科學家破解大豆發育“基因密碼”助力精準分子育種

大豆是人類與家畜植物性蛋白質和油的重要來源。目前，利用分子設計育種策略加速大豆育種頗為重要，而揭示關鍵基因和大豆器官發育的調控網絡則對分子設計育種至關重要。

中國科學院遺傳與發育生物學研究所田志喜研究團隊與合作者，開創性地構建了宏觀-單細胞-空間三級轉錄解析體系。研究基于314份全器官樣本的Bulk RNA-seq大數據，鎖定器官發育階段和關鍵器官的特征基因；繼而運用snRNA-seq捕獲根、根瘤、莖尖、葉、莖五大功能器官的細胞級表達圖譜；最終通過Stereo-seq呈現基因表達的3D空間位置信息，實現大豆器官的3D基因表達可視化。

該研究整合了不同類型轉錄組數據，完整呈現了大豆基因表達的時空動態信息，為探討大豆發育提供了新視角。研究鑒定出大豆各器官特異性表達的基因，并以根瘤特異基因為例，證實GmPMTs通過基因串聯重復擴張，調控根瘤發育；構建器官發育全景圖譜，以葉片發育為例，發現展開期葉片的轉錄特異性，并挖掘關鍵的長鏈脂肪酸共表達模塊，為大豆葉片改良提供新線索；構建根尖空間3D轉錄圖譜，揭示大豆根尖細胞分化的動態路徑，為豆科根尖發育提供發育藍圖；通過根瘤空間3D單細胞圖譜解析根瘤器官的細胞異質性，揭示根瘤共生基因的空間定位，為根系-微生物互作研究建立細胞級時空坐標系。同時，研究發現，維管束特異性GmHBs基因在根瘤早期發育中的決定性作用，為提升大豆共生固氮效率提供了新靶點。

該研究相關的轉錄組數據庫SoyOmics Transcriptome Atlas（https://ngdc.cncb.ac.cn/soyomics/index）和SOTA（https://db.cngb.org/stomics/soybean/）已上線并開放訪問，可以提供基因表達查詢、比較、空間定位可視化等模塊。用戶可通過交互式界面檢索目標基因在發育階段、特定器官和細胞類型中的表達特征，以提升功能基因研究效率。

這一研究構建的“時空圖譜”揭示了大豆生長發育過程中基因表達的動態軌跡，為解析大豆器官形成機制、挖掘關鍵發育調控基因提供了技術支撐。

2月18日，相關研究成果以A large-scale integrated transcriptomic atlas for soybean organ development為題，發表在《分子植物》（Molecular Plant）上。研究工作得到國家自然科學基金和國家重點研發計劃等的支持。該工作由遺傳發育所、崖州灣國家實驗室、中國科學院北京基因組研究所等單位合作完成。