植物根系能够感知热胁迫（HS）并对其结构进行相应调整，从而影响作物的产量。当前，热胁迫已被认为是全球农业生产力面临的重要非生物限制因素。因此，研究植物根系的异质性及其不同细胞类型对热胁迫的特异性反应，对于提升作物的抗逆性至关重要。

2025年1月，中国农业科学院生物研究所的普莉研究团队在《Nature Communications》期刊上发表了题为“Single-cell transcriptomes reveal spatiotemporal heat stress response in maize roots”的研究，描绘了玉米根尖在热胁迫下的单细胞反应图谱，为揭示细胞热耐受机制提供了新视角。

研究材料与步骤

本研究的材料为在热胁迫下的B73玉米幼苗根尖以及正常生长的玉米幼苗根尖。研究步骤包括：

1. 构建高温胁迫条件下的玉米根系单细胞图谱，识别9种细胞类型；
2. 筛选出对热胁迫具有特异性反应的细胞类型；
3. 小柱细胞及皮层细胞的亚群细分与分化轨迹推断；
4. 进行单细胞水平的热应答相关基因的共表达模块分析，挖掘热胁迫抗性基因；
5. 比较玉米、水稻与拟南芥在热胁迫中的反应保守性；
6. 通过扩大玉米根系皮层，提升其耐热性，为抗热胁迫育种提供新靶点。

研究结果

在该研究中，研究者成功构建了高温胁迫条件下玉米根系单细胞转录组图谱，分析得到了35103个细胞，并注释出9种不同细胞类型。与传统的Bulk-seq结果相对比，单细胞结果显示出较高的相关性，这为进一步的分析奠定了基础。

在对热胁迫反应的细胞类型中，研究团队发现皮层细胞表现出最多的差异表达基因（290个DEGs），突显了其在应对热胁迫中的重要角色。同时，研究揭示了玉米根部小柱细胞的不同亚型，其中每种亚型表达不同的基因谱，提示其在非生物胁迫中的关键作用。

具体而言，皮层细胞被细分为两种亚型，其中皮层细胞1富集与植物发育相关的基因，反映出其对玉米发育功能的贡献。而皮层细胞2则富集与环境应激和物理损伤反应相关的基因，强调了其在应对外部压力中的关键作用。

热胁迫反应的共表达网络分析

通过对9种细胞类型的基因进行共表达网络分析，研究者从中识别出15个共表达模块，其中有关11个模块与控制组（CK）相关，而10个模块与热胁迫显著关联。这一发现为识别抗热性基因提供了新的路径。

在比较不同植物的根系对热胁迫的响应时，研究者发现玉米、水稻和拟南芥在热相关基因的表达上存在一定重叠，表明不同植物在热胁迫下的反应具有一定的保守性。

成果总结

综上所述，研究人员在单细胞分辨率的层面上深入解析了热胁迫应答基因、关键细胞分化轨迹和标记基因，极大地推动了对玉米根系应对热胁迫机制的研究。这为未来作物在热胁迫下的细胞发育、分子机制及遗传改良提供了重要的数据支持及基因资源。

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