植物的根系能够感知热胁迫（HS）并相应地调整其结构，从而影响作物的生长及产量。目前，热胁迫被视为全球农业生产力最大挑战之一，其非生物性限制因素的影响尤为显著。因此，研究植物根部的异质性及其细胞类型对热胁迫的特异性反应，成为提升作物抗逆性的关键。2025年1月，中国农科院生物所的普莉研究团队在Nature Communications（IF 147）上发表了一项研究，题为“Single-cell transcriptomes reveal spatiotemporal heat stress response in maize roots”，描绘了玉米根尖对于热胁迫响应的单细胞水平图谱，为理解热耐受性的细胞机制提供了新视角。

研究材料与步骤

本研究以受热胁迫（42°C，2h）处理的B73玉米幼苗根尖及正常生长状态下的玉米幼苗根尖为材料，采用以下步骤进行研究：

1. 构建高温胁迫下玉米根系的单细胞图谱，获取9种细胞类型;
2. 筛选对热胁迫有特异性反应的细胞类型;
3. 对小柱细胞及皮层细胞进行亚群细分和分化轨迹推断;
4. 分析单细胞水平热响应中差异表达基因（DEGs）的共表达模块，挖掘抗热胁迫基因;
5. 比较玉米、水稻和拟南芥在热胁迫反应中的保守性;
6. 通过扩大玉米根系的皮层，增强其耐热性，为抗热胁迫育种提供新靶点。

研究结果

研究中取得了以下主要成果：

1. 玉米根系单细胞转录组图谱的构建

在对照组和热胁迫组中共获得35103个细胞，确认了9种不同的细胞类型。通过Bulk-seq与单细胞分析，发现两者的相关性较高，且在显微镜下观测到的四种细胞类型（柱状、小柱状、木质部和韧皮部）的比例与scRNA-seq数据一致。

2. 对热胁迫有特异性反应的细胞类型

研究揭示了玉米根尖内不同细胞类型对热胁迫的特异性反应，一些细胞类型展现出共同的应激反应路径，而其他则表现出独特的反应特点。例如，皮层细胞在热胁迫中展现出最多的差异表达基因（290 DEGs），说明其在热胁迫响应中扮演着关键角色。

3. 小柱细胞的亚型分析

小柱细胞在重力感知和非生物应激反应中是非常重要的。研究发现，这两种小柱细胞具有不同的基因表达谱，伪时间分析为其发育动态过程和状态转变的基因表达变更提供了深入见解。

4. 皮层细胞的重要性

皮层细胞在热胁迫响应中显得格外重要，且其亚群体现出明显的异质性。其中皮层细胞1富集了与植物生理和发育相关的基因，而皮层细胞2则与应对环境刺激和物理损伤的基因相关，展现了它们在抗逆境中的关键作用。

5. 热响应中的共表达模块分析

针对九种细胞类型进行基因共表达网络分析，解析出15个共表达模块。其中，11个模块与对照组相关，而10个模块则与热胁迫条件相关，从而揭示了scRNA-seq在识别热胁迫抗性基因方面的能力。

6. 不同植物对热胁迫响应的保守性

比较玉米、水稻和拟南芥根系在正常生长条件下的scRNA-seq图谱发现，高温胁迫下植物皮层的热相关基因存在一定程度的重叠，基因表达动态变化可能影响热响应过程。

7. 皮层大小与耐热性的关联

通过研究发现皮层大小与耐热性密切相关，ZmMAX1b突变体的实验结果表明，减少皮层大小会降低耐热性，进一步强调了皮层在热耐受性中的关键作用。

综上所述，研究者在单细胞分辨率下深入解析了热胁迫响应的基因、关键细胞分化轨迹与标记基因，帮助我们更好地理解玉米根系应对热胁迫的机制。此研究不仅为作物的细胞发育、分子机制及遗传改良提供了重要的基础数据和基因资源，同时也为加强抗逆性作物的培育提供了重要的线索和指标。

南宫28致力于提供先进的生物医疗解决方案，其中包括单细胞测序、空间多组学等技术，助力科研发展和技术创新。如果您有相关需求，欢迎联系我们，共同开展创新研究！