中国农科院“国家杰青”团队在Nature

摘要：近日，中国农业科学院棉花研究所李付广研究员团队，采用单细胞组学、空间转录组学和空间代谢组学相结合的方法，在单细胞水平上深入分析了棉花体细胞胚胎发生过程中体细胞多能性的获得及体细胞胚发育的调控网络，并确定了几个关键基因在调控体细胞胚发育中的作用。这项研究为理解棉

近日，中国农业科学院棉花研究所李付广研究员团队，采用单细胞组学、空间转录组学和空间代谢组学相结合的方法，在单细胞水平上深入分析了棉花体细胞胚胎发生过程中体细胞多能性的获得及体细胞胚发育的调控网络，并确定了几个关键基因在调控体细胞胚发育中的作用。这项研究为理解棉花细胞命运的变化、重塑以及合子胚的发展提供了新视角，对于改进棉花遗传转化系统和揭示合子胚发育的调控机制具有重要意义。研究成果以题为“Dissection of a cell atlas of developing somatic embryos in cotton by single-cell RNA-sequencing, spatial transcriptomic, and metabolomic analyses”的论文发表在国际知名期刊《自然通讯（Nature Communications）》（中科院一区TOP期刊，IF=14.7）上。

棉花作为一种关键的经济作物，建立高效的遗传转化系统对于加速其基因工程改良至关重要。棉花的遗传转化主要依赖于体细胞胚胎发生和种胚生长点干细胞这两种方式，二者均涉及到多能性干细胞的应用。因此，深入理解多能性干细胞的获得与发育过程对优化棉花的遗传转化体系具有重大意义。以往的研究更多关注在体细胞胚胎发生过程中组织细胞形态的变化以及相关Marker基因的功能解析，而缺乏从单细胞水平对体细胞胚胎发生中干细胞多能性的获得及体细胞胚发育调控网络进行全面系统的分析。

此次研究以高分化效率的陆地棉品种——中棉所24为对象，通过运用单细胞组学、空间转录组学和空间代谢组学技术，绘制了该品种愈伤组织、球形胚、鱼雷胚和子叶胚的空间转录图谱和空间代谢图谱，构建了一个多层次的棉花体细胞胚胎发生的动态调控网络。研究还鉴定出一批控制细胞多能性和体细胞胚发育的关键基因，并证实AATP1和DOX2基因在调控多能性的获得及体细胞胚发育方面发挥着重要作用。

鉴于取样困难，关于棉花合子胚发育调控网络的研究进展有限，但本研究发现棉花体细胞胚发育与合子胚发育过程高度相似，从而通过对体细胞胚发育调控网络的解析，为理解合子胚发育机制和改进棉花种子发育提供了理论支持。此外，为了便于观察调控体细胞胚胎发生的关键基因的时空表达模式，研究团队已将棉花体细胞胚发生的单细胞组学数据和空间转录组数据共享。

该研究得到了中国农业科学院科技创新工程基础科学研究中心任务、国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助。中棉所葛晓阳研究员、袁佳晨博士、王晔副研究员、陈艳丽博士、秦文强副研究员和河南大学的于晓乐博士、刘祉辛副教授、秦爱知博士为论文第一作者，中棉所分子遗传改良创新团队李付广研究员和河南大学孙旭武教授为共同通讯作者。