江西农大/复旦大学构建毛竹笋形态建成过程的时空图谱

作者：iPlants 2024/9/14 14:08:31

近日，江西农业大学国春策团队联合复旦大学戚继团队在《New Phytologist》杂志上发表了题为“Spatiotemporal transcriptome atlas reveals gene regulatory patterns during the organogenesis of the rapid growing bamboo shoots”的研究论文。研究团队利用10x空间转录组和单细胞核转录组测序平台，精确解析了毛竹（Phyllostachys edulis）竹笋早期发育阶段不同组织和细胞的基因表达式样，揭示了竹笋发育过程中的细胞轨迹，发现了与原形成层分化、居间分生组织形成和维管组织发育相关的关键基因和调控途径。该研究提供了毛竹笋形态建成过程中基因表达的全景图，为解析驱动竹笋快速生长的复杂分子机制提供了线索，也为深入开展竹类植物器官发生，以及特定细胞类型的功能研究提供了重要参考。

竹子是世界上生长速度最快的植物之一，例如，毛竹每天生长可超过1米。竹子茎秆高生长机制的研究一直是植物发育生物学研究关注的热点话题。然而，调控竹类植物茎秆顶端分生组织和居间分生组织维持与分化的基因网络目前尚不清楚，也缺少对不同细胞类型基因表达时空异质性信息的了解。该研究对毛竹笋的发育过程开展了详细的形态和解剖学观察，并在此基础上首次将10X Visium技术应用于竹笋研究，对竹笋形态建成的三个关键阶段开展了空间转录组和单细胞核转录组测序分析（图1）。整合所有空间和单细胞核转录组数据，共划分了24种细胞类型/组织簇，鉴定了5459个在一个或多个组织中具有特异表达模式的基因，为详细解析从分生组织到成熟组织的分化机制提供了分子依据。

图1. 基于空间和单细胞核转录组学对毛竹笋早期发育阶段的器官发生重建研究

该研究发现在毛竹笋顶端分生组织区域存在一组分裂缓慢且转录不活跃的细胞（定义为冷区，cold zone），此外还可分成KN1转录因子家族和激素代谢相关基因IDD7高表达的两个区域，显示了毛竹茎顶端分生组织中存在与拟南芥等模式植物不同的基因调控式样（图2）。

图2. 毛竹笋顶端分生细胞维持与分化相关基因

通过对原形成层、分生细胞以及韧皮部和木质部细胞的聚类分析，该研究阐述了从干细胞到维管组织分化相关的基因表达特征，清晰描绘了原形成层分化的两条细胞轨迹路径，并发现了一批组织特异性的标记基因（图3）。

图3. 毛竹笋从分生细胞到维管组织细胞的分化轨迹

此外，关于禾本科植物中居间分生组织的起源一直存在争议。该研究发现居间分生组织中特定基因的表达呈现出规律性和分散的分布模式，进一步通过对激素信号传导和脂质代谢相关基因的时空表达模式和细胞发育轨迹的分析，强烈支持居间分生组织起源于周围薄壁细胞的假说（图3和图4）。通过对植物激素相关基因的表达式样和系统发育分析，该研究还揭示了生长素、细胞分裂素和赤霉素等植物激素在毛竹笋形态建成中的重要作用，构建了竹笋早期发育阶段中与原形成层细胞分化和维管组织起始相关的基因调控网络。

图4. 激素相关基因参与调控毛竹笋居间分生组织和维管组织的形成过程

江西农业大学科研助理、复旦大学博士后郭婧为论文第一作者，江西农业大学国春策教授和复旦大学戚继研究员为论文共同通讯作者，江西农业大学于芬教授、张文根副教授、硕士研究生罗丹、李凤娇和龚嘉嘉，复旦大学陈雅毛老师等团队成员参与了该工作。该研究得到“十四五”国家重点研发计划项目（2021YFD2200502）、国家自然科学基金项目（32370246、31960051、32200176）、复旦大学遗传工程国家重点实验室以及博士后科学基金项目（2021M690682）的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1111/nph.20059

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