编辑推荐：
这篇研究运用单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）和空间转录组学技术，剖析水稻根系在不同土壤条件下的适应机制。发现土壤生长环境改变根系外层组织基因表达，土壤压实诱导脱落酸（ABA）合成，影响根系屏障形成，为作物抗逆研究提供关键依据。
研究背景
陆地植物在性质差异巨大的土壤中生长，土壤的异质性，如养分、水分、微生物和有机成分的不均匀分布，对植物根系的生长构成挑战。根系虽能适应不同土壤条件，但在细胞层面的响应机制尚不清楚。土壤胁迫是全球农业面临的重大问题，其中土壤压实会阻碍根系生长，影响作物产量。利用单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）和空间转录组学技术研究植物根系在不同环境下的基因表达，有助于揭示根系适应土壤环境的分子机制。
水稻根 scRNA-seq 和空间转录组图谱构建
研究人员以水稻为研究对象，利用 10X Genomics scRNA-seq 平台对萌发 2 - 3 天的水稻初生根细胞进行测序，构建高质量 scRNA-seq 参考数据集。通过整合已发表的数据集，最终获得超过 79,000 个高质量细胞构建 scRNA-seq 图谱。为确保数据可靠性，研究人员鉴定并排除了原生质体化诱导的基因。
在细胞类型和发育阶段注释方面，研究人员结合主成分分析（PCA）、聚类技术以及分子制图技术，对细胞类型进行注释。通过与不同发育阶段的水稻根组织批量 RNA-seq 数据对比，直接注释 scRNA-seq 数据中的发育阶段，这一方法相较于以往研究更为精准。
此外，研究人员还通过伪时间分析和空间转录组学实验，揭示了水稻根表皮细胞的分化轨迹以及基因表达的动态变化。例如，发现三个基因（LOC_Os12g05380、OsGT3、LOC_Os10g42750）在根毛分化过程中呈现顺序表达模式。
土壤生长的根系对外层组织表达的影响
研究人员对比了在凝胶和土壤中生长的水稻根系，发现多数细胞类型在两种生长条件下具有较高的相似性。但土壤生长的根系中，根毛细胞数量减少。通过差异表达分析，鉴定出 11,259 个差异表达基因（DEGs），其中大部分 DEGs 存在于根的外层细胞类型中。
基因本体（GO）分析显示，土壤生长的根系外层组织中，与营养代谢（如磷酸盐和氮代谢途径）、囊泡介导的运输、细胞壁完整性、激素介导的信号传导和防御反应相关的基因显著富集。这表明根系通过多种适应性策略，如增强细胞壁完整性、利用激素信号传导加强细胞间通讯以及借助囊泡运输机制，来应对土壤中养分的异质分布。
研究人员还对含有 XA21 基因的 Xkitaake 和不含该基因的 Kitaake 进行研究，发现二者在土壤生长条件下，根外层细胞中 DEGs 的富集模式相似，都与营养稳态、细胞壁完整性、激素介导的信号传导和囊泡介导的运输有关。不过，Xkitaake 中防御相关基因的表达相对更高，说明 XA21 基因可增强防御反应。
土壤压实触发根系 ABA 和屏障形成
为研究土壤压实对根系的影响，研究人员对在不同土壤容重（1.6 g cm-3和 1.2 g cm-3）下生长的根系进行 scRNA-seq 和空间转录组学分析。结果显示，大多数细胞类型标记基因在压实土壤条件下仍在目标细胞类型中表达。
通过比较分析，研究人员鉴定出 7,947 个 DEGs，其中外皮层和内皮层受土壤压实影响最大，DEGs 数量最多。GO 分析表明，这些受影响的细胞类型与细胞壁成分代谢密切相关。例如，EXPANSINS（EXPA）基因表达上调，与根在压实土壤条件下的径向扩张以及细胞壁重塑相关。此外，还发现一些与次生细胞壁形成和防御反应相关的基因，如编码木聚糖酶抑制剂的基因表达上调。
研究人员还发现，在压实土壤条件下，外皮层和内皮层中与水分胁迫响应相关的基因表达增强，进而研究了与水分胁迫紧密相关的脱落酸（ABA）。结果显示，ABA 生物合成基因（如 OsAAO1 和 OsNCED）在韧皮部衍生的维管组织中强烈上调，ABA 响应基因在其他外层细胞层中诱导表达。这表明 ABA 在土壤压实胁迫下，从内层细胞向外层细胞传递信号，引发细胞特异性响应。
ABA 诱导的根屏障减少压实过程中的水分损失
土壤压实会使根系遭受水分胁迫，而根系中木栓质和木质素积累的协调调节对维持植物水分平衡至关重要。研究人员通过 scRNA-seq 分析发现，在压实土壤条件下，根的外层（外皮层）和内层（内皮层）细胞层中许多木质素和木栓质生物合成基因表达上调，形成质外体不透水屏障。
通过组织化学染色，研究人员验证了在压实土壤条件下，根的外皮层、内皮层和维管细胞类型中木质化和栓化程度更高。对水稻 ABA 生物合成突变体 mhz5 的研究表明，与野生型（WT）相比，mhz5 根在压实土壤条件下木质素和木栓质水平未诱导增加，说明 ABA 在触发压实胁迫下的屏障形成中起关键作用。
此外，研究人员还通过对 WT 和 mhz5 根在不同土壤条件下的径向水分损失实验，发现 WT 根在压实土壤条件下的水分损失明显慢于非压实土壤条件，而 mhz5 突变体根则未表现出这种差异。这进一步证明 ABA 诱导的屏障形成有助于减少根在压实胁迫下的径向水分损失。
研究结论
本研究利用单细胞和空间转录组学技术，深入揭示了根系在土壤环境中的适应机制。研究发现，根系在土壤环境中，外层细胞类型对土壤异质性响应更为显著，通过上调防御、营养和细胞壁相关基因表达，增强养分摄取和细胞壁完整性，保护根系免受土壤中的生物和非生物胁迫。
在应对土壤压实胁迫时，根系通过 ABA 介导的信号通路，诱导细胞壁重塑和屏障形成，增强细胞壁刚度，减少水分损失。同时，研究还发现 ABA 在调节根对压实胁迫的适应性反应中起主导作用，而乙烯和生长素虽也参与根对土壤压实的响应，但未表现出细胞类型特异性的表达模式。
本研究为理解根系与土壤的相互作用提供了新的视角，有助于开发更能适应复杂土壤胁迫的作物品种，为保障植物在挑战性环境中的生长提供理论依据。
