PBJ | 简单湿实验+单细胞转录组+代谢组发表IF10+！杭师大陈涛团队解析向日葵杂种优势分子机制！
2025-11-11
中科新生命
5直播预告预约
关注“中科新生命蛋白代谢多组学“公众号，回复“农艺性状”获取直播间链接报名，11月5日 下午14:00《植物转录调控研究》，课程内容精彩纷呈，期待您的参与！
相比于组织匀浆的普通转录组（RNA-seq），单细胞转录组（scRNA-seq）可更深入细胞层面解析哪些细胞与基因参与农艺性状建成，如：获得组织中“过渡态”或“新稀有类型”的细胞、确定目标代谢物在哪些细胞中合成、遗传变异怎样映射到细胞，因此，植物单细胞转录研究逐渐呈热点态势，对湿实验要求较少，是近来冲击高分文章的“新技术”手段。
今天跟大家分享一篇利用“单细胞转录组+代谢组”研究向日葵杂种优势的分子机制文章。该文为2025年8月杭州师范大学陈涛课题组在Plant Biotechnology Journal期刊在线发表的题为“Parental Specific Expression by scRNA-Seq Reveals HaWRKY40 Contributing to Heterosis of Sunflower”的研究性论文。作者使用“组学数据分析+极少的湿实验”验证就拿到了IF：10+的成绩，一起来看看是怎么实现的？
研究背景
向日葵（Helianthus annuus L.）是全球范围内，仅次于玉米的第二大杂交作物，向日葵的杂种优势可显著提高其产量和抗逆性，现有的有关杂交优势的模型，如：显性模型、超显性模型、上位模型、基因平衡模型等均无法全面解释杂种优势的机制。与亲本相比，杂交经常导致后代在基因表达模式上发生显著变化，从基因转录水平阐明杂种优势的分子机制是一种有效的解决方案。
研究材料
杂交种2399F、亲本2399B、亲本2399R株系
研究思路
图1 向日葵杂种优势机制研究流程图
研究结果
1.表型指标观测，确认2399F具有明显的杂种优势用于后续组学研究
培育亲本和杂交种幼苗三周后，三种品系（2399F、2399B、2399R）均达到相似发育阶段。此时，杂交种（2399F）的叶长、叶宽、苗高、茎粗、盘经指标、株高均优于亲本。
图2 2399F、2399B、2399R幼苗相同发育时期的表型观测
2.叶肉组织单细胞转录组：“代谢重编程”相关细胞影响发育轨迹建立，与形成杂种优势有关
表型观测，叶片具有更佳的杂种优势表现。对三种品系的叶肉组织进行单细胞转录组检测：
2.1细胞图谱描述：三种品系叶片共获得27719个细胞，降维聚类后获得14个细胞簇，经marker基因鉴定最终得到7种细胞类型；
图3 叶肉细胞图谱描述
2.2新标记候选基因：细胞类型鉴定后，将每个簇中表达量最高的五个基因列为新的候选细胞标记基因；
图4 识别新的候选叶肉细胞标记基因
2.3细胞比例分析：亲本以叶肉细胞为主，其次为表皮细胞，而2399F呈现相反分布。由于叶肉细胞主要与光合速率有关，暗示2399F可能存在更高的光合效率（图5）。KEGG富集表明叶肉细胞内的差异基因主要在“代谢途径”、“蛋白质翻译途径”、“碳代谢途径”、“核糖体生物合成”途径有关。其中，与碳代谢相关的差异基因在2399F中转录活性激活。
图5 三种株系单细胞转录组细胞比例分析
图6 2399F叶肉细胞差异基因KEGG富集分析
2.4细胞轨迹分析：叶肉细胞发育轨迹上存在9种不同细胞状态，2399F叶肉细胞跨越所有时间分支，表明存在更广泛的发育可塑性。结合转录因子功能注释发现，与拟时间轨迹、分化状态、细胞命运相关的差异表达转录因子主要与“代谢调节和生物过程”，“刺激反应途径”相关。整体结果表明，代谢重编程严重影响发育轨迹的建立，可能放大细胞分化过程的可塑性。
图7 叶肉细胞拟时序分析
图8 获得拟时间轨迹、分化状态、细胞命运相关的差异表达转录因子
3.代谢组：相较于亲本，杂交种叶片存在代谢重编程
由于单细胞转录组数据指向代谢重编程是与杂种优势最相关的因素。对三个品系的叶片进行代谢组检测，发现杂交种和其亲本叶片存在明显不同的代谢特征。差异代谢物主要参与“半乳糖代谢”、 “丙酮酸代谢”、“脂肪酸合成代谢”、“海藻糖代谢”等多种代谢途径，与单细胞转录组结果一致。
图9 代谢组数据表明杂交种叶片存在代谢重编程
4.高杂合基因鉴定，判断杂种优势是否来源于代谢重编程
对2399F杂合SNP和indel位点的综合评估，筛选到1571个基因在细胞复制和分裂过程中存在很强的杂合性，被认定为高杂合基因（HHGs）该类基因，有6个转录因子为HHGs。叶肉细胞含有最高的HHG负荷。GO富集分析表明叶肉细胞中的HHGs主要参与核糖体生物合成、蛋白质翻译、能量代谢等过程。
图10 高杂合基因的鉴定及功能富集
5.构建关键转录因子（TFs）突变体，验证TFs对杂种优势的调节作用
对关键转录因子功能和表达特征深入剖析，HaWRKY40是影响叶肉细胞发育拟时间轨迹和杂合性维持的关键调节因子。以HaWRKY40为关键TFs进行湿实验验证。构建HaWRKY40突变体：HaWRKY402399B和HaWRKY402399R，突变体存在典型核定位（图11）。构建双过表达载体模拟细胞内杂合状态，发现所有OE系的叶片大小、根长、侧根数、鲜重和干重均优于对照（Col-0）。杂合双过表达系始终优于纯合转基因，显示出明显的杂合优势。表明HaWRKY40位点的等位基因相互作用有助于杂种优势表型。
图11 亚细胞定位发现HaWRKY40存在于细胞核发挥转录因子功能
图12 HaWRKY40过表达拟南芥株系存在杂种优势
小结
该研究建立了向日葵第一个全面的单细胞转录组图谱，在细胞和分子水平上提供了前所未有的杂种优势机制分辨率。多组学框架不仅推进了对杂种优势的基本理解，还为通过精准育种策略进行有针对性的作物改良提供了蓝图。
该文是从单细胞角度筛选到杂交种中叶肉细胞转录因子激活，进一步提高碳代谢、核糖体合成等相关代谢途径，发生代谢重塑，提升了叶肉细胞的光合速率使得杂交种表现出杂种优势。代谢重塑结果也在代谢组层面得到验证！
中科优品推荐
【中科新生命】自主研发的【P550植物高通量靶向次生代谢组】可一次对7大类（萜类、黄酮类、植物激素类、生物碱类、苯丙素类、酚类、花青素类）与农艺性状密切相关的次生代谢产物进行绝对定量。每个物质均一对一标品开发，采用代谢组MRM金标准数据采集和标准曲线定量模式，真正突破植物代谢物高通量检测瓶颈，获得次生代谢物的精准定性定量结果。
滑动图片查看更多>>>
关于中科新生命
上海中科新生命生物科技有限公司（APTBIO）创立于 2004 年，由原中国科学院上海生命科学研究院蛋白质组研究中心孵化而来，是国内质谱多组学应用领域的开拓者。公司以 “AI + 质谱多组学” 双核驱动创新，构建智能化组学生态。拥有自主知识产权的质谱检测平台与 AI 大数据分析系统，聚焦科技服务、生物医药及大健康消费三大领域，为全球科研机构、医院、药企提供从基础研究到临床转化的一站式解决方案。融合多组学技术与人工智能，围绕生物标志物发掘、药物靶点筛选及个性化诊疗等方向，构建具有国际竞争力的组学数据库与算法模型，推动转化医学进程，加速创新药物研发，成为推动生命科学数字化升级的核心引领者。
