国内首篇!10x Genomics 植物空间转录组文章已上线!

近年来,空间技术可谓是科研界的新宠,而10x Genomcs的空间转录组技术也是走在科研的前列。通过空间组学技术,可以弥补单细胞测序没有空间位置信息的缺憾,在组织原位检测细胞的基因表达及相互作用,深入探索组织微环境的变化与生长发育以及病变的关系。就在最近,国内首篇植物10x Visium空间转录组文章也已经上线了!复旦大学戚继团队联合江西农大国春策团队利用10x Genomics的空间转录组技术,揭示了兰花器官起始和发育中基因调控的时空动态变化,真是可喜可贺!

文章题目:A spatiotemporal atlas of organogenesis in the development of orchid flowers

发表期刊:Nucleic acids research

发表时间:2022年9月12日

影响因子:IF=19.160

 

文章摘要

 

花器官的发育具有复杂的分子调控机制,基因在不同组织和发育阶段行使特异且精确的功能,调控了花原基的起始、身份决定、形态发生和成熟等一系列过程。空间转录组技术的出现使得基因表达丰度的空间定量测量成为可能,为关联花发育的复杂网络与全基因组分子表型搭建了桥梁。研究团队首次将10x Visium技术应用于研究兰科植物蝴蝶兰(Phalaenopsis Big Chili)的花器官发生与发育过程。通过分析数以千计的花发育关键基因的高分辨率空间表达模式,发现了兰花早期发育的多种细胞类型,包括花序分生组织、花原基、多种花器官原基和多种分生组织。其中花器官基部的分生组织细胞在器官起始后的多个发育阶段持续发挥功能。借助10x Visium的分辨率,该研究在合蕊柱组织中发现了早期发育时期的花药,B类MADS-box基因的表达水平形成从单点原基到周围细胞的梯度变化,并与后续发育时期多种细胞类型联合构建了详细的分化轨迹。该研究为理解花器官发生以及特定细胞类型的基因组学和遗传学研究提供了分子层面的信息。

 

研究结果

 

1.兰花器官早期发育的空间转录组测序和细胞类型识别

兰科具有高度的生物多样性,是被子植物中最大的科之一,拥有763个属、28000多个种。这些物种约占被子植物物种总数的10%,具有不同的生态环境和花结构,因此兰科被作为研究花器官发育和进化的模式类群。本研究在 10x Genomics Visium 平台上对蝴蝶兰进行了空间转录组测序,从时期上覆盖了花序分生组织和近成熟花器官的多个发育阶段。在空间转录组数据中共检测到14328个基因的表达,聚类为40个clusters,其中3817个基因被鉴定为在一个或多个组织中具有特异表达模式,为详细分析从分生组织细胞到分化后细胞的类型转变提供了分子依据。

  

图:基于空间转录组学的蝴蝶兰花发育早期阶段器官发生的重建结果

 

2.早期花原基存在分生组织细胞,随后分化为营养型细胞和生殖细胞

在早期花原基的多个细胞类群中共鉴定出4685个基因与发育时间相关,分别在分生组织、营养细胞、生殖细胞中呈现选择性的高表达模式。这些基因在功能上多与生长素和细胞分裂素信号途径相关,推测在花原基的形成和器官分化中扮演重要角色。空间表达信息表明,B类基因特异性在早期合蕊柱组织的两个小细胞团中表达,推测可能与雄蕊原基发生的具体位置以及启动下游关键基因的表达相关。

图:分生组织向营养型细胞和生殖型细胞的分化与命运决定

 

3.MADS-box基因的空间表达分布说明了决定兰花花部器官的ABC code

为了发现兰花中特异的ABC code,本研究对7种被子植物的MADS-box基因进行了系统发育分析。在蝴蝶兰中的21个ABCDEG类MADS-box基因中,有15个基因在空间转录组数据集上检测到表达信号,且在不同组织部位呈现出优先或特异的表达模式。其中,AP3-like和PI-like基因(B类基因)均在花被片、唇瓣和花柱的原基中表达。特别是PAXXG070630在花柱顶端组织周围表现出梯度表达信号,其中单个spot点表达量最高,其周围细胞的表达信号随着离中心spot点的距离增大而减弱,表明花药在发育的这一阶段是从单个spot点开始的。AG-like(C类基因)的空间表达谱上也存在类似的情况,为花药的器官发生提供了进一步的证据。而AP1-like基因(A类基因)优先表达于分生组织中或广泛表达于各器官中,AGL6-like(G类基因)则在唇瓣和花被片中特异表达。

 

 

图:15个MADS-box基因的空间表达分布图

 

4.持续激活的分生组织细胞群参与花被片的形成

通过对花被细胞进行发育轨迹分析,发现5号花苞被片细胞的基因表达呈现出高度一致性,而在6号花苞所在阶段表现出一定的表达异质性。在分生组织细胞群、分化早晚不同的被片细胞中共检测到987个基因,其表达水平与组织学位置呈现高度相关性,并显著富集在蛋白质合成、光合作用和细胞壁合成等相关途径上。

图:基部分生组织细胞群参与花被片的形态建成过程

 

5.花药发育的起始和随后多种细胞类型的分化

相较于花被片和唇瓣,花药的发育起始时间更晚,过程也更为复杂:从5号花苞中的小细胞团发展为6号花苞中花药原基和营养组织,再到7号和8号花苞中的花粉粒、花药顶端组织,蕊喙和粘盘等结构。综合120种组织类型的分析进一步表明,花药的营养组织在早期往往有相似的基因表达式样,特异性表达基因较少,但在发育后期经历了迅速的组织分化和形态发生过程。

 

图:多种基因通路参与了花药器官的身份决定和细胞类型分化过程

再次恭喜复旦大学戚继团队和江西农大国春策团队!

 

 

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