小麦根尖单细胞核转录组解析揭示表皮细胞响应氮匮乏的分子机制及其育种价值

本研究针对小麦氮肥利用效率(NUE)提升的瓶颈问题，通过单细胞核转录组测序(snRNA-seq)技术解析高氮效品种ZM1860根尖细胞在氮胁迫(N-starv)下的异质性响应。研究发现表皮细胞(EC)通过上调谷氨酰胺合成酶基因TaGS1.2表达增强氮代谢，并构建了以TaGS1.2为核心的转录调控网络，为培育氮高效小麦品种提供了新靶点。

　　

氮素是作物生长的关键营养元素，但过量施用氮肥导致的利用率低下和环境污染已成为全球农业可持续发展的重大挑战。小麦作为主要粮食作物，其氮肥利用效率(NUE)不足50%，如何通过遗传改良提升作物自身氮吸收能力成为研究热点。根系作为养分吸收的直接器官，其根尖区域对氮浓度变化尤为敏感，但传统转录组技术难以揭示细胞异质性响应机制。

针对这一科学问题，中国农业科学院作物科学研究所的研究团队在《The Crop Journal》发表了重要成果。研究采用高氮效小麦品种郑麦1860(ZM1860)为材料，通过单细胞核转录组测序(snRNA-seq)构建了正常供氮(3 mmol L^-1
NH₄
NO₃
)和氮胁迫(0 mmol L^-1
NH₄
NO₃
)条件下根尖细胞的基因表达图谱。研究团队运用分层加权基因共表达网络分析(hdWGCNA)、细胞通讯分析和病毒诱导基因沉默(VIGS)等关键技术，系统解析了不同细胞类型对氮胁迫的响应机制。

研究首先通过snRNA-seq鉴定了13种根尖细胞类型，包括原木质部、根毛细胞、内皮层等，并发现氮胁迫下表皮细胞(EC)比例显著增加3.71%。功能富集分析显示EC中谷氨酰胺合成、钙离子稳态等通路显著激活，KEGG分析进一步证实EC主导了氮代谢和氨基酸合成通路。

通过hdWGCNA筛选出与EC密切相关的蓝色模块，其核心基因TaGS1.2编码谷氨酰胺合成酶(GS)，在氮胁迫下表达显著上调。原位杂交验证TaGS1.2特异性定位于EC且响应氮信号。转录调控网络分析揭示TaGS1.2受bHLH家族IRO2、MYB家族MYB59等转录因子共同调控，这些因子同时调控NADH-GOGAT1-3A等氮同化关键基因。

细胞通讯研究发现EC通过Hsp90-WAK1和UBQ1-WAK1受体配体对增强与其他细胞的信号交流。其中WAK1作为细胞壁关联激酶，可能通过感知环境信号促进EC发育。功能验证实验通过BSMV-VIGS沉默TaGS1.2-4D，导致低氮条件下根系生长显著受抑，证实该基因在氮适应中的关键作用。

研究结论指出，表皮细胞是小麦根尖响应氮匮乏的核心细胞类型，其通过TaGS1.2介导的氮同化途径和增强的细胞间通讯协同适应低氮环境。该发现不仅阐明了高氮效品种ZM1860的分子基础，更重要的是为分子设计育种提供了关键靶基因TaGS1.2。讨论部分强调，GS1.2同源基因在玉米、水稻中均被证实可提高产量，而本研究首次在单细胞水平解析其调控网络，为多基因协同改良氮效率提供了新思路。

这项研究的创新性在于：首次将snRNA-seq技术应用于小麦氮胁迫研究，克服了传统转录组无法解析细胞异质性的局限；发现EC是氮响应的"枢纽细胞"；建立了从单细胞图谱到关键基因功能验证的完整研究体系。未来可通过基因编辑等手段创制TaGS1.2优异等位变异，推动氮高效小麦品种的培育。