植物的根系在遇到热胁迫（HS）时能够感知环境变化并调整其结构，从而影响作物的产量。近年来，热胁迫被广泛认为是全球农业生产中最严峻的非生物压力因素，因此研究植物根系的异质性及其不同细胞类型对于提高作物的抗逆性至关重要。

2025年1月，中国农科院生物所的普莉研究团队在《Nature Communications》(IF147)上发表了题为“Single-cell transcriptomes reveal spatiotemporal heat stress response in maize roots”的研究，系统描绘了玉米根尖在热胁迫下的单细胞响应图谱，为理解植物热耐受性的细胞机制提供了新的视角。

研究材料与方法

这项研究的材料主要是暴露于热胁迫的B73玉米幼苗根尖，与正常生长的玉米幼苗根尖进行对比。具体的研究步骤包括：

1. 构建高温胁迫下的玉米根系单细胞图谱，以识别9种不同的细胞类型；
2. 筛选对热胁迫具有特异性反应的细胞类型；
3. 分化与推断小柱细胞和皮层细胞的亚群及其发育轨迹；
4. 通过单细胞水平的差异表达基因（DEGs）共表达模块分析，挖掘与热胁迫相关的抗性基因；
5. 比较玉米、水稻与拟南芥在热胁迫下的响应特征以探讨其保守性；
6. 通过扩大玉米根系皮层来增强植物的耐热性，为抗热胁迫的育种研究提供新的靶点。

研究结果

研究主要取得了以下成果：

1. 建立了高温胁迫下的单细胞转录组图谱：通过对照组和热胁迫组（42°C，2h）获得了共35103个细胞，注释为9种细胞类型，显微镜下的细胞比例与scRNA-seq数据一致。
2. 揭示了特异性反应细胞类型：scRNA-seq数据表明，某些细胞在HS响应中表现出显著的差异表达，例如皮层细胞中发现了290个DEGs，表明其在应对热胁迫中扮演重要角色。
3. 小柱细胞的亚型分析：研究发现两种小柱细胞具有不同的基因表达谱，并通过伪时间分析揭示了小柱细胞的动态发育过程。
4. 皮层细胞的热休克反应解析：皮层细胞在热胁迫中的差异基因最为丰富，表明其在植物应对热胁迫过程中扮演关键角色。
5. 共表达模块分析：通过对9种细胞类型的基因共表达网络进行分析，识别了与热胁迫相关的gene co-expression modules，开启了对HS抗性基因的识别新方法。
6. 植物间热胁迫响应的保守性：比较玉米、水稻和拟南芥的根系scRNA-seq图谱发现，在高温胁迫下皮层热相关基因的表达存在重叠，这对于植物的热应答具有重要意义。
7. 皮层扩大的耐热性研究：研究表明，皮层大小与热耐受性密切相关，ZmMAX1b突变体的分析结果验证了皮层大小在耐热性中的关键作用。

综上所述，本研究在单细胞层面上深入分析了热胁迫响应的关键基因、细胞分化轨迹及核心标记基因，使我们对玉米根系应对热胁迫的机制有了更深入的理解。这些数据不仅为作物在热胁迫下的细胞发育和分子机制研究提供了重要支持，也为遗传改良提供了有价值的基因资源。

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