近日，中國農業科學院棉花研究所馬雄風研究員團隊成功構建了首個結合單細胞轉錄組、空間轉錄組及空間代謝組的棉花纖維起始發育圖譜。利用該圖譜，可以識別關鍵基因的表達模式及其與代謝途徑的關系，深入剖析纖維發育過程中的核心調控機制，為進一步改良纖維品質、提高纖維產量提供了新思路，為高品質棉花分子育種提供了重要理論支撐。相關研究成果于美國時間1月20日發表在國際期刊《自然通訊》上。
棉花是紡織工業的主要原料。棉花纖維是由種子外表皮表面的單細胞發育而來，在種子發育的早期階段大約25%的胚珠表皮細胞分化成棉絮纖維，并且要經歷四個不同的階段，即起始階段（開花后2至5天），伸長和初生壁形成階段（開花后3至20天），次生壁增厚階段（開花后16至40天）和纖維成熟階段（開花后40至50天）。前兩個階段決定了每個種子產生的纖維數量和長度，將直接影響到最終的棉花纖維產量；后兩個階段與細胞壁增厚相關，決定了纖維的強度和細度，將直接影響到最終的棉花纖維品質。然而，決定這些發育階段的調控機制仍然在很大程度上未知。因此，解析決定細胞發育命運及調控棉纖維起始和延伸的機制，將為提高棉花纖維產量和品質提供新途徑。
本研究以陸地棉標準系TM-1為研究材料，繪制了棉花纖維早期發育的單細胞轉錄組圖譜、空間轉錄組圖譜及空間代謝組圖譜，構建了一個多層次的棉花纖維起始發育的動態調控網絡，不僅能夠高分辨率捕捉纖維細胞發育過程中的基因表達模式，還能揭示與基因表達密切相關的代謝變化，填補了目前在纖維細胞發育研究中的技術空白。
該研究進一步通過多組學聯合分析，鑒定到一批調控纖維起始發育的關鍵基因，并選擇了其中的一些基因進行了功能驗證，發現BEE3 基因在調控纖維起始發育過程中發揮關鍵作用，超表達該基因可以顯著促進胚珠表皮細胞發育為纖維細胞。研究結果從單細胞水平全面解析了纖維起始發育過程中動態的調控網絡，為開展棉纖維發育研究提供了重要數據資源，為棉花精準育種提供了理論支撐。
