近日，中国农业科学院棉花研究所马雄风研究员团队成功构建了首个结合单细胞转录组、空间转录组及空间代谢组的棉花纤维起始发育图谱。利用该图谱可以识别关键基因的表达模式及其与代谢途径的关系，深入剖析纤维发育过程中的核心调控机制，为进一步改良纤维品质、提高纤维产量提供了新思路，为高品质棉花分子育种提供了重要理论支撑。相关研究成果以“The spatiotemporal transcriptome and metabolome landscapes of cotton fiber during initiation and early development ”为题发表在国际知名综合性期刊《自然通讯（Nature Communications）》（中科院一区TOP期刊，IF=14.7）上。

棉花是纺织工业的主要原料。棉花纤维是由种子外表皮表面的单细胞发育而来，在种子发育的早期阶段大约25%的胚珠表皮细胞分化成棉絮纤维，并且要经历四个不同的阶段，即起始阶段（开花后2至5天），伸长和初生壁形成阶段（开花后3至20天），次生壁增厚阶段（开花后16至40天）和纤维成熟阶段（开花后40至50天）。前两个阶段决定了每个种子产生的纤维数量和长度，将直接影响到最终的棉花纤维产量；后两个阶段与细胞壁增厚相关，决定了纤维的强度和细度，将直接影响最终的棉花纤维品质。然而，决定这些发育阶段的调控机制仍然在很大程度上未知。因此，解析决定细胞发育命运及调控棉纤维起始和延伸的机制将为提高棉花纤维产量和品质提供新途径。

该研究以陆地棉标准系TM-1为研究材料，绘制了棉花纤维早期发育的单细胞转录组图谱、空间转录组图谱及空间代谢组图谱，构建了一个多层次的棉花纤维起始发育的动态调控网络，不仅能够高分辨率捕捉纤维细胞发育过程中的基因表达模式，还能揭示与基因表达密切相关的代谢变化，填补了目前在纤维细胞发育研究中的技术空白。该研究进一步通过多组学联合分析，鉴定到一批调控纤维起始发育的关键基因，并选择了其中的一些基因进行了功能验证，发现BEE3基因在调控纤维起始发育过程中发挥关键作用，超表达该基因可以显著促进胚珠表皮细胞发育为纤维细胞；目前正在高衣分材料中棉113中对该基因的功能机制进行遗传解析，发掘优异等位变异，以期为高衣分棉花品种培育开发具有育种价值的分子标记。研究结果从单细胞水平全面解析了纤维起始发育过程中动态的调控网络，为开展棉纤维发育研究提供了重要数据资源，为棉花精准育种提供了理论支撑。棉花纤维起始发育过程中的单细胞组学数据和空间转录组数据已进行共享（网址https://cotton.cricaas.com.cn/ovule/）。

该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、棉花生物育种与综合利用国家重点实验室自主项目等资助。来自河南大学和中棉所的孙旭武、秦爱知、王星星、葛晓阳、刘祉辛、郭晨曦、于晓乐、张先亮和卢瑶为论文第一作者，中棉所棉花资源创新与育种课题组马雄风研究员为通讯作者。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-55869-z

棉花纤维起始发育单细胞组学图谱