大麦（Hordeum vulgare）是全球第四大谷类作物，其颖果（即种子）是酿造、饲料及粮食加工的重要原料，同时也是研究淀粉积累型种子发育与生理过程的经典模型。从受精后胚乳与胚的分化，到成熟休眠，再到萌发启动后储藏物质动员，种子经历了一系列高度协调的细胞分化、代谢重编程和基因表达变化。然而，传统的整体组织转录组分析（bulk RNA-seq）将种子视为均质样本，无法区分不同组织（如胚、胚乳、糊粉层、种皮）乃至同一组织不同空间区域的基因表达差异，极大地限制了人们对种子发育与萌发过程中空间异质性调控机制的理解。
近日，生命科学学院James Whelan院士团队与澳大利亚La Trobe大学Mathew G.Lewsey教授团队在国际植物学顶级期刊The Plant Cell发表了题为“A four-dimensional spatial transcriptome atlas of barley caryopsis development and germination”的研究论文。该研究利用空间转录组技术，结合连续切片与时间序列取样，首次系统构建了大麦颖果在发育与萌发过程中的四维（三维空间+时间）时空转录组图谱。该图谱揭示了不同组织区域及亚区之间高度异质的转录组特征，为解析谷物种子发育与萌发的时空调控机制提供了全新的数据资源和理论框架。
研究团队联合应用空间转录组学（spatial transcriptomics）与连续切片技术，对大麦颖果的多个连续切片进行高通量基因表达检测，并在三维物理空间中对转录本丰度进行重构。同时，研究纳入从发育早期至萌发完成的全时间序列，最终形成四维表达图谱。该图谱可以区分糊粉层、胚乳传导区、胚乳储藏区、胚及种皮等精细结构。
基于该图谱，团队进一步对糊粉层这一关键组织进行了发育至萌发的连续轨迹分析，系统绘制了其在不同阶段的分子事件动态，并鉴定出一批具有空间特异性的转录因子，这些因子可能在种子成熟与萌发过程中发挥重要调控作用。
研究发现，参与淀粉合成与降解、糖转运、线粒体与质体功能等能量代谢相关基因，在空间分布上呈现出高度的组织区域特异性；同一组织内部的不同亚区之间也存在显著差异。相比之下，肌动蛋白、微管蛋白等典型管家基因则在全组织范围内呈现均一表达模式，说明观测到的空间异质性具有生物学特异性，而非技术伪影。此外，将多个基因的表达模式与前人在不同大麦品种中的原位杂交或组织特异性表达数据进行比对，验证了该图谱的可靠性。
为便于全球科研人员使用该数据资源，研究团队搭建了公开的可视化浏览平台（https://barley-4d.latrobe.edu.au或https://barley-4d-gene-atlas.hutton.ac.uk/），支持用户在线查询和展示二维及三维转录丰度图谱，为后续功能基因组学研究提供了开放、便捷的数据基础设施。
浙江大学生命科学学院为论文第一作者单位。Marta Peirats-Llobet博士为论文第一作者，浙江大学生命科学学院James Whelan院士与澳大利亚La Trobe大学Mathew G. Lewsey教授为共同通讯作者。生命科学学院寿惠霞教授、贺存满研究员、朱艳乔博士等共同参与本研究。
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