近日，中国农业大学宋任涛教授团队在国际知名期刊Nature Communications《自然·通讯》上在线发表了题为“Decoding the gene regulatory network of endosperm differentiation in maize”的研究成果。这标志着首次在作物胚乳中实现了单细胞分辨率的转录组和基因调控网络解析，为作物产量和品质育种提供了重要的研究资源。
胚乳占禾谷类作物种子的绝大部分，是人类和动物的重要食物来源。与其它作物相比，玉米胚乳具有更大的体积和更多的细胞类型，是经典的遗传和分子发育生物学研究模型。早期研究发现，授粉后6-7天是玉米胚乳细胞早期分化发育的关键时间窗口。在这一时期，胚乳细胞分化形成主要的细胞类型，为随后的细胞增殖和营养储藏物填充规划了蓝图。尽管已有详细的形态学描述，但由于技术限制，目前不仅缺少更高精度的基因表达图谱，也缺乏更全面的基因转录调控网络研究。因此，对胚乳细胞分化和命运决定的分子调控机制仍不清楚。
该研究通过获取授粉后6-7天的17,022个玉米胚乳细胞的转录组数据，鉴定到12个细胞群，分别对应5种胚乳细胞类型，在分子水平详细揭示了玉米胚乳细胞复杂的异质性。同时，这些数据还描绘了授粉后6-7天时间窗口中不同类型胚乳细胞的基因表达的动态变化。
此外，研究团队还运用改进的ampDAP-seq技术，对161个转录因子的全基因组DNA结合位点进行鉴定，形成了目前玉米中最大的转录因子结合位点数据集。通过整合单细胞转录组数据与转录因子DNA结合位点信息，构建了高可靠度的胚乳基因调控网络，包含181个转录因子及其高置信度靶标基因组成的调控单元（regulon）。进一步通过该网络，成功预测并实验验证了多个细胞类型特异的关键调控因子，为改造玉米粒重等育种应用提供了重要的线索。
这些结果为在单细胞水平深入理解作物胚乳细胞的发育和功能提供了框架性的数据。将成为相关研究领域的宝贵资源，为持续改善玉米的产量和品质提供有力支持（https://www.maize-endosperm.cn/）。
该研究由中国农业大学农学院、国家玉米改良中心、玉米生物育种全国重点实验室、分子设计育种前沿科学中心、三亚研究院宋任涛教授团队完成。博士后袁跃和博士研究生霍强为共同第一作者，马泽阳副教授和宋任涛教授为共同通讯作者。研究得到了国家自然科学基金，中国农业大学分子设计育种前沿科学中心，中国农业大学2115人才培育发展计划，三亚崖州湾科技城管理局和崖州湾种子实验室的支持。