近日，北京大學現代農業研究院研究團隊在Genome Biology發表題為Spatiotemporal transcriptomics reveals key gene regulation for grain yield and quality in wheat的研究論文。該研究將空間轉錄組技術應用于小麥籽粒發育研究，根據基因表達和位置信息詳細劃分細胞功能亞群，揭示了小麥籽粒發育過程的空間轉錄特征，繪制了首個小麥籽粒三維基因表達圖譜。

小麥（Triticum aestivum L.）是全球三大主糧作物之一，種植面積約2.3億公頃，其產量提升對保障全球糧食安全與營養供給至關重要。小麥籽粒主要由三部分組成：二倍體胚、三倍體胚乳及果皮（種皮）。這些組織在發育過程中表現出顯著的基因表達時空特異性，形成功能分化的區室化結構。盡管這些組織在細胞類型和生理功能上存在明顯差異，但它們通過協同調控構建了獨特的籽粒發育微環境，共同決定籽粒的最終表型。然而，目前對籽粒細胞類型的認知仍主要依賴于形態學觀察和少量標記基因的表達分析，常規轉錄組數據因缺乏空間分辨率，極大限制了對籽粒發育調控機制的深入解析及關鍵功能基因的挖掘。

為系統解析小麥籽粒發育的分子機制，本研究采用時空轉錄組學技術，構建了籽粒在發育早期4 DAP、8 DAP和12 DAP的高分辨率基因表達圖譜，實現了近8萬個基因的空間表達可視化，并鑒定了10個特征明確的細胞亞群及190個籽粒特異性標記基因。研究發現，不同組織特異性基因（尤其是轉錄因子）呈現動態表達模式。通過共表達網絡和順式調控元件分析，鑒定到一個關鍵調控因子——轉錄因子TaABI3-B1，其在胚胎及胚乳周圍組織中特異性表達，并負向調控胚胎和籽粒大小。進一步利用等位基因變異體和轉基因材料驗證了TaABI3-B1在胚胎和胚乳發育中的關鍵作用。本研究不僅為小麥籽粒發育提供了全面的時空轉錄組資源，還揭示了調控籽粒大小的新機制，為小麥分子設計育種和產量提升提供了重要理論依據。

圖1. 小麥籽粒空間轉錄組分析流程

北京大學現代農業研究院/濰坊現代農業山東省實驗室陳苑研究員和韓雪研究員為本文共同通訊作者，北京大學現代農業研究院和西北農林科技大學的聯合培養博士生李曉慧為本文的第一作者。北京大學現代農業研究院和山東農業大學的聯培博士生萬夷曼，山東農業大學李興國教授，吳佳潔教授，中國科學院遺傳發育所研究員肖軍，助理研究員王冬至，西北農林科技大學陳坤明教授也參與了合作。本研究得到山東省重點研發計劃，泰山學者計劃和山東省自然科學基金的資助。北京大學現代農業研究院/濰坊現代農業山東省實驗室為論文第一單位。

https://doi.org/10.1186/s13059-025-03569-8