植物根系能够感知热胁迫（HS），并相应地调整其结构，这一过程对作物产量有着重要影响。目前，热胁迫已被广泛视为全球农业生产的一大非生物限制因素。因此，研究植物根系的异质性及其针对热胁迫的特异性反应，对于提升作物的抗逆性显得尤为关键。

在2025年1月，中国农科院生物所普莉研究团队在《Nature Communications》上发表了题为《Single-cell transcriptomes reveal spatiotemporal heat stress response in maize roots》的研究，细致描绘了玉米根尖在热胁迫状态下的单细胞响应图谱，为深入理解植物热耐受性的细胞机制提供了新视角。

研究材料

本研究主要以热胁迫处理下的B73玉米幼苗根尖及正常对照组的玉米幼苗根尖为材料。

研究步骤

步骤1：构建高温胁迫条件下的玉米根系单细胞图谱，识别出9种细胞类型；
步骤2：筛选出对热胁迫有特异性反应的细胞类型；
步骤3：对小柱细胞和皮层细胞进行亚群划分及分化轨迹的推断；
步骤4：对单细胞层面热响应中的差异表达基因（DEGs）进行共表达模块分析，挖掘热胁迫抗性基因；
步骤5：比较玉米、水稻与拟南芥在热胁迫下反应的保守性；
步骤6：扩展玉米根系皮层，以增强其耐热性，为抗热胁迫育种提供新的靶点。

研究结果

1. 单细胞转录组图谱的构建： 在高温胁迫条件下，研究团队共获得35103个细胞并注释出9种细胞类型。Bulk-seq的结果与单细胞结果高度相关，而显微镜下观察到的四种细胞类型的比例与scRNA-seq数据一致。

2. 对热胁迫性反应的细胞类型： scRNA-seq数据显示，玉米根尖不同细胞类型对热胁迫的响应有所不同，一些细胞类型展示出共同的应激通路，而其他则有独特的反应特征，例如，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性。

3. 小柱细胞的亚型： 研究发现，玉米根部的小柱细胞对于重力感知和非生物应激反应至关重要。本研究识别出两种不同的小柱细胞亚型，并通过伪时间分析揭示了小柱发育过程中基因表达的动态变化。

4. 皮层细胞反应的关键性： 皮层细胞在热胁迫中的反应尤为显著，具有最多的差异基因。其亚群的细分揭示了两种皮层细胞的异质性，分别与植物的生理、发育及环境应激的反应相关，强调了皮层细胞在外部压力应对中的重要作用。

5. 基因共表达模块的分析： 研究对9种细胞类型的基因进行共表达网络分析，发现15个基因共表达模块，其中11个模块与对照组相关，10个模块与热胁迫相关，表明scRNA-seq能够通过共表达调控网络识别热胁迫抗性基因。

6. 不同植物根系对热胁迫反应的保守性： 比较玉米、水稻与拟南芥在正常生长条件下的scRNA-seq图谱，发现这些植物的根系在高温胁迫下热相关基因的表达存在重叠，为理解热相关过程的动态变化提供了重要的线索。

7. 玉米皮层扩大与耐热性的关系： 研究发现皮层的大小与热耐受性显著相关，并通过自交系和基因突变分析验证了ZmMAX1b突变体减少皮质大小、降低耐热性的重要性，进一步强调了皮层大小的关键角色。

总结

综上所述，研究者在单细胞分辨率下深入分析了热胁迫反应的基因、关键细胞分化轨迹及核心标记基因，全面理解了玉米根系应对热胁迫的机制。这为揭示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和基因资源。

[EVO视讯]致力于为生物医疗领域提供前沿的技术支持，涵盖的先进设备与平台如10x Genomics、Visium CytAssist等，将为您的研究提供一站式的单细胞空间多组学解决方案，助力高质量科研成果，欢迎联系我们以开展高水平的联合实验。