近日，南京农业大学作物遗传与种质创新利用全国重点实验室/园艺学院萝卜遗传与种质创新利用团队在植物学领域知名期刊J. Integr. Plant Biol.发表了题为“Single-nucleus RNA sequencing reveals a key regulator RsHB8 affecting vascular cambium activity and xylem differentiation during radish taproot thickening”的研究论文。该研究首次构建了萝卜肉质根单细胞核转录图谱，发现RsHB8促进萝卜肉质根膨大和木质部发育，揭示了RsHB8与RsLBD21互作调控萝卜肉质根膨大的分子机制，为解析萝卜肉质根膨大性状形成的细胞分化规律与遗传调控机制提供了理论基础。
萝卜肉质根膨大主要依赖维管形成层的持续分裂和分化，并直接影响产量和商品价值。肉质根由多种细胞类型组成，不同细胞在发育过程中具有各自的基因表达特征与功能。传统组织水平的转录组分析难以区分这些差异，极大限制了对肉质根膨大过程中细胞分化及其调控机制的认识。因此，在单细胞分辨率下解析萝卜肉质根膨大过程中的细胞分化与基因表达特征，对于挖掘肉质根发育的关键调控因子具有重要的理论意义。
该研究通过对萝卜肉质根的形态学和细胞学特征进行分析，鉴定了3个关键发育时期，并开展苗期（5 DAS）、破肚期（15 DAS）和快速膨大期（20 DAS）单核RNA测序，获得36,075个高质量细胞核的转录信息。结合已知标记基因和激光捕获显微切割的组织特异转录组数据，鉴定了维管形成层、木质部薄壁细胞等12种细胞类型（图1）。
图1 单细胞核转录组揭示了萝卜肉质根的细胞异质性
利用拟时序分析解析了形成层细胞向木质部薄壁细胞过渡的转录变化路径，结合基因表达模块与预测的蛋白关联网络，筛选出候选调控因子RsHB8。表达分析与RNA原位杂交表明，RsHB8主要在维管形成层和木质部区域表达。过表达miR165/166抗性形式的RsHB8（RsHB8m）促进肉质根木质部分化，增加导管和木质部薄壁细胞数量，并提高肉质根根径；沉默RsHB8则导致肉质根根径和木质部宽度降低（图2）。
图2 RsHB8正向调控萝卜肉质根膨大和木质部发育
Y1H和双荧光素酶报告系统分析显示，RsHB8能够结合细胞壁重塑相关基因RsXTH22的启动子并激活其表达。此外，RsLBD21与RsHB8互作，抑制RsHB8的转录活性，并减弱RsHB8对RsXTH22的转录激活作用。进一步功能分析表明，沉默RsLBD21显著增加肉质根根径和木质部宽度，而沉默RsXTH22则产生相反表型（图3）。
图3 RsLBD21抑制RsHB8对RsXTH22启动子的转录激活
基于以上分析，该研究提出RsLBD21-RsHB8-RsXTH22模块介导萝卜肉质根木质部分化的模式图（图4）。RsHB8通过结合RsXTH22启动子促进其转录，通过正向调控木质部分化促进肉质根膨大；RsLBD21与RsHB8互作并抑制其转录激活活性，减弱RsHB8对RsXTH22的激活作用，从而维持肉质根发育过程中木质部分化的动态平衡。
图4 萝卜RsLBD21-RsHB8-RsXTH22模块介导肉质根木质部分化模式图
南京农业大学作物遗传与种质创新利用全国重点实验室/园艺学院柳李旺教授和王燕副教授为论文通信作者。扬州大学与南京农业大学联合培养博士生崔峰为论文第一作者，徐良教授和马银波博士参与了本项研究。本研究得到国家自然科学基金项目（32573040，32630095）、江苏省重点研发计划项目（BE2023366）、江苏省种业振兴“揭榜挂帅”项目【JBGS (2021)071】和江苏高校优势学科建设工程（PAPD）资助。
论文链接：https://www.jipb.net/EN/10.1111/jipb.70417
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