大豆（Glycine max [L.] Merr.）是我国重要的粮油饲兼用作物，种子大小与油脂含量是决定大豆产量与品质的核心农艺性状。源-库间碳分配效率直接调控光合产物向种子的转运与积累，解析种子碳分配的分子调控机制，对大豆高产优质育种具有重要价值。然而当前多数大豆种子转录组研究基于全种子混合组织测序，难以区分种子内部复杂的空间结构与细胞异质性，无法精细刻画碳代谢、同化物转运的时空调控特征，制约了大豆产量形成关键基因靶点的发掘。   

近日，中国科学院昆明植物研究所徐伟与伊廷双研究团队利用高分辨率时空转录组技术，以栽培大豆 Williams 82为材料，对球形胚、心形胚、子叶胚发育阶段的种子开展解析，完成种子细胞类型的系统鉴定。研究识别出17种细胞类型，挖掘得到249个细胞类型标记基因，并鉴别到位于种皮韧皮部区域的C0、C8细胞簇，表明这一区域是蔗糖转运与代谢的核心功能位点（图 1）。团队系统解析了SUS、INV、STP、SWEET、SUC等糖代谢与转运相关家族基因的表达特征，发现这类糖通路基因呈现明显的细胞类型偏好性，且表达模式随种子发育阶段发生动态变化。

图1 大豆早期种子高分辨率时空转录组构建和细胞类型鉴别

研究重点解析了种子韧皮部特异表达的细胞壁蔗糖转化酶基因GmCWINV4的生物学功能。已有研究表明，CWINV家族基因在调控碳分配和作物产量性状中发挥关键作用，是决定库强的核心组分。空间转录组数据结合 RNA原位杂交结果共同证实，GmCWINV4特异性在韧皮部细胞（C0细胞簇）中表达。烟草叶片瞬时表达实验表明，GmCWINV4蛋白定位于细胞壁，具备蔗糖水解活性，能够将蔗糖分解为葡萄糖和果糖。在大豆体内过表达GmCWINV4，可显著增大种子体积、提高百粒重，并提升种子油脂和糖的积累水平（图2）。种子组织切片结果进一步揭示，GmCWINV4过表达株系种子增大，主要源于子叶细胞体积扩张（图2）。单倍型分析结果显示，大豆驯化过程中GmCWINV4的单倍型频率发生显著分化：单倍型H_Ⅰ在地方品种与改良栽培品种中占绝对优势，携带该单倍型的材料种子含油量最高、蛋白质含量偏低；同时，与野生大豆（G. soja）相比，GmCWINV4在栽培大豆发育种子中的表达水平显著升高。

图2 GmCWINV4的过表达显著增加大豆种子的大小/重量和油脂含量

为解析GmCWINV4时空特异性表达的调控机制，团队利用大豆种子酵母单杂交文库，成功筛选到两个锌指同源结构域（ZF-HD）转录因子GmZF-HD27与GmZF-HD36。结合酵母单杂交、双荧光素酶报告实验和电泳迁移率变动分析（EMSA），GmZF-HD27和GmZF-HD36能够识别并结合GmCWINV4启动子区域的 “ATTA” 顺式作用元件，直接激活GmCWINV4转录。该研究还发现，蔗糖可作为上游信号分子诱导GmZF-HD36表达（图 3）。

图3 大豆GmZF‑HD-GmCWINV4模块调控种子碳分配与大小的工作模型

综上，该研究构建了高分辨率大豆种子发育的时空转录组数据集，揭示了ZF-HD–GmCWINV4模块在调控种子韧皮部蔗糖代谢和种子产量性状中的重要作用。研究结果不仅为理解大豆种子空间尺度源库调控机制提供了新的认识，也为高油高产大豆的遗传改良提供了理论依据与育种靶点。

以上研究结果以Spatiotemporal Transcriptomics Reveals That a ZF-HD–GmCWINV4 Module Controls Carbon Partitioning and Seed Size in Soybean为题发表在国际著名期刊Plant Biotechnology Journal上。中国科学院昆明植物研究所吴迪博士后（已出站）和中国科学院大学硕士研究生丁怡然为论文共同第一作者，中国科学院昆明植物研究所徐伟研究员、伊廷双研究员和阳天泉副研究员为共同通讯作者。中国科学院大学硕士研究生陶阳、博士研究生傅晓意，中国科学院昆明植物研究所韩冰副研究员、宋娟助理研究员参与该工作。该研究得到云南省基础研究计划－重大项目、云南省基础研究专项－面上项目、云岭学者人才配套支持以及中国西南野生生物种质资源库等的支持。

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