Nature Plants | 四川農業大學黃琳凱團隊構建以狼尾草為代表的草類植物單細胞調控研究平臺——scPlantReg

四川農業大學黃琳凱研究團隊聚焦狼尾草基因資源挖掘與育種利用，構建全球首個牧草（狼尾草）圖形泛基因組（Yan et al., 2023 Nature Gentics, 高被引論文)，并率先開展狼尾草單細胞轉錄組等前沿研究(Jin et al., 2025 New Phytologist, 高被引論文)。在此基礎上，近日該團隊聯合美國佐治亞大學和草業國家技術創新中心等單位聯合創建以狼尾草為主的植物單細胞染色質可及性分析平臺scPlantReg（Yan et al., 2026 Nature Plants)。該平臺整合了端到端分析框架與跨物種數據庫，為解析植物細胞類型特異性調控機制提供了全新工具，并收集并標準化分析已發表的單細胞染色質可及性數據，相關研究成果為牧草遺傳改良開辟了新思路，為跨物種分析單細胞染色質可及性研究提供了重要范式。

基因調控機制解析是植物改良的基礎，基因表達調控在植物生長發育、環境適應及農藝性狀形成中起核心作用。其主要通過順式調控元件（CREs）介導轉錄因子結合，決定基因表達的時空特異性，是分子育種的重要靶點。然而，CRE研究仍面臨細胞類型特異性強、傳統bulk測序難以解析單細胞調控動態，以及植物專屬分析工具與跨物種標準缺乏等限制。隨著植物scATAC-seq數據的快速積累，亟需構建標準化分析框架與整合資源，以解析調控網絡并挖掘育種靶點。

在scPlantReg平臺中，團隊構建Socrates2單細胞ATAC-seq分析框架（9個步驟+4個下游分析步驟），覆蓋數據預處理、質控、聚類及細胞類型注釋等關鍵流程，并結合標記基因法與機器學習工具ScATACtor提升注釋效率與準確性。

應用該框架分析狼尾草熱脅迫及不同組織scATAC-seq數據（圖1），從66,665個單細胞中鑒定出24萬余個開放染色質區域（ACRs），構建首個狼尾草單細胞開放染色質圖譜，并在不同細胞類型中發現約1.3萬個熱響應細胞類型特異ACRs。木質部細胞中WRKY基序顯著富集，結合EMSA與雙熒光素酶實驗驗證表明WRKY22可能參與木質部發育調控。

scPlantReg數據庫對8個植物物種scATAC-seq數據進行統一處理與標準化分析，覆蓋11個組織/發育階段，并提供7種在線分析工具?？缥锓N比較顯示，共享ACRs在禾本科中占主導，即使在細胞類型特異元件中亦然，表明存在保守核心調控元件庫。進一步分析發現，共享ACRs富集 AP2/EREBP 基序并關聯細胞壁生物合成，而細胞類型特異ACRs則保守富集 HDG1（表皮）與 ARF（葉肉）基序，揭示禾本科植物細胞調控程序的進化保守性。

圖1單細胞ATAC-seq分析框架的構建及其在狼尾草染色質可及性圖譜中的應用

a，單細胞ATAC-seq分析流程的構建；b-e，不同條件與發育階段下狼尾草葉片（7天齡、14天齡、三葉期）及根組織的單細胞染色質可及性圖譜（含7天齡葉片的熱脅迫處理與對照）；f，各細胞類型中熱脅迫與對照條件特異的部分染色質可及區域。

該平臺的推廣應用將加速非模式植物的調控組研究，尤其為狼尾草等具有重要農藝性狀的牧草提供改良靶點。scPlantReg的發布填補了植物專屬scATAC-seq分析工具的空白，為牧草遺傳改良提供了全新思路。未來，隨著更多植物物種的scATAC-seq數據納入，該平臺將成為植物生物學研究與牧草育種的核心資源。

四川農業大學草業科技學院嚴海東教授、靳雅榮特聘研究員、王成然博士、張新新青年研究員、賈紀原博士以及諾禾致源曹小芳為共同第一作者。四川農業大學草業科技學院黃琳凱教授、嚴海東教授，草業國家技術創新中心王召明，以及Bob Schmitz教授為共同通訊作者。四川農業大學信息工程學院劉濤教授和翟強教授亦參與了該研究并提供了重要支持。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41477-026-02289-6

scPlantReg：

http://scplantreg.com/home