2026年1月，德国杜塞尔多夫海因里希·海涅大学的Rüdiger Simon团队在Nature Plants发表题为Imputation integrates single-cell and spatial gene expression data to resolve transcriptional networks in barley shoot meristem development的论文，该研究开发了一种创新的插补算法，通过整合单细胞转录组与空间基因表达数据，构建了大麦茎尖分生组织发育的细胞分辨率全转录组图谱，并搭建了在线数据库 BARVISTA。进一步借助“分子表型”分析，研究揭示了复杂突变体的发育缺陷，为深入解析植物发育过程中的基因调控网络提供了强大工具。
首个高分辨率的大麦分生组织单细胞转录组图谱
研究团队使用单细胞RNA测序技术分析了大麦茎尖分生组织和幼穗，获得了超过16,000个细胞的转录组数据。通过降维聚类分析，细胞被划分为27个亚群，归类为维管组织、原套、原体和分裂细胞等四大类。每个类群和亚群都鉴定了特异性标记基因，如HvHDZIV8和HvKN1。这一图谱为后续细胞发育轨迹追踪和基因功能解析提供了坚实的基础。
两项创新：插补算法和BARVISTA平台
该研究开发了一种插补算法，能够将单细胞和空间基因表达数据整合。通过单分子荧光原位杂交技术，研究团队量化了86个标记基因的空间表达数据，并将其作为定位锚点，通过余弦相似度算法匹配相似的单细胞数据。该方法成功将单细胞表达信息投射到组织切片上，生成了虚拟原位转录组图谱，并通过BARVISTA平台为用户提供了直观的查询和分析工具。
原基起始的基因调控程序
借助BARVISTA平台，研究团队揭示了器官原基起始的基因调控程序。在叶或小穗的创始细胞中，维持分生组织干性的HvKN1 mRNA先于形态变化被特异性耗竭，成为原基特化的最早标志。而在新形成的原基顶端，一小群L1层细胞重新共表达HvKN1和细胞分裂素合成基因HvLOG1，暗示可能存在局部正反馈环路以建立新的生长中心。同时，创始细胞群内呈现极性分化：远轴面表达HvCRC标记受抑制苞片，近轴面则由VRS4和COM1依次表达，在转录层面预先决定了小穗分生组织的身份与模式。
拟时序分析重构花器官发育的基因调控轨迹
研究团队对原体细胞亚群进行了拟时序分析，重构了从小穗分生组织到花器官的发育轨迹。在拟时序分析重构的虚拟时间轴上，一系列MADS-box转录因子基因呈现出清晰的波浪式接力表达模式。这些基因在不同的关键节点被依次激活，精确界定了从MADS-box基因在花部轮层身份中的作用，从而为禾本科植物的“ABCDE花发育模型”提供了单细胞级分子证据。
"分子表型"鉴定助力复杂突变体的精准解析
该方法可对复杂突变体进行单细胞水平的“分子表型”鉴定。研究利用BARVISTA平台，对大麦com1a;com2g双突变体进行了“分子表型”鉴定，其突变体花序呈现无限分枝且无法形成正常小穗。在分析过程中，研究人员为不同发育阶段定义了由少数基因组合构成的“基因表达条形码”。结果显示，野生型小穗分生组织逐步获得花分生组织“条形码”，而突变体相应结构始终维持无限生长的穗顶分生组织“条形码”，无法完成身份转变，从转录层面揭示了其发育缺陷的分子根源。
该研究通过开发BARVISTA平台和创新的插补算法，为大麦茎尖分生组织的发育过程提供了全新的空间-单细胞转录组数据整合方法，并揭示了器官原基起始、花器官发育的基因调控轨迹，为复杂突变体的“分子表型”分析提供了新工具，为未来的植物基因调控研究提供了强大的技术支持和理论基础。
