棉花是我国重要的经济作物，是纤维纺织不可替代的原材料。此外，棉籽是食用蛋白质（23%）和食用油（21%）的极佳来源，富含营养和不饱和脂肪酸。按照全球棉花年产量估算，每年的棉籽产量可满足全球5亿人对可食用蛋白质的需求。然而，棉花种子中色素腺体的存在，极大的限制了棉花的综合利用。色素腺体是棉属植物特有的一种溶生腔结构，在腔体中储存了大量次生代谢物包括棉酚及相关萜类化合物。棉酚及其衍生物是棉株抵御病虫危害的重要次生代谢物，但由于其对人和单胃动物具有毒性，限制了人们对棉籽的利用。解析棉花色素腺体形成机制，对培育低酚棉新品种、提高棉花综合利用价值具有重要的意义。
近日，Plant Biotechnology Journal在线发表了河南大学棉花生物学国家重点实验室/省部共建作物逆境适应与改良国家重点实验室宋纯鹏教授团队题为“Single-cell transcriptome atlas identified novel regulators for pigment gland morphogenesis in cotton”的研究论文。该研究报道了有腺体棉和无腺体棉子叶单细胞转录图谱，揭示了色素腺细胞分化的启动与关键基因的在腺体细胞的特异性表达高度相关。
该研究以有腺体棉和无腺体棉的子叶为材料，分离了两个棉种的原生质体，进行10×Genomics单细胞转录组测序。9186个捕获的单细胞被分成了9个细胞类群。根据细胞类群相关Marker基因的表达，9个细胞类群分别被鉴定为海绵细胞、栅栏细胞、表皮细胞、原初细胞、保卫细胞、薄壁细胞、木质部细胞、韧皮部细胞和腺体细胞。其中色素腺体细胞群显著区别于其它细胞群，只存在于有腺体棉种的子叶细胞中（图1）。拟时分析表明原初细胞起源早于腺体细胞，暗示腺体细胞可能由原初细胞发育而来。
为了分析棉花腺体细胞发育的转录调控机制，作者分析了每个细胞群里优势表达的差异基因。共有1430个基因在腺体细胞群中优势表达，包括调控腺体发育的关键基因GoPGF、调控叶肉腺体细胞发育的基因GhERF105和其他一些功能未知的转录因子。qPCR和RNA原位杂交显示GoPGF、JUB1、MYB14等转录因子在腺体细胞高量表达，在非腺体细胞低表达或无表达。作者利用proGoPGF:GUS的棉花转基因材料的GUS染色证明了GoPGF特异存在于腺体细胞中。这也是首次利用GUS染色系统证明GoPGF的表达特异性。此外，作者鉴定到一个调控色素腺体发育和棉酚积累的基因JUB1，JUB1可能处于GoPGF的下游来发挥调控功能。
该研究利用单细胞测序技术绘制了有腺体棉和无腺体棉子叶单细胞转录图谱，发现色素腺体发育与关键基因的特异性表达密切相关，揭示了棉花色素腺体发育过程中的转录调控网络和分子调控机制。此研究为腺体细胞研究提供了重要的marker基因，为色素腺体形态发育调控机制研究和无腺体材料创制、低酚棉育种提供参考依据。
河南大学宋纯鹏/高巍团队近年来在棉花腺体发育调控中取得了一系列进展，揭示了腺体发育和腺体物质代谢调控机制。河南大学副教授龙璐为该论文第一作者，河南大学宋纯鹏教授和高巍教授为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、河南大学双一流建设经费的资助。
