小麦发育种子空间转录组揭示同心基因表达区与亚基因组偏好表达的关键基因调控网络

本研究利用STOmics空间转录组技术（scStereo-seq），首次在灌浆关键期（14 DPA）的小麦种子中获得>4×106个亚细胞分辨率转录本数据，揭示了胚乳中四个同心表达区域，发现脂质转运蛋白（LTP）基因等新型标记基因，并鉴定出puroindoline-B、金属硫蛋白等关键基因的亚基因组（A/B/D）偏好性表达模式，为多倍体作物籽粒发育的时空调控机制研究提供了重要资源。

　　

1 引言

种子发育的时空基因表达模式直接影响营养储存、胁迫耐受和萌发等关键性状。作为六倍体作物，小麦（Triticum aestivum）的复杂基因组结构为研究亚基因组表达差异提供了独特模型。传统转录组技术缺乏空间分辨率，而新兴的空间转录组技术（STOmics scStereo-seq）能够实现亚细胞水平的基因定位。本研究聚焦灌浆高峰期（14天授粉后，DPA）的小麦种子，通过横向纵切面揭示了传统纵向切片未能发现的胚乳同心表达模式。

2 结果

2.1 基因表达矩阵揭示组织特异性

在92×10⁶个DNA纳米球（DNB）中，成功捕获4.2×10⁶个分子标识符（MID）。表达热图显示胚胎、脊沟、内胚乳和果皮组织呈现高表达区域，且两侧表达存在不对称性，可能与光照差异相关。

2.2 胚乳同心表达区

空间Leiden聚类鉴定出8个功能细胞群，其中胚乳区呈现4个同心带：从外向内依次为亚糊粉层（sub-aleurone）、中央胚乳、内胚乳和转运细胞层。转运细胞簇（表达量最高）环绕脊沟，其标记基因TraesCS1D03G0140700经比对推测为脂质转运蛋白（LTP）基因，与拟南芥2S白蛋白超家族蛋白具有90%相似性。

2.3 已知基因的空间验证

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  硬度相关基因：puroindoline-B在胚乳高表达（D亚基因组表达量24 634 MIDs，显著高于A/B亚基因组）

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  光合相关基因：丙酮酸正磷酸双激酶在果皮特异性表达

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  胚胎标记基因：金属硫蛋白（无A亚基因组拷贝）和EM启动子蛋白在胚胎富集

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  防御基因：α-淀粉酶/枯草杆菌蛋白酶抑制剂在果皮高表达（B/D亚基因组显著高于A亚基因组）

2.4 新型标记基因

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  果皮：26 kDa内切几丁质酶（TraesCS7A03G1333700）和非特异性脂质转运蛋白（TraesCS5A03G1295700）

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  脊沟：诱导匍匐茎尖端蛋白TUB8（TraesCS5A03G0651300）

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  胚胎：cupincin蛋白（TraesCS5B03G1068800）

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  胚乳：α/β/γ-麦胶蛋白（gliadin）呈现区室化表达

3 讨论

3.1 胚乳发育的层状调控

灌浆高峰期（14-20 DPA）的胚乳呈现蛋白质和淀粉梯度沉积，本研究首次通过横向切片揭示其对应基因表达的同心圆模式。与Li等（2025）纵向切片研究相比，新发现的内胚乳簇可能参与营养转运的微调。

3.2 多倍体优势的分子基础

亚基因组表达偏倚现象揭示：

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  D亚基因组在胁迫响应基因（如金属硫蛋白）中占主导

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  B/D亚基因组在防御基因（如α-淀粉酶抑制剂）中呈现空间特异性

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  部分A亚基因组基因（如TaNAC019转录因子）表达量显著降低

3.3 农艺性状的调控靶点

转运细胞中高表达的LTP基因（占全部表达的15%）可能成为增产靶点；胚乳特异性麦胶蛋白基因群为品质改良提供分子标记。果皮防御相关几丁质酶的表达模式为抗病育种提供新思路。

4 材料与方法

使用Bobwhite SH98 26品种，通过冷冻切片（20 μm）和poly-L-lysine芯片固定技术，优化12分钟渗透时间。数据分析采用SAW流程（Bin50分辨率），通过蒙特卡洛置换检验（500 000次抽样）验证差异表达。

5 意义

该研究建立了首个小麦灌浆高峰期空间转录图谱，为解析多倍体作物复杂组织发育的亚基因组协作机制奠定基础，对实现"设计育种"提升粮食安全保障具有重要价值。