孫蒙祥研究組攻克植物早期胚胎發(fā)生過程中長期迷惑不解的難題
5月9日，Cell著名子刊Developmental Cell（發(fā)育細(xì)胞）在線發(fā)表了武漢大學(xué)孫蒙祥教授團(tuán)隊(duì)題為“Two-Step Maternal-to-Zygotic Transition with Two-Phase Parental Genome Contributions（父、母親本基因組在植物胚胎由母本控制向合子控制轉(zhuǎn)換過程中的貢獻(xiàn)）”的研究論文。該研究工作系統(tǒng)地分析了植物母本控制開始轉(zhuǎn)換到合子控制轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)，為該領(lǐng)域長期迷惑不解的問題提供了明確可信的答案，也為相關(guān)研究突破技術(shù)瓶頸提供了范例。該論文第一作者是武漢大學(xué)青年教師趙鵬，孫蒙祥教授為責(zé)任作者。武漢菲沙基因劉丹妮和程艷兵參與了該研究的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析工作。本論文受到國家自然科學(xué)基金和中國科協(xié)青年人才托舉工程項(xiàng)目的支持。
該研究團(tuán)隊(duì)以雙子葉植物擬南芥為材料，建立了一系列單細(xì)胞操作技術(shù)，成功分離了深埋在母體組織內(nèi)生活卵細(xì)胞、合子及早期胚胎；并利用單細(xì)胞測序技術(shù)解析了卵細(xì)胞、受精卵及早期胚胎的表達(dá)譜特征，構(gòu)建了目前最為完整的擬南芥卵細(xì)胞、合子和早期胚胎表達(dá)譜數(shù)據(jù)庫。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)植物ZGA與動(dòng)物一樣，具有母本信息清除和合子基因組激活兩個(gè)過程。但植物受精卵基因組激活的時(shí)間進(jìn)程及父、母親本雙方的貢獻(xiàn)具有區(qū)別于動(dòng)物的獨(dú)特性；該研究從全基因組水平證實(shí)了合子基因組的激活在受精卵時(shí)期已經(jīng)開始，遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于動(dòng)物。同時(shí)，他們通過構(gòu)建擬南芥雜種合子表達(dá)譜并結(jié)合獨(dú)特的胚珠培養(yǎng)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)植物受精卵發(fā)育具有兩個(gè)典型階段，早期發(fā)育調(diào)控信息主要來自于卵細(xì)胞，而后期合子極性的建立及啟動(dòng)細(xì)胞分裂則需要來自于合子的從頭合成的新轉(zhuǎn)錄本。
受精與早期胚胎發(fā)生是被子植物賴以傳宗接代、形成種子的重要發(fā)育過程，長期以來一直是植物發(fā)育生物學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。其中一個(gè)重要的發(fā)育事件是合子基因組激活(ZGA, zygotic genome activation)，合子基因激活標(biāo)志著發(fā)育過程由母本控制開始轉(zhuǎn)換到合子控制(maternal-to-zygotic transition)，此時(shí)胚胎開始合成自己的mRNA和蛋白質(zhì)，而不再依賴于卵細(xì)胞中儲藏的母本mRNA和蛋白質(zhì)，意味著胚胎發(fā)育程序的建立。動(dòng)物合子的早期發(fā)育信息儲存于卵細(xì)胞內(nèi)，其合子基因激活發(fā)生于多細(xì)胞胚胎期，因而其早期發(fā)育是母本信息控制的（maternal control）。而植物中母本控制到合子控制轉(zhuǎn)換的時(shí)間以及父、母親本雙方在早期胚胎發(fā)生過程的貢獻(xiàn)，由于植物卵細(xì)胞與早期胚胎發(fā)生過程歷時(shí)很短且深埋在母體組織內(nèi)，開展相關(guān)研究工作十分艱難。但我校生命科學(xué)學(xué)院孫蒙祥研究組打破技術(shù)壁壘，使這一問題迎刃而解。
圖注：植物胚胎由母本控制向合子控制轉(zhuǎn)換過程
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