《Plant Biotechnology Journal》：Transcription Profiling of Potato Leaves in Response to Heat Stress at Single-Cell Resolution
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本研究通过单核RNA测序技术首次构建了马铃薯叶片在正常与热胁迫条件下的单细胞转录组图谱，系统揭示了表皮细胞作为热胁迫响应的关键细胞类型，并鉴定出StPIF4通过调控活性氧清除能力显著增强马铃薯耐热性的新机制。该研究为解析作物细胞类型特异性热胁迫响应网络提供了重要理论基础。
研究背景
马铃薯作为全球重要的粮食作物，其生长和块茎发育极易受到热胁迫的抑制。目前对马铃薯细胞水平的热适应机制研究仍较缺乏。单细胞RNA测序技术的发展为在细胞分辨率下研究植物胁迫响应提供了有力工具。
马铃薯叶片细胞图谱构建
研究通过单核RNA测序对正常和热胁迫处理的马铃薯叶片进行分析，获得77,344个高质量细胞核，鉴定出6种主要细胞类型：表皮细胞、保卫细胞、叶肉细胞、原基细胞、增殖细胞和维管细胞。UMAP可视化显示热胁迫下细胞簇分布更为分散，表明热胁迫诱导了叶片细胞转录组异质性增加。
细胞类型特异性标记基因鉴定
通过同源比对和scPlant数据库分析，研究人员系统鉴定了1,696个马铃薯叶片细胞类型特异性标记基因。表皮细胞特异性表达CER1、FDH等角质形成相关基因；叶肉细胞高表达ndhL、PNSL1等光合作用基因；维管细胞特异性表达STP13、CLV1等转运和信号传导基因。RNA原位杂交验证了FAMA、SBT5.3等标记基因的表达特异性。
热胁迫促进细胞分化
伪时间轨迹分析发现，热胁迫改变了叶片细胞的发育动力学。与对照相比，热胁迫下表皮细胞、叶肉细胞和保卫细胞比例增加，而分生和增殖细胞比例下降。维管细胞位于伪时间轨迹的过渡区，可能在细胞分化过程中起关键作用。亚群分析表明热胁迫可能通过加速分生细胞向功能细胞的分化来增强叶片对热胁迫的适应性。
核心转录因子调控网络
差异表达分析鉴定出427个热胁迫响应转录因子，其中12个核心转录因子在热胁迫应答中起关键作用。共表达网络分析显示，StPIF4与多个热响应基因形成共表达对。双荧光素酶实验证实StERF5能激活StGGCT1;2和StSAP5的转录，StRL1激活StFT，StKUA1激活StRD21B，StWRKY40激活StRALF。
StPIF4功能验证
实验证明StPIF4直接结合并激活StNPY1-1和StCCoAOMT的启动子。过表达StPIF4显著增强马铃薯耐热性，表现为离子渗漏率降低、Fv/Fm值升高、MDA含量减少。抗氧化酶活性检测显示，过表达株系的POD、SOD和CAT活性显著升高，而RNAi株系则相反。组织化学染色进一步证实StPIF4能减轻热胁迫诱导的活性氧积累和细胞死亡。
分子机制解析
研究发现StPIF4通过直接结合StHSFA2启动子中的E-box元件激活其转录。在常温条件下，StPIF4过表达株系中StHSFA2表达量上调，而RNAi株系中下调。热胁迫后，过表达株系中StHSFA2的诱导水平显著高于野生型。这表明StPIF4可能通过调控StHSFA2表达来增强马铃薯的热耐受性。
研究意义
该研究首次在单细胞分辨率下揭示了马铃薯叶片对热胁迫的响应机制，为理解作物细胞类型特异性胁迫适应提供了新视角，为马铃薯耐热育种提供了重要基因资源和理论依据。
