大豆作为一种重要的作物，是人类和家畜植物性蛋白质和油的重要来源。随着全球需求的不断增长，预计到2050年大豆的产量需要比2015年翻一番，利用分子设计育种策略加速大豆育种至关重要。其中揭示关键基因和大豆器官发育的调控网络对于分子设计育种至关重要。中国科学院遗传与发育生物学研究所田志喜研究团队联合合作者开创性地构建了"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snRNA-seq捕获五大功能器官（根、根瘤、茎尖、叶、茎）的细胞级表达图谱；最终通过Stereo-seq呈现基因表达的3D空间位置信息，首次实现大豆器官的3D基因表达可视化。

通过不同类型转录组数据的整合，该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GmPMTs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GmHBs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。

图1 大豆器官发育的转录组图谱

    相关转录组数据库SoyOmics Transcriptome Atlas和SOTA: Soybean Organ Transcriptomic Atlas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。

图2 大豆根尖的3D空间单细胞图谱

本研究构建的"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。对推动我国大豆科技向智慧育种新时代迈进，对保障国家粮食安全具有重大战略意义。

图3 大豆根瘤的3D空间单细胞图谱

相关研究由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协同攻关完成，研究成果于2025年2月18日在Molecular Plant上发表，题为“A large-scale integrated transcriptomic atlas for soybean organ development”。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。