本文介绍了一项关于大豆的研究，中国科学院等机构成功绘制了首个国产大豆全生命周期器官发育的“时空图谱”，相关成果发表于国际权威期刊《分子植物》。该研究整合了多种技术，构建了大豆器官的“三维基因地图”，实现了大豆基因表达在发育阶段、细胞类型和空间定位的精准解析，为理解大豆发育提供了全新视角，对保障粮食安全具有重大战略意义。
随着全球粮食危机的威胁，大豆作为重要的蛋白质和油脂来源备受关注。借助分子设计育种技术可以加速大豆育种，但其复杂的器官发育机制一直是科学家的难题。
研究团队成功构建了国产大豆“时空图谱”，实现了大豆基因表达在发育阶段、细胞类型和空间定位的精准解析。创新整合了多种技术，如单细胞核转录组（snRNA-seq）和时空组学技术Stereo-seq，首次实现大豆器官的3D基因表达可视化。
该研究为理解大豆发育提供了前所未有的视角，鉴定出大豆各器官特异性表达的基因，以根瘤特异基因为例，揭示了调控根瘤发育的机制。同时，构建了器官发育全景图谱，为大豆叶片改良和豆科根尖发育提供了新线索和发育蓝图。这些发现对于提高大豆的固氮效率和育种设计具有潜在的应用价值。
相关转录组数据库已开放访问，提供基因表达查询、比较、空间定位可视化和3D器官模型探索等模块。这有助于科学家一键获取基因在大豆生命周期中的动态表达，加速功能验证和育种设计，推动全球合作。
研究团队由多个机构合作完成，包括中国科学院遗传发育所、华大生命科学研究院等。研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等多个项目的资助。
大豆，这颗被誉为“绿色黄金”的作物，既是人类重要的蛋白质和油脂来源，更承载着应对全球粮食危机的希望。借助分子设计育种技术，能够有效加速大豆育种，然而，其复杂的器官发育机制长期困扰着科学家。
近日，中国科学院遗传发育所携手华大生命科学研究院、崖州湾国家实验室和中国科学院基因组研究所等单位，
成功绘制了首个国产大豆的全生命周期器官发育“时空图谱”，相关成果发表于国际权威期刊《分子植物》
（
Molecular Plant
）
。该研究首次实现了大豆基因表达在发育阶段、细胞类型和空间定位的精准解析，为破解大豆器官发育机制提供了里程碑式资源。
Molecular Plant
官网截图
想象一下，如果把大豆的每个器官当成一座精密运作的工厂，那么基因就是流水线上的工人，而转录组图谱就是工厂的监控系统。传统研究往往只能看到工厂整体产量，而新技术则可以追踪每个工人的动态——哪个基因在根尖值班？哪些细胞在叶片中参与合成养分？本次研究不仅解答了这些问题，还为改造工厂提供了“操作手册”。
研究团队以国产大豆品种“中黄13”为研究对象，开创性地构建了“宏观-单细胞-空间”三级转录解析体系
：首先基于314份全器官样本的常规转录组（bulk RNA-seq）大数据，精准锁定器官发育阶段和关键器官的特征基因；继而运用单细胞核转录组（snRNA-seq）捕获5大功能器官（根、根瘤、茎尖、叶、茎）的细胞级表达图谱；最终通过时空组学技术Stereo-seq呈现基因表达的三维空间位置信息。
通过多维技术融合，首次实现大豆器官的3D基因表达可视化，堪称大豆界的“谷歌地图”
。
大豆器官发育的时空图谱
通过不同类型转录组数据的整合，
本项研究完整呈现了大豆基因表达的时空动态信息，为理解大豆发育提供了前所未有的视角
：
（1）鉴定出大豆各器官特异性表达的基因，并以根瘤特异基因为例，证实
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基因通过基因串联重复扩张，调控根瘤发育；
（2）构建器官发育全景图谱，以叶片发育为例，首次发现展开期叶片的转录特异性，并对其中关键的长链脂肪酸共表达模块进行了挖掘，为大豆叶片改良提供了新线索；
（3）构建了根尖空间3D转录图谱，揭示大豆根尖细胞分化的动态路径，为豆科根尖发育提供了发育蓝图；
（4）通过根瘤空间3D单细胞图谱解析根瘤器官的细胞异质性，揭示了根瘤共生基因的空间定位，为“根系-微生物”互作研究建立了细胞级时空坐标系。同时发现维管束特异性
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基因在根瘤早期发育中的决定性作用，为提升大豆共生固氮效率提供了新靶点。
大豆根瘤的3D空间单细胞图谱
相关转录组数据库已上线并开放访问（SoyOmics: https://ngdc.cncb.ac.cn/soyomics/index；SOTA: https://db.cngb.org/stomics/soybean/），提供基因表达查询、比较、空间定位可视化和3D器官模型探索等模块。
用户可通过交互式界面精准检索目标基因在发育阶段、特定器官及细胞类型中的表达特征，显著提升功能基因研究效率。
科学家可一键获取基因在大豆生命周期中的动态表达，加速功能验证和育种设计，推动全球合
作
。
大豆转录组开放数据库
文章共同第一作者、华大生命科学研究院助理研究员陈钏表示：“本次研究构建的时空图谱
完整揭示了大豆生长发育过程中基因表达的动态轨迹，
为解析大豆器官形成机制、挖掘关键发育调控基因提供了核心技术支撑
。相信这些成果将推动我国大豆科技向智慧育种新时代迈进，对保障粮食安全具有重大战略意义。”
未来，通过大豆基因图谱锁定关键基因，可定向改良大豆器官发育，例如增加根瘤固氮能力以减少化肥依赖，或优化叶片结构以提升光合产量……正如文章通讯作者田志喜研究员所言：“我们揭开了大豆发育的黑箱，但探索才刚开始。”
中国科学院遗传发育所博士后范敬伟、中国科学院遗传发育所/崖州湾国家实验室青年研究员申妍婷、华大生命科学研究院助理研究员陈钏和陈希为论文共同第一作者。中国科学院遗传发育所/崖州湾国家实验室田志喜研究员、华大生命科学研究院资深副院长刘心研究员、院长徐讯研究员和中国科学院遗传发育所/崖州湾国家实验室青年研究员申妍婷为论文共同通讯作者。
该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、泰山学者计划和科学探索奖项目的资助。
