和分子应答机制

Liang X, Ma Z, Ke Y, et al. Single-cell transcriptomic analyses reveal cellular and molecular patterns of rubber tree response to early powdery mildew infection. Plant Cell Environ. 2023;46(7):2222-2237. doi:10.1111/pce.14585

SHOOTMERISTEMLESS 转录因子结合位点的进化促进了果实形状的形成

Hu, ZC., Majda, M., Sun, HR. et al. Evolution of a SHOOTMERISTEMLESS transcription factor binding site promotes fruit shape determination. Nat. Plants 11, 23–35 (2025). https://doi.org/10.1038/s41477-024-01854-1

单细胞测序技术揭示C4植物如何进行高效光合作用

Swift, J., Luginbuehl, L.H., Hua, L. et al. Exaptation of ancestral cell-identity networks enables C4 photosynthesis. Nature 636, 143–150 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08204-3

植物根尖单细胞图谱

Kook Hui Ryu, Ling Huang, Hyun Min Kang, John Schiefelbein, Single-Cell RNA Sequencing Resolves Molecular Relationships Among Individual Plant Cells  , Plant Physiology, Volume 179, Issue 4, April 2019, Pages 1444–1456, https://doi.org/10.1104/pp.18.01482

白菜叶片单细胞水平春化响应

2025年5月27日，中国农业科学院蔬菜花卉研究所武剑与王晓武团队在 Cell Reports 期刊发表题为“Time-resolved single-cell atlas identifies the spatiotemporal transcription dynamics in vernalization response in Brassica rapa”的研究论文。该研究构建了白菜叶片春化响应的单细胞时间动态图谱，首次在单细胞水平解析了不同细胞类型在春化过程中对低温信号的转录调控反应。研究团队通过采集5个春化时间点的白菜叶片样本，利用scRNA-seq技术绘制了包含58,282个细胞的转录图谱，系统识别出叶片中17种细胞类型，并揭示叶肉细胞对低温最敏感，维管组织高表达开花调控基因的特征。研究特别发现，关键抑花因子 BrFLCs 在维管组织中的伴胞细胞中保持持续表达，支持其在延迟开花中的核心作用。本研究为解析白菜等作物春化诱导机制提供了细胞分辨率的关键资源，也为改良作物花期与抗寒能力的分子育种策略提供了重要参考。

Zhang Z, Cai X, Liang J, et al. Time-resolved single-cell atlas identifies the spatiotemporal transcription dynamics in vernalization response in Brassica rapa. Cell Rep. 2025;44(5):115725. doi:10.1016/j.celrep.2025.115725

水稻根单细胞发育分析

该研究系统揭示了水稻根单细胞异质性（heterogeneity），描绘了水稻根表皮细胞（epidermal cell）和基本组织（ground tissue）细胞的分化轨迹，明确了在根尖干细胞分化过程中基因表达与基因染色质可及性（Chromatin accessibility）的相关性，并阐明了单子叶植物水稻和双子叶植物拟南芥在根尖细胞类型上的进化保守性。

Zhang, TQ., Chen, Y., Liu, Y. et al. Single-cell transcriptome atlas and chromatin accessibility landscape reveal differentiation trajectories in the rice root. Nat Commun 12, 2053 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-22352-4

单细胞转录组揭示玉米根系对热应激的时空响应

植物根系能够感知热应激（HS）并相应地调整其结构，这反过来又会影响作物的产量。研究根系的异质性和细胞类型特异性的热应激响应对于提高作物的适应性至关重要。在此，我们生成了玉米（Zea mays）根系对热应激的单细胞转录图谱。我们鉴定出15个细胞簇，对应于9种主要细胞类型，并发现皮层是响应热应激的主要根细胞类型，具有最多的差异表达基因，其发育轨迹在热应激下受到优先影响。我们发现皮层大小与耐热性密切相关，这一发现通过使用近交系和玉米中一个候选基因的遗传突变分析得到了实验验证，为作物改良提供了潜在的耐热性指标和靶点。此外，种间比较揭示了植物根细胞类型和响应热应激的核心标记在进化上是保守的，这些结果通过实验得到了验证。这些结果为揭示玉米根系在细胞类型特异性水平上响应热应激的转录程序提供了一个通用图谱。

单细胞实验设计

本研究使用玉米根尖作为研究对象，设置了两组处理：对照组（常温）和热胁迫组（42 °C，2 小时）。每组均进行了两份生物学重复，保证实验的可靠性。单细胞悬液通过 10x Genomics 平台进行测序，为后续分析提供基础数据。

数据处理与分析流程

首先对单细胞数据进行质控，去除低质量细胞。随后使用降维方法（PCA、UMAP）对细胞进行聚类，并结合已知标记基因注释为不同细胞类型。对每类细胞进一步进行差异表达分析，比较热胁迫与对照组的基因表达变化。同时使用伪时间分析和共表达网络，探索细胞状态变化及基因调控模块。最后还进行了跨物种比较，识别核心保守的热应激响应基因。

主要细胞类型与发现

研究共鉴定了 9 种主要细胞类型，包括皮层、木质部、表皮等。分析结果显示：

• 皮层细胞对热胁迫的响应最显著，差异表达基因数量最多；

• 不同细胞类型对热胁迫的响应模式存在差异；

• 皮层厚度或细胞层数与热耐受性密切相关。

基因功能验证

选取皮层专一表达的候选基因（如 ZmMAX1b）进行突变体分析，结果显示突变体皮层减小且热耐受性下降，验证了其在热耐受性中的功能。此外，跨物种的保守热应激基因也显示类似响应特征，进一步支持其核心作用。

Wang, T., Wang, F., Deng, S. et al. Single-cell transcriptomes reveal spatiotemporal heat stress response in maize roots. Nat Commun 16, 177 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-024-55485-3