生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院袁政課題組發(fā)文解析水稻花序早期發(fā)育單細(xì)胞動(dòng)態(tài)全景圖
2022年2月4日，NEW PHYTOLOGIST在線發(fā)表了上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院/代謝與發(fā)育科學(xué)國際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室袁政教授課題組題為“A rice single cell transcriptomic atlas defines the developmental trajectories of rice floret and inflorescence meristems”的研究論文。研究人員利用單細(xì)胞測序系統(tǒng)繪制了水稻花序早期發(fā)育的動(dòng)態(tài)全景圖，重建了水稻小穗、花和各類生殖分生組織的發(fā)育軌跡。通過分子和遺傳分析，明確WOX轉(zhuǎn)錄因子DWT1在調(diào)節(jié)水稻花分生組織活性中發(fā)揮功能；證明了生長素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白OsAUX1在花序發(fā)育中的作用，為生長素調(diào)控水稻花序分枝提供了直接的遺傳證據(jù)。上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院博士生宗杰、王麗、朱璐為并列第一作者，袁政教授為通訊作者。上海交通大學(xué)張大兵教授，梁婉琪教授、上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物育種栽培研究所曹黎明研究員、馬普研究所George Coupland院士等參與了本項(xiàng)研究的實(shí)施。
水稻是人類重要的糧食作物之一，在我國糧食生產(chǎn)中占有重要的地位。水稻花序的形態(tài)結(jié)構(gòu)是直接決定最終產(chǎn)量的重要農(nóng)藝性狀之一。水稻花序發(fā)育和形態(tài)建成包括花序分生組織（IM）、一次和高次枝梗分生組織（BMs），小穗分生組織（SpM）以及花分生組織（FM）等多類生殖分生組織活性的調(diào)節(jié)、屬性轉(zhuǎn)換，以及花器官屬性建立和形態(tài)建成等發(fā)育事件，受外在環(huán)境條件和內(nèi)在遺傳因子等多方面因素調(diào)控。但人們對(duì)IM、BMs、SpM和FM之間的形態(tài)和分子差異，以及它們在發(fā)育中的細(xì)胞水平差異仍不甚了解。近年來，多家實(shí)驗(yàn)室使用單細(xì)胞RNA測序技術(shù)（scRNA-seq）研究了擬南芥、玉米、水稻等材料根、莖和葉等組織的細(xì)胞特性和異質(zhì)性，不僅在單細(xì)胞分辨率上提供了有價(jià)值的轉(zhuǎn)錄組學(xué)信息，還對(duì)這些器官的發(fā)育軌跡提供了前所未有的見解，也為開展植物花序和花器官的發(fā)育軌跡分析提供了新的契機(jī)。
該研究以2個(gè)含蓋水稻花序早期發(fā)育各生殖分生組織轉(zhuǎn)換、花器官屬性建立等發(fā)育過程的樣本S1（花序長度<2mm）、S2（花序長度2-3mm）和劍葉（對(duì)照）進(jìn)行了單細(xì)胞測序（BD RhapsodyTM，上海烈冰），獲得了包含37,571個(gè)高質(zhì)量細(xì)胞的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，并將這些細(xì)胞分為小穗、分生組織、花序軸和葉四大細(xì)胞類群（圖1）。研究人員進(jìn)一步對(duì)小穗、花、分生組織亞群進(jìn)行了細(xì)胞類群鑒定和全面的分析，并通過原位雜交、分子標(biāo)記轉(zhuǎn)基因植株和突變體分析驗(yàn)證了分類的正確性。
圖1.水稻花序早期發(fā)育模式圖及細(xì)胞分類
(a) 水稻花序早期發(fā)育模式圖。(b) 實(shí)驗(yàn)流程，展示花序早期發(fā)育兩個(gè)時(shí)期材料的取材、原生質(zhì)體收集、細(xì)胞捕獲、單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序和生物信息學(xué)分析的工作流程。(c) t-SNE分類算法將花序細(xì)胞分為小穗、分生組織、軸、葉四大類群。(d) AUROC（area under the receiver operator characteristic curve）分析展示樣本之間的高重復(fù)性。
鑒于學(xué)者前期在水稻小穗和花發(fā)育中已經(jīng)克隆了較多的調(diào)控因子，為細(xì)胞分群提供了可用的標(biāo)記基因。研究人員首先對(duì)小穗和花細(xì)胞進(jìn)行了細(xì)分研究。其中花的細(xì)胞類群可以分為10類，根據(jù)分子標(biāo)記和擬時(shí)序分析，研究人員不僅鑒定到護(hù)穎（extraordinary glum, eg）、不育外稃（sterile lemma, sl）、外稃（lemma, le）、內(nèi)稃（palea, pa）、漿片（lodicule, lo）、雄蕊（stamen）等已知花器官細(xì)胞類群，還發(fā)現(xiàn)了小穗屬性細(xì)胞（SIC）、FM、邊界細(xì)胞（boundary）、隱性孢片（cryptic bract）等新的細(xì)胞類群（圖2）。研究人員發(fā)現(xiàn)ROC/HDG家族基因在SIC中富集，在擬時(shí)序分析結(jié)果中位于花器官發(fā)育的起點(diǎn)（圖2）。研究還發(fā)現(xiàn)，WOX類轉(zhuǎn)錄因子DWT1在FM中高富集，是FM的標(biāo)記基因；遺傳學(xué)分析揭示DWT1基因突變的確會(huì)造成內(nèi)稃、漿片屬性和數(shù)量的異常，證實(shí)DWT1具有調(diào)控水稻FM活性的功能（圖2）。
圖2.水稻花細(xì)胞類型分類和dwt1突變體表型
(a) 水稻花的UMAP圖，顯示10個(gè)花細(xì)胞亞分群。紅色和藍(lán)色箭頭表示花細(xì)胞的兩條發(fā)育軌跡：生殖器官（FM、pa、lo、st等花組織）和非生殖器官（cb、le、sl, rg等苞葉類附生組織）。(b) 小穗和花結(jié)構(gòu)示意圖。(c) DWT1在FM中高富集。(d) 野生型9522小穗的表型。(e) dwt1突變體花表現(xiàn)出內(nèi)稃異常(e1)或缺失(e2)、多雌蕊(e3)、和伸長的穎片狀漿片(e4，e5)等表型。
通過擬時(shí)序分析，研究人員進(jìn)一步構(gòu)建了花發(fā)育的兩條途徑，并在單細(xì)胞表達(dá)組學(xué)層面證明水稻“真正的”花是以SIC–FM–pa/lo/st模式發(fā)育，而rg、sl、le是苞片狀器官的觀點(diǎn)（圖3）。通過原位結(jié)果驗(yàn)證，ROC/HDG家族基因高度富集的SIC細(xì)胞群處于SpM和FM的表皮層（L1），暗示花分生組織L1在花分生組織活性調(diào)控和后續(xù)發(fā)育中發(fā)揮重要功能；研究人員由此提出ROC/HDG基因家族可能提供來自FM外層的位置信號(hào)，以激活水稻小穗和花啟動(dòng)的假設(shè)（圖3）。
圖3.水稻花細(xì)胞擬時(shí)序分析和SIC-FM發(fā)育模型
(a)和(b) 花細(xì)胞的擬時(shí)序分析結(jié)果，顯示FM細(xì)胞會(huì)發(fā)育成花器官，包括不含葉屬性細(xì)胞的內(nèi)稃、漿片和雄蕊(a)，和包含葉屬性細(xì)胞的護(hù)穎、隱性苞片和邊界細(xì)胞(b)。(c) 小提琴圖顯示ROC基因在花SIC中富集。(d) ROC1?(d1)、ROC3?(d2)的mRNA原位雜交顯示SIC為花序原基表皮細(xì)胞。(e) 小穗中SIC、SSC（支撐細(xì)胞群）和FM之間關(guān)系的模型圖。
研究人員隨后對(duì)生殖分生組織再次進(jìn)行細(xì)胞類群細(xì)分，將分生組織細(xì)胞簇分為花序分生組織、分枝分生組織和小穗分生組織三類，并提供了一系列全新的細(xì)胞類型標(biāo)記基因（圖4）。研究通過擬時(shí)序重建了各類生殖分生組織的發(fā)育途徑，并確定了四類控制側(cè)生分生組織轉(zhuǎn)變的調(diào)節(jié)因子。研究人員還深入分析了第二類代表基因OsAUX1的表達(dá)模式和生物學(xué)功能，證實(shí)Osaux1突變體花序變小、分枝和小穗數(shù)量減少的表型，為生長素調(diào)控水稻花序發(fā)育提供了直接的遺傳學(xué)證據(jù)（圖4）。
圖4.水稻花序分生組織細(xì)胞類型鑒定和擬時(shí)序分析，以及OsAUX1調(diào)控花序分枝的表型
(a) 花序分生組織細(xì)胞的UMAP圖，分為3種細(xì)胞類型：IM、BM、SM。(b) 對(duì)分生組織細(xì)胞進(jìn)行擬時(shí)序分析，展示了從IM到BM和SM的兩條分化軌跡。(c) 對(duì)(b)圖中紅色節(jié)點(diǎn)的BEAM分析顯示轉(zhuǎn)錄因子對(duì)分生組織轉(zhuǎn)化的貢獻(xiàn)分為四大類。(d)?OsAUX1基因BEAM分析散點(diǎn)圖，表示OsAUX1主要影響IM向BM的分化。(e) OsAUX1在S1時(shí)期的原位雜交結(jié)果，顯示OsAUX1在BM和SM中表達(dá)。(f) 與野生型9522相比，Osaux1-1;4突變體花序顯示較短的分枝和較少的小穗數(shù)。(g) 與野生型相比，Osaux1-1;4突變體花序的長度變短。
這些研究成果系統(tǒng)繪制了水稻花序早期發(fā)育的單細(xì)胞圖譜，重建了水稻花和生殖分生組織的發(fā)育軌跡，明確了花序發(fā)育過程中的一系列重要調(diào)控因子并提供了遺傳學(xué)證據(jù)，為今后解析水稻花序發(fā)育的精細(xì)過程和分子機(jī)制，以及水稻高產(chǎn)育種奠定了良好的基礎(chǔ)。
該項(xiàng)目獲得了國家自然科學(xué)基金、雜交水稻國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題、上海市水稻產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)、高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃、上海交通大學(xué)SMC晨星計(jì)劃等項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)的支持。
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論文鏈接：
https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/nph.18008
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